中國網/中國發展門戶網訊 作為全球人口最多的國家之一，我國始終將耕地保護和糧食安全作為最重要的國家戰略。然而，隨著經濟社會的快速發展，耕地這一重要的戰略資源面臨著日益嚴峻的保護挑戰，如我國耕地數量不斷減少、區域耕地品質不斷下降、耕地利用效率不高等。根據國家統計局的資料，從2009年第二次到2019年第三次全國土地調查，我國耕地總面積減少了1.13億畝，耕地“非農化”“非糧化”等問題始終威脅糧食安全。為了有效保護耕地資源，我國確立了耕地尤其是永久基本農田的優先保護地位，使之成為調整經濟結構、規劃產業發展、推進城鎮化不可逾越的耕地保護紅線。
耕地保護紅線的管控監測是實現耕地保護和糧食安全的重要舉措。隨著社會經濟快速發展，加劇的人類活動對耕地保護造成了越來越大的壓力，導致局部耕地出現面積減少、品質下降、產量降低、作物結構單一、生態服務功能退化、耕地健康狀況受損等問題。此外，氣候變化也給耕地保護帶來了巨大的挑戰，特別是溫度升高、降水變率增大伴隨極端氣候事件頻率和強度的增加，如乾旱和洪澇災害加劇等，深刻影響著耕地的穩定性和可持續性。在人類活動和氣候變化共同作用下，耕地管控狀態的變化速度更快、強度更大、複雜性更高，如何對耕地管控狀態進行高時效性、準確性、全面性地評估和監測已成為一個迫切需要解決的問題。
然而，傳統的耕地監測方法存在著諸多不足，如週期長、時效性差、精度低、成本高等問題，難以滿足及時、準確、動態的監測需求。大資料具有海量資料處理、快速分析、智慧決策等優勢。通過整合衛星影像、氣象資料和土壤監測等多來源資料，實現對耕地利用狀態多維度的高頻、高精度監測，為耕地紅線管控狀態的監測提供更為精准的資料支援、新的研究思路和技術手段，從而全面瞭解耕地的狀態和變化趨勢，為農業規劃、土地管理及糧食生產等決策提供科學支援和資料基礎。如穀歌基於遙感大資料和雲計算構建了近即時土地覆蓋製圖平臺（Dynamic World），實現了土地覆蓋製圖從靜態到即時動態監測的新理念的轉換，這為耕地紅線管控狀態的監測預警提供了重要範例。
本文旨在適應大資料時代科研範式變革的要求，積極推進耕地紅線監管的大資料支撐。將從3個方面展開論述：分析當前耕地保護紅線管控監測現狀；介紹大資料技術在耕地紅線監測中的應用現狀和前沿技術，提出耕地紅線監測的創新技術方案；提出大資料技術在耕地紅線監測中的挑戰、建議和展望。
耕地保護紅線管控監測的現狀與存在的問題
我國耕地保護紅線政策的演變和監測的重要性
自1949年中華人民共和國成立以來，我國始終高度重視耕地的保護和利用工作（圖1）。這一過程經歷了從初期對耕地資源的初步探索，到改革開放時期對耕地品質建設的逐步擴展，再到黨的十八大以來對耕地系統保護的不斷延伸。這種發展變遷的路徑和一系列耕地利用與保護的政策不斷完善，形成了一個綜合的耕地保護利用體系，從耕地數量保護逐步到注重平衡數量、品質和生態三位一體，這為保障糧食安全、推動農業綠色高品質發展和加速農業現包養網代化進程奠定了堅實基礎。研究表明這一系列耕地保護紅線政策在我國耕地保護和糧食安全中發揮了重要作用，使我國得以用不到全球9%的耕地養活了世界近20%的人口。
當前耕地保護紅線管控監測存在的主要問題
面向農業土地系統多維度資訊的監測體系亟需構建
耕地監測的目的和內容不僅局限於統計耕地的數量變化，還要綜合考慮耕地的品質、作物種植制度、生態與健康等多個角度和層次的特徵。耕地品質包括土壤肥力、質地等物理和化學特性；種植制度監測不僅要考慮耕地的種植結構、種植方式、種植效率等技術因素，還要考慮耕地的社會經濟效益、市場競爭力、農民收入等經濟因素；耕地生態狀況監測不僅要考慮耕地的生物多樣性、水土保持、氣候調節、碳匯等生態服務的貢獻，還要考慮耕地退化等生態壓力的影響；耕地的健康包括農藥使用、污染物含量、食品安全等方面。
