北斗系统在我国耕地保护中的应用

北斗系统在我国耕地保护中的应用

马涵杰

广东省国土资源测绘院/自然资源部华南热带亚热带自然资源监测重点实验室

摘要:北斗卫星导航系统具有全天候、全天时的对地理进行实时绘测的特点，而且精准度高，测绘流程得到了精简。以往常规测绘精准度低、测量速度慢的缺点，也都得到了弥补。随着北斗定位技术的发展，其被广泛地应用于各行各业，而基于北斗高精度定位技术的便携设备在日常生活中发挥着重要作用。北斗卫星导航系统在我国耕地保护所具备的稳定性，可以为耕地绘测提供更为可靠精准的参考信息，在一定程度上，为我国耕地起到很好地保护作用。

关键词:北斗技术；耕地保护；定位导航；自然资源

一、前言

耕地资源质量动态监测是以时间段为间隔对耕地的微观特性进行测量。不同的耕地利用模式，耕地质量没有经过具体监测都是无法得知的，都是需要进行监测后的探究和分析的才能得知实际地况。野外监测的方法有两种，一种是简易补测法，另外一种平板仪补测法。简易补测法适用范围较小，变更地物与周围地物之间的关系不能过于复杂，实地测量场地范围也不能过大。平板仪补测法虽然可以解决弥补简易补测法的不足，但平板仪补测法测量的速度比较慢，效率较低，不利于监测结果的准确性，监测的质量也得不到保障。而北斗卫星导航系统在得到应用之后，这种情况就得到了大大的改善。应用北斗卫星导航系统后，传统监测方法被取代。凭借其强大的适用性和高精度，可以提高监测的速度及耕地监测的精准性，符合相关部门对耕地利用和动态监测精度的要求，进一步提升了我国的耕地资源利用率。

二、北斗卫星导航系统结构及功能

北斗卫星导航系统包括客户端、地面控制中心和导航通信卫星三部分。地面控制中心由计算中心、校正站、测高站、测轨站以及主控站五部分组成，负责测量、校正卫星定位导航参数，调控卫星的运行轨道、姿态，并编制星历，实现用户定位修正资料与对用户进行定位。导航通信卫星由2枚地球同步轨道卫星构成，负责地面控制中心与客户端双向无线电信号的中继任务。北斗卫星导航系统定位采用3球交会测星原理进行定位。其中，以2卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可做出2个球面，再以地心为球心，用户所在位置点至地心的距离为半径做出1个球面，3个球面的交会点即为用户的位置。

三、当前我国北斗系统的发展现状

我国北斗卫星导航系统建设分“三步走”：第一步，实现区域性导航系统，即北斗一号卫星定位系统，为用户提供全天候、覆盖中国和周边地区的卫星定位系统；第二步，在“十二五”前期完成发射12颗到14颗卫星任务，组成区域性、可以自主导航的定位系统，即在2012年实现覆盖亚太区域的北斗卫星导航系统；第三步，2020年形成由30多颗卫星组网具有覆盖全球的能力，即高精度的北斗卫星导航系统实现自主创新，既具备GPS和伽利略系统的功能，又具备短报文通信功能。目前，北斗卫星导航系统已进入第三步建设阶段。北斗二号将为中国及周边地区的军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足导航定位信息交换的需要等。同时，卫星导航与位置服务产业在国际上已成为继互联网、移动通信之后发展最快的新兴产业之一。北斗对国内卫星导航应用市场的贡献率达到60%，北斗卫星导航系统在重要应用领域达到80%以上。随着北斗系统迅速发展，相应北斗的应用也渗透到各行各业，北斗二号系统通过发播B1Ⅰ和B2Ⅰ公开服务信号，免费向亚太地区提供公开服务，服务范围覆盖南北纬55°、东经55°~180°的区域，实现定位精度优于10m、测速精度优于0.2m/s、授时精度优于50ns的性能指标。能够兼容北斗二号系统的北斗三号系统的服务性能和服务功能将会有更进一步的提升和扩展。2020年北斗三号系统计划提供的服务及性能如表1所示。

表 1 、2020 年北斗三号系统计划提供的服务类型及性能

四、传统技术在我国耕地保护中应用存在的不足

（1）传统技术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。耕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。

（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。

（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，耕地荒漠化等等。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。

五、北斗系统在我国耕地保护中的应用

随着我国北斗卫星导航系统的逐步成熟和完善，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。

（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。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，叠加耕地利用现状数据、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人，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。

（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。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。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）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。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。

六、结语

综上所述，北斗卫星导航系统具有高精准度、高效率的特点，目前在我国各领域逐渐被广泛应用。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，加大了对耕地的保护和利用，一定程度上有利于我国政府对耕地的规划与安排。

参考文献:

[1]袁晓妮，鲁春阳，吕开云，等.我国耕地非农化研究进展及展望[J].中国农业资源与区划，2019，40(1):128一133.

[2]侯瑛男，陈思，等.“北斗+高分”在无人农场中的应用展望[J].卫星应用，2022(6):19-23.