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开展耕地遥感调查监测 推动智慧农业发展

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为了坚守18亿亩耕地红线、像保护大熊猫一样保护耕地,测绘人发挥测绘地理信息技术优势,开展耕地遥感调查监测,探索建立了“快速发现+高效分析”的耕地保护信息化技术,助力自然资源督察,推动智慧农业发展,为我国的耕地资源保护注入了“智慧”力量。

应用测绘技术,实时监测耕地数量质量

作为自然资源部派出机构,黑龙江测绘地理信息局(简称“黑龙江测绘局”)围绕自然资源部“两统一”职责,充分发挥自身技术和地理信息资源优势,在为耕地保护提供准确信息数据服务的同时,立足省情实际加快测绘技术在耕地保护中的应用创新,助力耕地保护迈上新台阶。

监测七大农产品主产区空间格局,助力耕地数量和质量保护

2016~2020年,黑龙江测绘局连续开展了农产品主产区空间格局、农业战略格局监测。项目监测范围覆盖七大农产品主产区,监测内容包括种植土地资源、水资源、农业潜力情况、耕地资源质量空间分布变化、污染企业分布等,为自然资源部决策判断提供信息支撑和建议,助力耕地的数量和质量保护。

基于地理国情监测数据,监测区域种植土地的变化量和变化速度、区域内15度至25度、25度以上坡度种植土地变化、区域内退耕还林还草情况、可恢复种植的土地资源恢复及其演变情况,反映耕地数量变化特征及变化规律、耕地后备资源的恢复与利用情况,助力耕地数量保护;对全国七大农产品主产区不同坡度、不同干湿地区范围内耕地资源进行监测,反映耕地资源质量空间分布变化,为耕地质量保护提供依据。

依托卫星遥感技术,技术人员以高空间分辨率遥感卫星图像为基准,依据不同作物和地物的光谱特征,结合地面典型调查以及耕地层数据,采用技术手段提取区域主要农作物(水稻、玉米、大豆、小麦)和其他作物空间分布;利用监测年份各时期旱田和水稻植被覆盖指数与各自标准比对,绘制作物长势评价图;利用中分辨率成像光谱仪数据,使用温度植被干旱指数构建区域干旱指数。通过对作物种植结构、作物长势和农业灾害的监测,可有效测算区域粮食供给状况,评估区域灾害对耕地质量的影响。

立足省情实际,拓展测绘技术在耕地保护中的应用

多年来,黑龙江测绘局不断强化测绘地理信息服务与农业农村信息化融合,积极拓展测绘技术在耕地保护中的应用,并与黑龙江省农业农村厅签订《合作框架协议》,共同开展农业遥感监测、农作物种植面积遥感估算等工作,推进黑龙江省农业精细化、智慧化管理。

——完善黑龙江省北斗卫星导航定位“一张网”。基于黑龙江测绘局前期与气象局、地震局共同建设的省卫星定位连续运行综合服务系统,在松嫩平原、三江平原主要农业种植区增建26座北斗连续运行参考站,充分整合基础设施资源,有效避免重复建设,减少资金投入,推动北斗卫星导航系统在黑龙江省精准农业领域的规模化应用,促进传统农业向自动化、信息化、智能化转型升级。

——开展农村土地承包经营权确权登记颁证影像底图制作项目。黑龙江测绘局牢牢树立“一盘棋”思想,统筹实施农村土地承包经营权确权统一航空摄影、1∶2000数字正射影像图制作项目,根据本省地形和气候特征,从项目实施单位已有软硬件等各种实际情况出发,大胆采用新技术、新工序、新方法,使生产效率大幅提升,劳动作业强度大幅降低,为耕地保护等方面提供了良好的数据基础。

——开展高标准农田建设地理信息监控监管平台建设。与省农业农村厅研讨利用测绘地理信息技术对全省高标准农田建设项目成果进行全方位监控监管方法并完善平台功能,实现高标准基本农田建设项目全流程信息管理、“一张图”数据查看、省市县三级联动、综合分析、内外业监管等功能于一体的高标准基本农田建设监管系统。