遙感技術在耕地數量監測方面發揮了重要作用，但其他維度資訊監測方面需要耦合遙感和多模態資料進行協同監測。例如針對耕地的品質和侵蝕狀況等需要更高的光譜和空間解析度資料，以及更先進的技術演算法進行準確地監測，並需要結合地面站點觀測資料進行耦合，來加強多元協同觀測技術在耕地多維度資訊監測中的應用。
耕地衛星遙感監測資料成果豐富，但一致性較低，標準化有待加強
進入21世紀以來，我國在2007年和2019年分別進行了第二次和第三次全國土地調查。第二次和第三次全國土地調查公佈的耕地面積分別為20.31億畝和19.18億畝，相關資料以統計資料的形式按照區（縣）行政區劃向全社會公開發佈，其資料被認為最具準確性、權威性和法律效力。然而，出於相關法律規定等原因，歷次土地調查的原始圖斑資料均未向社會公開。科研團體和機構研發的開源耕地衛星遙感資料產品依然是當下科學研究採用的主要資料來源。
衛星遙感是當前耕地監測的主要手段。特別是在2008年美國Landsat系列資料、2014年歐洲哨兵（Sentinel）系列資料，以及2019年中國高分數據向全球使用者免費共用以來，海量中、高空間解析度的衛星開來源資料逐漸成為遙感耕地製圖的主要資料來源。此外，2012年以來以穀歌公司為代表的遙感雲計算平臺，以其集成多源遙感資料、平行計算和向科研團體免費使用的特點，逐漸成為了耕地遙感監測的首選計算平臺。遙感大資料和雲計算平臺的出現極大地促進了中解析度全球土地覆蓋資料產品的研製，例如以2020年為基準年、空間範圍涵蓋中國大陸地區的耕地遙感監測產品多達10餘套（表1）。
然而，這些資料集存在較大的不一致性和不確定性。以我國包養2020年為基準年的12套耕地遙感監測資料集為例，超過53.55%的區域一致性較低（耕地產品一致性數量小於等於5），面積達190.25×104 km2（圖2）。而完全一致性區域（12套耕地遙感產品均認為是耕地）比例僅占12.89%，面積為45.79×104 km2。其中，高一致性區域主要分佈于東北平原、華北平原、長江中下游平原等地勢較為平坦、耕地集中連片分佈的傳統農業區。對於內蒙古農牧交錯帶以北的戈壁地區、青藏高原、南方丘陵、橫斷山區等耕地破碎化地區，多套耕地資料的不一致性較大。圖2中表明當前12套耕地產品面積與第三次全國國土調查面積整體上具有較強的一致性，但仍呈現顯著的區域差異。因此，未來耕地紅線的衛星遙感監測工作亟待加強行業標準的制訂，提升資料的規範性。
科研與行業部門的對接和互動有待深化，資料共用有待加強
儘管近年來包養網自動化分類技術在科學研究領域取得了長足進步，但當前自然資源業務部門的耕地遙感保護執法在涉及實際應用場景時，仍然需要大量的人工干預或完全由人工主導解譯。以耕地違法佔用遙感監測為例，由於耕地背景覆蓋本身呈現顯著的季節性和區域性差異，而違法附著物在類別和尺寸、顏色形態方面也具有多樣性，使得傳統基於人工智慧的目標檢測演算法在應用於耕地執法場景時常常出現“漏分”和“錯分”等現象。然而，人工解譯也存在時效性差、效率低、人力成本高、受操作人員經驗影響精度難以保證等一系列不足。
當前，我國耕地紅線監測工作在科學研究和行業部門兩個方面均取得重要進展。在科學研究方面。除了上述耕地遙感監測產品外，在作物分佈和耕地管理與利用方面，也已有“東北地區10 m解析度主要作物分佈資料集”“全國500 m解析度灌溉耕地分佈資料集”“全國1 km解析度糧食作物物候資料集”“全國30 m解析度冬小麥種植分佈資料集”等大量遙感監測資料集公開發佈。因此，如何將科學研究領域的進展更好的對接並服務於農業和自然資源等業務部門，仍需要科研人員與政府工作人員加強協作和共同努力。在耕地資料調查方面。自然資源行業部門投入了大量工作，例如自然資源部約每10年開展一次的全國土地利用現狀調查，第二次和第三次全國土地調查也形成了高精度和權威性的資料產品，農業農村部自2008年起也組織開展全國耕地品質監測，但這些調查均只提供統計報告而未公開原始資料。為了更好地統籌和節約資源，深化科學研究和部門應用潛力，有必要打破“資料孤島”，進一步統籌協調業務部門與科研部門的資料共用和開放。
