徐凤喜 张华平

(1. 江西省自然资源测绘与监测院, 江西 南昌 330002;2. 江西省地质局地理信息工程大队, 江西 南昌 330001)

0 引言

立足于自然资源管理的“两统一”,构建统一的自然资源调查、监测和评价机制,动态监测土地、建设用地以及矿产等自然资源违法行为,做到违法行为“早发现”“早制止”“早处置”是自然资源执法监察的一项重要工作[1]。江西省具有良好的生态环境、丰富的自然资源,但随着近年来经济的快速发展,自然资源价值提升的同时,各类违法行为也层出不穷[2],因此,迫切需要构建一个全要素、全时段以及全覆盖的常态化自然资源“空天地”一体化的动态监测体系。本文根据《自然资源部信息化建设总体方案》的要求,结合先进的信息化技术和测绘手段[3],采用“实时监测、动态分析、主动填报”的监测机制,利用卫星遥感监测技术、低空720全景影像监测技术以及巡查填报监测技术三种关键技术,对自然资源违法行为进行科学化、常态化以及智能化监测,弥补传统监测发现难、周期长、效率低等短板[4],形成“空天地”一体化的自然资源违法行为动态监测工作流程,实现自然资源违法行为的长、中、短监测周期和全域覆盖、部分覆盖以及重点覆盖监测范围,同时搭建自然资源违法行为动态监测系统,实现自然资源违法图斑的采集、处理、提取、验证、展示、统计、分析以及编制监测成果报告等功能,极大地提高了自然资源执法监察工作能力。

1 总体设计

1.1 设计思路

自然资源违法行为动态监测研究的设计思路包括三方面内容：第一,根据自然资源违法行为的类型和重要程度,构建“空天地”一体化的监测体系,主要采用三种监测方式,一是针对大面积、大范围的违法图斑采用3月一次的卫星遥感影像监测数据;二是针对城市内小面积、小范围、重点区域的违法图斑采用无人机定期采集低空720全景影像监测数据;三是针对无法确认空间位置、群众举报的违法图斑利用移动端手机应用(application,App)采用巡查填报监测数据[5]。第二,构建自然资源违法行为动态监测数据库,主要包括基础地理信息数据库、自然资源专题数据库、违法图斑数据库以及巡查执法业务数据库,为监测系统研发提供数据基础。最后,通过“空天地”一体化的自然资源违法行为监测工作流程设计和WebGIS软件系统开发,搭建自然资源违法行为动态监测系统,实现违法图斑从采集到处置的全过程管理,为自然资源执法监察部门评估和监督提供技术支撑和科学依据。

1.2 动态监测工作流程设计

根据“空天地”一体化自然资源违法行为动态监测工作的需求,对原有违法行为监测方式进行了升级和优化,重新设计其工作流程,主要包括前期准备阶段、数据处理阶段以及系统建设阶段。“空天地”一体化自然资源违法行为动态监测工作流程设计如图1所示。

图1 “空天地”一体化的自然资源违法行为动态监测工作流程设计示意图

前期准备阶段是开展违法行为动态监测工作之前,对相关的数据进行收集和整理、动态监测方案的编制。数据收集和整理主要包括卫星遥感数据、航空摄影数据、基础地理数据、公众举报数据、日常巡查数据以及业务数据和资料等;监测方案编制主要包括确定监测计划、技术路线以及监测的标准等[6]。

数据处理阶段主要包括三部分内容,一是数据的预处理,如,影像数据预处理、基础数据预处理以及业务数据预处理等;二是根据解译资料的采集、先验知识的积累,以自然资源要素的空间、时间以及光谱特征为依据,采用计算机自动发现与人工交互目视解译的方法,发现自然资源变化信息并对变化信息进行甄别和伪变化清除。三是违法图斑提取。将变化信息图斑与自然资源专题数据、审批数据进行套合比较,判断其是否为违法图斑,如是违法图斑,则勾绘违法图斑覆盖区域和判定违法类型,并采用内业质量控制、外业检核的方式,最终确定违法图斑[7]。

系统建设阶段是对违法图斑、影像数据、自然资源相关数据、基础地理数据等进行入库,并通过系统进行展示、查询、统计和分析,从而实现山水林田湖草自然资源全天候、全覆盖以及全要素的“空天地”一体化自然资源违法行为动态监测,辅助自然资源执法监察。

1.3 系统框架设计

自然资源违法行为动态监测系统设计采用分层架构技术,具有可更新、可扩展、可复用以及可融合等特点,主要包括基础设施层、数据资源层、服务能力层、业务应用层以及用户层,两侧是保障平台运行的标准规范体系和信息安全体系。系统框架设计示意图如图2所示。

图2 系统框架设计示意图

基础设施层是利用自然资源部门的“自然资源云”相关的计算资源、存储资源以及网络资源。数据资源层是一方面是调用自然资源管理“一张图”的基础地理数据服务,另一方面是处理自然资源相关的专题数据、违法图斑数据以及巡查执法业务数据等,构建自然资源违法行为监测数据库[8]。服务能力层主要包括通用服务和专业服务,如统一认证服务、角色管理服务、图斑提取服务以及图斑查询统计服务等。业务应用层是具体的自然资源违法行为监测业务应用窗口,主要包括违法图斑采集、违法图斑展示、违法图斑查询、统计和分析以及监测成果报告编制等。用户层是系统使用人员,主要包括自然资源部门的管理人员、巡查执法人员以及运维人员等。

