谈北斗系统在耕地保护中的应用★

鲍旭辉,杨 旭,鲍立平

(1.内蒙古测绘地理信息中心，内蒙古 呼和浩特 010000； 2.广西农业职业技术大学，广西 南宁 530000)

1 北斗系统现状

今年，国务院新闻办公室发布《新时代的中国北斗》白皮书。白皮书指出，北斗卫星导航系统在全球范围内实现广泛应用，可以赋能各行各业，可以融入基础设施，进入了大众应用领域，深刻改变着人们的生产生活方式，成为经济社会发展的时空基石，为卫星导航系统更好的服务全球、造福人类贡献了中国智慧和力量。

北斗卫星导航系统由中国自主建造和运营。其建设和应用旨在满足国家安全和社会经济发展的需要。旨在为全球用户提供全天候的高精度定位、导航和授时服务。它是中国重要的空间基础设施。2020年7月31日，第三代北斗卫星导航系统在全球成功组网，其卫星相对定位精度与第二代北斗导航系统相比大幅提高，亚太地区北斗卫星数量也大幅增加，标志着中国北斗卫星导航系统在最后阶段的成功。随着北斗三号全球系统的开通，目前有45颗北斗卫星在轨道上提供服务。我国的空间和地面基础设施具有相对完善的服务能力，北斗产业应用系统已基本形成，这也为中国数字经济的发展注入了强大的活力。

北斗系统目前广泛应用于交通、农业、森林、水利、海洋、物流和电力系统等多个行业，并且逐渐深入到智能手机、智能穿戴设备等智能化、小型化领域创新开发。日前随着5G基站建设、大数据中心、人工智能、互联网等方面国家相关政策的陆续出台，国家将进一步加大力度对相关产业建设和发展的政策支持，北斗系统将与新一代各种新技术深度融合，不断创新，深入融合，服务人类，让北斗服务更加贴近生活。

2 耕地保护传统技术应用问题

2021年12月28日～29日，习近平总书记在中央农村工作会议强调，要采取“长牙齿”的硬措施，落实最严格的耕地保护制度。习近平总书记在第二十次全国代表大会上再次指出要全方位夯实粮食安全根基，牢牢守住十八亿亩耕地红线，确保中国人的饭碗牢牢端在自己手中。

耕地保护刻不容缓，但是传统的耕地保护方式存在线索掌握不全，占用耕地行为难以精细化，主要存在以下几方面问题。

2.1 传统检测手段监测占耕问题效率不高

执法监督工作是自然资源管理的重要内容，在耕地保护和合理利用方面发挥着不可替代的作用。土地管理法明确规定禁止占用耕地进行建窑、建坟或者擅自在耕地上建房、挖砂、采石、采矿、取土等行为。但随着违法占用耕地的不断增加，传统手段越来越难以全面支持耕地执法督察工作。传统的执法监督方式主要依托人工巡查、举报等方式，基层执法人员在遇到疑似违规占用耕地问题时，只能依托传统的测量尺、测距仪、全站仪等工具进行外业测量，然后根据测量结果回到内业与自然资源现状数据、审批数据等进行叠加，进行是否存在违法违规行为的判断。在这个过程中存在着多种不足：1)执法空白，由于人工检查范围和周期有限，仅靠人工检查、举报等方式寻找疑似违法线索会漏掉大量违法占用耕地问题，无法全面、及时地发现违法占用耕地问题，群众对自然资源现状和规划情况不了解，造成举报的数量和质量都相对较低。2)执法成本高，因为发现周期长，执法人员发现违规行为时已形成违法事实，违建拆迁过程无形中提升了执法成本。3)执法效率不高，在判断违规行为时，只能对违规面积进行尺码、测距仪的测量，而全站仪虽然能够测出准确的绝对位置，但至少需要两个人以上进行测量，而手持机等设备绝对精度不高。对于疑似违法面积比较大的图斑，使用传统的测量方式往往需要数日甚至十几天才能完成外部业务的测量。外部业务测量和内部业务判断的周期较长，效率不高。