地球科學資料共用對於應對當今最具挑戰性和前所未有的全球環境問題，以及實現聯合國2030年可持續發展目標尤為重要。美國農業部的自然資源清單（NRI）專案包括土地利用、土壤特徵、水質等資訊，每5年更新1次，資料向公眾開放。同時，通過其資料中心共用了全國範圍的農業作物種植面積分布資料，但沒有提供精細化的農戶作物調查資料。歐盟統計局自2006年啟動土地利用/土地覆蓋面積框架統計調查專案（LUCAS），通過每3年開展1次在歐盟28個成員國的調查，獲取土地覆蓋與土地利用統計資料，並對外公開發佈。歐洲航天局開放了部分較粗糙的遙感影像如10 m空間分辨Sentinel-2衛星等，但0.5—1 m解析度的更高解析度商業衛星影像仍未全面向使用者免費開放。因此，充分調研這些國家耕地監測資料共用的範圍、形式、法律約束機制等對於我國耕地監測資料協同、資源節約和高效利用，具有重要意義。
大資料驅動下的耕地保護紅線管控監測新範式
基於“遙感大資料+雲計算+AI”的大資料科研範式
近年來，我國已成功發射了高分、資源系列等對地觀測衛星，加之一些商業微小衛星和無人機影像，獲得了大量的耕地系統高時空解析度的資料。協同國外的遙感資料，為開展耕地紅線管控狀態的即時監測與預警提供了資料支撐。與此同時，遙感雲計算平臺的出現為遙感大資料採擷提供了前所未有的機遇，遙感雲計算可以克服傳統遙感資料處理的局限性，如硬體成本高、軟體更新慢、資料共用難等，實現遙感資料的快速獲取、即時處理和線上服務。此外，人工智慧技術可以對衛星圖像或航拍照片進行處理，自動識別和監測非法佔用、耕地擴張等農地變化，定期檢查農地的利用現狀並就違規行為進行預警。人工智慧技術還可以用於耕地健康監測，監測土壤品質、作物生長情況和水資源利用，幫助農戶更好地規劃和管理農田。
因此，遙感大資料、雲計算和人工智慧的集成可以大範圍、即時獲取高精度耕地資料，包括耕地的數量、品質、生態狀況等多維度資訊，從而助力實現耕地紅線管控狀態的即時監測與預警、耕地狀態歷史演變過程的重建、極端天氣災害的耕地影響快速評價等（圖3）。
大資料科研範式下的耕地保護紅線管控監測
實現耕地紅線管控狀態的即時監測與預警
現有耕地紅線管控狀態的監測週期以年度為主，尚不能滿足耕地動態化監管的需求。基於多模態遙感、雲計算和AI等技術可以實現高精度國土要素的自動化、即時識別，進而服務于耕地紅線管控狀態的即時監測和預警。高性能開源軟體框架（如TensorFlow）中演算法的進步及雲計算平臺的資料收集和處理能力，為更高空間解析度和更高時間解析度耕地資料集的發佈創造了機會。因此，採用資料驅動的人工智慧技術實現耕地空間要素高精度快速識別和提高耕地應對安全威脅的回應速度和預警的準確性已成為發展趨勢。
耕地管控狀態的即時監測重點攻關紅線範圍內干擾活動的快速識別技術。針對自然和人類擾動資訊難以快速、精准獲取的難題，以高解析度、多角度、多模式的光學、高光譜、雷達等多源異構海量遙感資料為主體，發展建設佔用、開墾與種植、災害損毀、盜砍盜伐、非糧化等地表形態擾動要素樣本庫構建技術。融合基於遙感雲計算平臺的平行計算與智慧決策技術，發展多源廣域示範區多樣化場景空間紅線管控要素模型智慧適配方法，滿足耕地紅線安全底線管控關鍵要素快速、精准提取與識別。耕地紅線管控評估預警技術，包括構建數量、品質、格局等耕地管控評估指標體系，建立耕地紅線評估預警模型工具。構建融合數量、品質、生態、格局、潛能、用途的耕地系統多維度評估指標體系和面向國家糧食安全的耕地紅線管控風險評估與預警模型，實現耕地紅線管控風險的快速評估和精准預警。