——扩大耕作监测应用范围。例如,通过高分辨率卫星遥感影像,结合无人机航拍与实地外业核查等方法进行监测分析试验,采集、分析五常市秸秆出田的情况,并划定秸秆离田范围,为五常市完成秸秆离田工作提供科学准确的数据依据;利用航空影像和解译技术,对嫩江县耕地侵蚀沟做信息采集与统计分析,形成侵蚀沟调查数据库、统计报告及相关专题图件成果,实现黑土地侵蚀沟监测,为嫩江县侵蚀沟现状调查和有效治理提供数据保障。

黑龙江测绘局相关负责人表示,今后该局将深入实施“内外兼顾、上下协同、横向互联、纵向贯通”的事业发展战略布局,以遏制耕地“非农化”、防止耕地“非粮化”为着力点,加快测绘技术应用创新。从部层面,把握新时期测绘工作“两支撑、一提升”根本定位,有效实施地理国情监测、卫片执法、土地变更调查等工作,推动测绘技术与耕地保护工作有机深度融合;从省层面,认真履行“田长制”、黑土耕地保护等工作中测绘地理信息部门职责,深入开展省黑土耕地资源管理信息大数据平台建设、黑土耕地变化监测、农产品种植结构监测等工作,助力耕地保护开创新局面。

“天眼”助力,快速发现违法占用耕地

近年来,四川测绘地理信息局所属的自然资源部第三航测遥感院(以下简称“遥感院”)围绕自然资源部“两统一”职责,利用高分辨率遥感影像、地理国情监测成果等数据,综合运用深度学习、遥感等技术,在耕地保护遥感调查监测和自然资源督察方面开展了大量科技创新和应用实践,为促进耕地保护问题“早发现、早制止”,助力守护耕地保护红线、保障国家粮食安全提供了重要的技术支撑。

积极探索,遥感技术助力耕地保护

四川省是全国13个粮食主产省之一,粮食作物主要为水稻、小麦及玉米。2019~2020年,遥感院率先探索了利用卫星可见光遥感影像对四川地区主要粮食作物的种植范围进行自动提取的技术方法。利用水稻和小麦在不同时相的卫星可见光遥感影像上的光谱差异,可自动提取出水稻及小麦的种植范围。运用该方法,遥感院自动提取出四川省德阳市某区域的小麦和水稻的种植范围,得到了一致认可。

为进一步推动测绘地理信息支撑服务耕地保护等工作,2021年,遥感院以四川省眉山市、雅安市等为研究区域,采用卫星可见光影像、卫星高光谱影像、星载SAR数据和机载SAR数据等多种卫星和航空遥感影像,综合运用多源遥感融合、光谱分析、影像信息自动提取等技术对试验区域内房屋、道路和推填土等耕地“非农化”重点监测对象,以及茶园、果园和林地等耕地“非粮化”重点监测对象进行提取,通过对自动提取图斑进行分析得到试验区“非农化”“非粮化”监测结果,探索出一套遥感监测技术流程,并在此基础上形成关键技术难点的解决方案。

科技创新,锁定违法占用耕地行为

近年来,国家自然资源督察成都局与四川测绘地理信息局建立了长期的战略合作关系。遥感院作为具体支撑保障单位参与了重庆、四川、云南、西藏4省(区、市)的土地例行督察、耕地保护督察等工作。

在长期的督察支撑保障中,遥感院充分利用日益丰富的遥感影像资源和日渐成熟的大数据分析技术,探索建立了“快速发现+高效分析”的耕地保护信息化技术方法。该院基于四川省遥感大数据应用工程技术研究中心成立了遥感信息智能化处理应用创新团队,围绕如何快速提取督察要素目标,自主研发出“自然资源督察要素遥感识别监测系统”;通过遥感识别监测系统,采集房屋建筑、道路、推填土等容易占用耕地的重点要素建立样本库,快速从卫星遥感影像中提取相关督察目标要素;以国产化为目标研发了“大数据综合分析平台”,结合土地利用管理数据对提取的目标要素进行分析,判断是否占用耕地或永久基本农田、是否属于违法占地等,平台实现耕地保护疑点要素图斑快速分析与管理、外业核查举证单生成、综合统计评价及多源多时态异构数据整合与分析等功能,大幅提升了分析效率和准确性。