2.2 耕地“非粮化”监测不到位

耕地“非粮化”是指耕地应该用于粮食、棉、油、糖、蔬菜等农产品的种植与生产，而严格控制耕地转变用地属性变为林地、园地、建设用地等其他类型的地类。近年来，由于种植粮食的经济效益不高导致我国耕地“非粮化”现象呈现逐步扩大趋势。一些耕地“非粮化”问题例如耕地转换为林地、园地等其他农用地的情况在传统卫星遥感影像上的影像特征相似度较高导致难以进行有效的区分：1)种植非粮食性的农作物，包括茶叶、水果、花卉、药材等产品。2)占用耕地进行绿化造林，包括景观林、绿化带、人工草坪等。3)由于耕地质量下降或耕地距离过远等关系造成的“撂荒地”等问题。造成耕地“非粮化”监控不到位，导致大量耕地过度“非粮化”，动摇国家的粮食安全。

2.3 地下矿山占耕无法实现有效监测

矿产资源在国民经济发展中发挥了不可替代的作用，带动了经济社会的发展，但是不法分子在利益的驱使下超过采矿许可范围进行超层越界开采。矿山开采就会引起环境破坏,耕地减少,水资源污染甚至枯竭,地表沉陷,植被减少,土地荒漠化等等。其中地下矿山的开采尤其具有隐蔽性，造成监管部门难以察觉，传统的地下测量检查方式耗时长，造价高难以形成常规性的监测流程。而地下矿山的超层越界开采行为往往占地较大达到几百亩甚至上千亩。其中占用耕地的情况也较为突出。矿山资源的过度开采会破坏自然环境，造成大量水土流失，会严重影响自然的营养环境。造成大面积的耕地质量急剧下降，对耕地造成永久性伤害。对地下矿山进行常规性监测，能提高矿山开发法律意识,减少违法开行行为,减轻矿山开采对耕地的影响,使耕地资源得到充分利用是可持续发展[1]。

3 北斗技术在耕地保护中的应用

北斗系统是国家战略性新兴产业，是我国重要的信息基础设施之一，也是我国信息化建设的重要保证，利用“北斗+”和“+北斗”融合创新应用发展，可以更好的应用该技术，也可以更好的服务社会，随着北斗卫星导航系统在中国的逐步成熟和完善，应用北斗技术提高耕地保护水平成为可能。主要有如下几方面应用。

3.1 北斗+图像识别技术应用于耕地违法线索提取

“北斗+高分”系统是我国北斗导航卫星和高分遥感卫星的综合应用，高分遥感卫星可以提供耕地各个时段的影像数据，是可以作为耕地保护工作的基础，北斗导航系统可以提供定位、导航和授时服务，可对遥感影像显示的内容进行高精度、高可靠性的定位[2]。卫星影像经过纠正、融合等遥感影像专业流程处理，形成具有高精度位置信息和色彩信息的正射图像成果，主要操作步骤如下：

第一步先将某一时段监测地区的正射影像成果确定为基底影像数据，然后每天或固定时间频率根据可获取的卫星数据跟基底数据进行比较，运用人工智能图像识别技术自动提取发生变化的区域范围图斑，生成基于影像信息变化的疑似变化图斑矢量文件。

第二步根据前后两期影像数据和疑似图斑范围矢量文件套合，结合人工分析进行判断，确认变化情况，滤除掉明显的影像伪变化，叠加土地利用现状数据、审批数据、规划数据以及基本农田等数据成果，最终确定疑似乱占耕地违法图斑，交由执法监察部门进行外业核实，最终确定是否存在乱占耕地行为。

由北斗与图像识别技术为依托的耕地保护模式可以有效获取疑似违法线索，较快的获得变化的区域，可以弥补单纯靠人力资源勘查的短板、填补传统耕地保护工作中的执法空白。只要实地发生违法行为，就可以在短时间内被发现进而被及时制止，根据相关法律法规进行处罚。有极大的可能在违法行为尚未完全实施时，将其制止在违法初期，大大降低执法成本，从而实现耕地保护。由于采用了北斗高精度定位技术，卫星影像具备高精度位置信息，亚米级分辨率的正射影像成果在大部分场景下定位与面积测量已经可以达到执法需求，不需要进行二次测绘工作，可进一步减少执法人员的人力资源等方面投入，提高执法效率。在需要进行高精度测量和大面积测量的违法问题，还可以辅助RTK或无人机测量，即可全面实现信息化辅助耕地保护工作。