此外，媒體報導和社會輿論驅動的被動執行情況多，仍難以實現主動式監測。未來的研究方向仍需與人工智慧相結合，進一步改進目標檢測演算法，考慮更多的地域特徵和背景資訊，以培養更為智慧的演算法來應對耕地違法監測中的多樣性和複雜性；進一步減少人工干預，提高執法效率與準確性，最終實現耕地保護執法的主動式精准監測。
“遙感大資料+雲計算+AI”實現耕地狀態歷史演變過程的重建
為了重建不同歷史時期的耕地演變過程，需要依靠不同資料來源和方法來還原歷史時期耕地狀態和演變過程。例如，針對2000年以來的耕地演變過程，國內外利用衛星進行週期性的耕地資源調查監測已有較為成熟的技術。主要依靠中高解析度的多源遙感資料如美國陸地資源衛星（Landsat）（30 m）、歐空局“哨兵”二號衛星（Sentinel-2）（10 m）、美國星球實驗室鴿群衛星（PlanetScope）（3—5 m）、國產高分衛星（0.8—10 m），通過資料融合、去雲去噪、資料插值、濾波平滑等遙感資料預處理過程重建長時間序列多源遙感資料集，再通過機器學習及深度學習等創新演算法進行遙感影像分類實現2000年以來的耕地歷史演變過程重建。
針對2000年以前的耕地演變過程，主要依靠遙感資料結合農業統計資料（如面積、產量等），通過作物空間分配模型（SPAM）來推測不同時期耕地分佈格局，從而重建2000年以前的歷史時期耕地分佈格局。基於重建的長時間序列耕地歷史演變資料集，採用Landtrendr等變化檢測方法探測耕地變化的關鍵拐點與熱點地區，分析耕地歷史時期變化的時空演替特徵。
“遙感大資料+雲計算+AI”實現極端天氣災害的耕地影響快速評價
極端天氣災害的耕地影響評價包括災害本身的快速監測預報和影響評價2個方面。“遙感大資料+雲計算+AI”為極端天氣災害事件的監測預報提供了重要的資料和方法支撐。Hao等結合多源衛星資料提出優化氣象乾旱指數（OMDI）和優化植被乾旱指數（OVDI）實現了我國西南地區生物的乾旱長時序時空格局的監測。通過訓練深度神經網路來捕獲輸入（在給定時間點再分析天氣資料）和輸出（在目標時間點再分析天氣資料）之間的關係，能夠將天氣災害預報速度相比數值天氣預報（NWP）方法提高多個數量級。華為公司雲田奇團隊研發了“盤古氣象”（Pangu-Weather）AI天氣預報系統，並發現和ECMWF HRES比較，該大模型在不同地區、不同熱帶風暴強度、不同預測時間上颱風路徑預測準確度都有明顯優勢。此外，Zhang等提出了一個名為Nowcas包養tNet的極端降水臨近預報大模型，通過耦合物理規律和深度學習實現不同類型降雨率的精確預報，特別是以往方法難以處理的極端降雨事件。遙感技術能夠全面、及時地評價極端天氣災害發生後的耕地情況。利用雲計算的高性能算力，結合AI演算法對遙感大資料進行分析，識別出耕地受災面積、農作物損失等災害影響特徵。Chen等結合遙感雲計算平臺與變化檢測方法，準確地刻畫了2020年長江中下游流域的耕地受洪災影響情況。基於多源遙感資料，Javed等探究了農業乾旱與冬小麥和夏玉米產量損失之間的潛在聯繫，發現中國極端乾旱事件頻次的增加是華北地區夏玉米產量和冬小麥產量顯著下降的重要原因。Dong等採用中解析度成像光譜的歸一化紅外指數（NDII）和擾動指數（DI）2種方法評估了東北地區“巴威”“美莎克”“海神”3次颱風對當地作物的影響，為災後農田管理提供了科學指導。
建議與展望
統籌構建“面積-品質-生態-健康”耕地多維度資訊監測體系
當前已有耕地監測研究主要集中在面積變化上，然而，考慮到現代農業的複雜性，多維度監測變得至關重要。應該納入更多關鍵維度的考量，如耕地品質、作物種植結構、作物管理方式、耕地生態狀況、耕地健康狀態等。這種多維度全方位的監測有助於更深入地瞭解土地資源的狀況，並為土地的科學管理提供更為準確和全面的資料支援。瞭解耕地的品質和健康狀況可以幫助農戶採取更有效的土地管理措施。同時，監測作物種植結構和管理方式的變化可以支援政府農業政策的制定，促進可持續的農業實踐，提高耕地的生態適應性。