下一步,遥感院将继续围绕测绘地理信息“两支撑、一提升”的根本定位,紧紧围绕耕地保护及国土空间规划等方面进行技术探索与应用试验,结合新一代信息技术的发展,将人工智能、区块链、5G等技术更加深入地融入自然资源督察、审计工作当中,促进耕地保护向信息化、智能化方向发展,助力地方政府严守耕地保护红线。

跨界合作,绘就三维精准耕作图

初夏,正是农忙时节,在上海市松江区新浜镇林建村,田间地头的农民或在除虫施肥,或在引水灌溉,一派繁忙景象。一架无人机正飞翔在田野上空,按照既定航道实施作业任务。“这架无人机的任务是用大约20多分钟时间,完成对100亩农田空间的信息高精度‘绘图’。”陕西测绘地理信息局所属的自然资源部第一地形测量队工程师李旭洋介绍。

近年来,在全面融入自然资源管理的大格局下,陕西测绘地理信息局围绕“两支撑、一提升”根本定位,在助力耕地资源保护、服务农业发展方面开展了诸多研究和探索。林建村的这个项目,就是自然资源部第一地形测量队与上海土是宝农民专业合作社共同开展的一项农业数字装备技术试验,目的是绘制出该区域内1000亩农田的高精度全要素地面数字模型,提供实现各类机具导航自动工作的信息数据实体基础,尝试实现“水稻耕作无人驾驶,但可精准作业”的设想,助力智慧农业发展。

据了解,该试验项目将建立的高精度区域控制网、数字空间实景模型、区域导航系统等与现代农业设施装备开发和改良相结合,通过数据识别和传导,“指挥”机器自己“行走”在特定空间内,完成指定任务。“试验目标准确地说,是将测绘地理信息技术应用到农业作业场景中,实现智能农机自动驾驶、作物生长实时监控和精准作业无人化、智能化,最终达到无人农场管理目标。”自然资源部第一地形测量队技术员张旋介绍。

通过无人机飞行和三维激光扫描,队员们获取了田间的高精度数据,再将田埂、道路、树木、水渠及附属设施等相关要素模型均清晰地显示在实景三维模型上,从而实现数据的精准分析应用。在播种阶段,可对农田的整理、规划和利用做出精准部署;在生长阶段,可动态观测其生长状态,并为预防病虫灾害提供科学数据;在收获阶段,可对产量数据进行比对分析。

“测绘技术建成的三维模型数据,将进一步提升我们的农业自动化和科技化水平。我相信,在不远的将来,农业耕种将会逐步实现自动化。”上海土是宝农民专业合作社负责人对该项目技术表示了肯定和赞赏,憧憬着未来智慧农业的发展。

目前,首期针对1000亩试验田的空间信息数字化精准建模和空间数据的集成分析应用系统开发工作即将完成。预计明年初,可开展农机实地作业试验。

“发送简单指令,机器便能够在农业生产的全生命周期自动作业,实现农业生产精时、精量、优质。通过中央控制室‘指挥’,远距离遥控各类农机作业,是未来‘数字农业’可能达到的状态。”李旭洋微笑着说。

这样的跨界合作,使测绘地理信息技术推动农业生产作业的数字化、无人化、智能化和精细化成为现实。“将测绘科学技术与农业生产进行跨界融合,在技术实践上是首次,但取得的应用效果却是高于我们的预期的。”自然资源部第一地形测量队副队长陈永军说。

当前,“智慧城市”“智慧小区”方兴未艾,“智慧农业”也逐渐走进大众视野。自然资源部第一地形测量队正依托摄影测量、遥感技术、卫星定位导航、精密工程测量等一系列测绘地理信息技术优势,大胆创新,尝试为“智慧农业”的未来发展探索出一条新路径。

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