2 关键技术

2.1 卫星遥感影像监测技术

卫星遥感影像监测技术是自然资源违法行为定期动态监测机制的核心内容,是以多源、多时间序列的卫星遥感影像数据为基础,如高分一号、资源三号等,通过比较前后时相的影像数据,对研究区域自然资源变化图斑数据进行采集、分析和解译,从而判断和识别自然资源变化图斑,具有监测周期长、范围广且成果直观等优点[9]。卫星遥感影像监测技术流程如图3所示。本文根据卫星遥感影像地物特征,结合地形、地貌、地域以及周边环境等要素,采用智能自动识别与人机交互判读的方式,提取用地、用矿等自然资源违法行为图斑,并勾绘违法图斑的范围。

图3 卫星遥感影像监测技术流程示意图

2.2 低空720全景监测技术

全景影像监测技术是一种全新的实景信息记录手段技术,是传统影像数据库的良好补充,具有超宽视角、监测周期适中、成果应用广和辨识度高等特点,同时也是自然资源违法行为定期动态监测机制的实现手段[10]。本文利用全景影像中近几年流行的低空720全景技术与测绘地理信息技术相结合,将全景影像数据空间化和服务化、解译内容矢量化、图层对象信息化以及存储结构时空化,从而实现对小区域、重点区域的自然资源违法行为进行纵向上时空比对,横向上量化比对,从而精确提取违法图斑。低空720全景监测技术流程如图4所示。

图4 低空720全景监测技术流程示意图

2.3 巡查填报监测技术

巡查填表监测技术是利用当前流行的移动互联App技术,服务于自然资源巡查执法人员,用于自然资源违法行为日常巡查和公众举报核实等工作,具有快速响应、监测周期短以及成果丰富等特点[11]。本文搭建的巡查执法App功能模块为苹果和安卓系统的移动智能终端提供统一的应用入口,实现违法图斑的空间位置采集以及相关文本、照片、视频等多媒体数据采集和填报,并将图斑上传至服务器,自动进行入库[12]。巡查填报监测技术流程如图5所示。

图5 巡查填报监测技术流程示意图

3 系统实现

自然资源违法行为动态监测系统基于面向服务架构(service-oriented architecture,SOA),混合搭建浏览器/服务器模式(browser/server,B/S)、服务器-客户机(client-server, C/S)以及移动端功能[13],主要包括四大核心功能模块：违法图斑采集、违法图斑展示、违法图斑查询、统计和分析以及监测成果报告编制等。

3.1 违法图斑采集

违法图斑采集是利用卫星遥感影像监测、低空720全景影像监测以及巡查填报监测技术对违法图斑数据进行采集,主要包括影像数据选择、违法图斑发现和判读、违法图斑提取与验证以及违法图斑标准化处理等功能。

3.2 违法图斑展示

违法图斑展示是以基础地理数据和自然资源专题数据为底图,叠加违法图斑数据,实现违法图斑的图文一体化、二三维一体化以及时空一体化展示[14]。图文一体化展示可以查看违法图斑的位置信息和相关的业务信息,如图斑类型、行政单元、采集人等;二三维一体化采用分屏对比的方式实现违法图斑所在区域三维实景数据与自然资源专题数据的比对展示;时空一体化展示实现违法图斑地块不同时间序列信息展示,可以直观展现违法图斑的变化过程。

3.3 违法图斑查询、统计和分析

违法图斑查询、统计和分析是对自然资源违法行为的空间分布进行查询、统计和分析,从而找出规律和结论,为自然资源精细化管理提供依据,主要包括违法图斑区域、类型和专项查询、统计和分析等。区域查询、统计和分析以省、市、县以及乡镇为基本单元,查询和统计各其中单元违法图斑数据,分析违法图斑数量分布通知和密度分布特征,辅助重点自然资源监测区域划定。类型查询、统计和分析是根据违法类型、占地类型等方式,对违法图斑数据和面积进行查询、统计和分析,辅助自然资源专项监测。专项查询、统计和分析是对违法图斑数据进行深入挖掘和分析,包括占用耕地、占用基本农田的数量、面积和分布查询、统计和分析[15]。

3.4 监测成果报告编制

监测成果报告编制是系统将各类成果进行分类、汇总和统计,以更加美观和直观地统计图表形式编制成报告,自动进行导出,让自然资源管理人员快速获取聚焦方向。监测成果报告有违法图斑成果发布情况、统计情况以及变化情况,占用耕地和基本农田情况以及监测任务专题情况等。

4 结束语

本文根据新形势下的自然资源执法监察管理的应用需求,探讨了“空天地”一体化的自然资源违法行为动态监测工作流程和研究了自然资源违法行为动态监测系统总体框架,综合使用卫星遥感监测技术、低空720全景影像监测技术以及巡查填报监测技术,建立了“空天地”一体化的自然资源违法行为动态监测体系,结合系统提供的功能,为自然资源违法图斑的采集、管理和处置提供支持,有效提高自然资源执法监察的处置能力和技术水平。