加強國產衛星和雲計算平臺在耕地監測中的能力建設
中高解析度遙感資料日益豐富，多源異構海量遙感資料的融合而形成更高維度空間、光譜和時間資訊的遙感資料立方體，提升特徵提取和資料採擷能力，是突破耕地系統遙感監測關鍵技術瓶頸的途徑。未來，應完善國產陸地遙感衛星觀測體系，增加發射和在軌衛星數量，不斷完善“資源”“高分”等系列國產陸地遙感衛星觀測體系，提高遙感資料的準確性和可靠性。此外，增加反映作物光譜特性的波段，在國產衛星中可增加能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段，提高對耕地系統作物長勢、病蟲害等遙感監測的準確性。以長光衛星產品“吉林一號”為例，截至目前已有108顆衛星在軌組網運行，實現對全球任意地區每天35—37次亞米級重訪觀測，在時間敏感度較高的耕地非法佔用等紅線監管業務場景中有重要應用前景。未來，應該注重國產陸地資源衛星和商業衛星大資料的協同利用，更好地助力耕地和其他自然資源本底要素和動態的客觀、真實、準確、即時監測。
加強地塊基本單元等關鍵基礎資訊資料庫建設，提升監測精度
通常基於像元的分類方法沒有充分挖掘像元相鄰的空間資訊，從而造成一些分類錯誤及“椒鹽現象”的問題。在遙感監測耕地的過程中融合地塊基本單元的資訊，構建耕地基礎地塊資訊資料庫，能夠提高遙感監測耕地的準確性，顯著降低遙感影像分類結果的誤差和雜訊。地塊基本資訊是連接遙感監測與農業部門實際應用的橋樑，將地塊基本單元資訊與農業、自然資源等部門資料共用整合。利用高解析度遙感衛星影像和前沿的圖像分類分割技術，輔以現場調查驗證，通過邊緣檢測或者空間資訊聚合等前沿的圖像分割的技術，能夠實現地塊資訊的精准識別。但目前地塊資訊提取在高分遙感資料的可獲取性、複雜景觀地區地塊資訊提取、大尺度地塊資訊連續監測等方面還面臨諸多挑戰。
推動科學研究與部門業務間的資料高效互通和安全共用
協同對接耕地科學監測資料與部門業務資料，並在資料標準規範制定的基礎上進行共用，可以在提高農業管理效率、災害風險應對等方面發揮關鍵作用。國內外在耕地資料共用等方面已取得了重要進展，但資料的共用開放與安全保障的權衡需要由專門的政府部門或研究機構來負責統籌。需建立資料共用標準規範，農業資料的收集、整理和共用發佈等環節均需要制定法律、資料共用的標準和中繼資料規範，確保資料的安全性、格式、內容標注、品質控制等符合相關的規定，保證共用資料的品質。建立明確的使用者申請流程，研究者按照規範提出申請，負責部門進行審核批准，簽訂資料使用協定，避免資料濫用，確保共用資料的安全性。
耕地保護紅線管控監測納入國土空間規劃監測系統（CSPON）
耕地一體化監測平臺建設可以推進農業數位化、智慧化、精准化，全面監測耕地品質變化和糧食生產動態，科學預警和保障國家糧食安全。我國正在推進建設國土空間規劃實施監測網路（CSPON），試圖突破國土空間規劃實施監測中的統一網路架構、演算法模型、資料治理等方面的問題，健全資料共用等基礎性政策標準，其中，耕地紅線管控狀態監測是其中重要的內容。遙感大資料和雲計算等前沿技術不僅能豐富規劃實施監測的方法論，更為構建全新的國土空間規劃實施監督理論和監測體系提供了寶貴的機遇。需要重新審視監測的目標、指標、方法和評估體系，將科技創新與規劃實踐相結合，打造更加包養平臺推薦精准、高效、可持續的國土空間規劃實施監測新機制。
（作者：董金瑋、崔屹峰、陳曦、楊林生，中國科學院地理科學與資源研究所 中國科學院大學；邸媛媛、高璿、甯佳、劉紀遠，中國科學院地理科學與資源研究所；蔡玉梅，自然資源部國土空間規劃研究中心。《中國科學院院刊》供稿）