3.2 北斗+高光谱遥感应用于耕地“非粮化”判定

近年来高光谱卫星数据源不断增多，使得利用北斗+高光谱遥感进行植被分类进而实现耕地“非粮化”判定成为可能。随着传感器的发展，多光谱影像的空间分辨率虽然在不断提高，但是光谱分辨率依然较低，在农作物种植结构复杂、地块破碎地区的分类精度仍然不高，目前还难以实现对农作物品种的分类研究[3]。而高光谱数据凭借光谱分辨率高，可以更为全面、细致地获取地物光谱特征及其差异性等优点，可以为农作物类型识别提供新的技术手段[4]。以高光谱影像为基础数据源，以北斗技术做高精度定位即可实现地表植被的分类定位，实现耕地“非粮化”的合法性判定，主要操作步骤如下：

首先可以根据区域特征建立各地的高光谱数据库系统，建立植被的算法模型，系统可根据实时高光谱遥感数据与高光谱数据库的模型匹配，实现地表植被的初始定性。

第二步将定性结果与高分辨率的正射影像进行叠加匹配，以北斗技术做高精度定位，确定植被的准确边界。

最后将各类植被与耕地矢量数据进行叠加分析，确定耕地“非粮化”区域，从而确定是否存在耕地“非粮化”行为。

3.3 北斗+InSAR应用于地下矿山变化监测

地下矿山的开采会造成地面发生微小沉降，其过程缓慢且不可逆，利用北斗技术可以获取地面高精度三维坐标，用于地面固定点位的沉降监测，可以发现地面的沉降，但单纯依靠北斗系统需要在待监测区布设台站，受接收机数量和密度限制，只能在重点部位布设分散、不连续的监测点，无法获取高空间密度的地表形变信息[5]。而地下矿山的沉降监测不仅需要连续的高程变化，还需要通过连续的形变图像来判断是否存在地下矿山的沉降情况。

InSAR(合成孔径雷达干涉测量)技术是指利用同一地区不同时相的干涉影像以及高精度数字高程模型数据，做两轨法D-InSAR干涉处理，经过基线估算、干涉图生成、自适应滤波及相干性计算、相位解缠、轨道精炼等一系列步骤得到形变结果。同时利用北斗系统三维高精度特征提取特征点对InSAR技术形成的形变数据进行检验，确定沉降结果是否准确。最后叠加光学影像、矿权范围，排除明显的露天沉降因素、水体周围、建筑区沉降等因素影响，将排除后的沉降区域列为地下矿山疑似越界采矿区。

地下矿山占耕相对比较隐蔽，但造成的损失很大，所以首先运用InSAR技术初步确定地下矿山疑似越界采矿区，然后在区域内应用北斗技术精确定位，从而确定底下矿山是否存在过度开挖占用耕地情况[6]。

4 结论与展望

随着北斗导航技术的发展，专业技术人员在不断开发和创新北斗系统的扩展服务，将北斗与农业生产、农情监测与耕地保护等深度融合。其中北斗技术与各类遥感技术的融合应用将极大的改善传统耕地保护中线索提取效率低下、耕地保护执法成本高的现状。目前北斗技术的扩展服务应用已经取得了一定的成绩，但仍然也存在一些不足，需要进一步研究发展：

1)遥感影像数据源不足。目前采用国产卫星对正射影像图的生产进行监测，同一地块国产卫星拍摄周期一般在30 d～60 d，而违法占用耕地行为在这个周期内有很大概率已经形成，执法成本较高。需要进一步补充数据源，缩短遥感影像生产周期。

2)各地未建立高光谱数据库。利用高光谱进行植被判别需根据地域植被特征进行匹配，需各地建立独立的高光谱数据库。而目前高光谱数据库的研究正在发展阶段，还未进行大规模应用，需在研究基础上推广应用。

3)干涉影像目前以国外数据源为主，存在造价高，周期长的缺点。国内对于地表沉降与地下开采的影响因素研究还有欠缺，目前只能作为执法线索，需要将各项影响因子研究确认，提高执法线索的准确率。