基于無人機遙感技術(shù)的水利規(guī)劃實施監(jiān)督管理與后評價研究

王冬梅,高士佩,吳 杰

(1.江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017; 2.南京市長江河道管理處,江蘇 南京 210000)

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基于無人機遙感技術(shù)的水利規(guī)劃實施監(jiān)督管理與后評價研究

王冬梅1,高士佩1,吳 杰2

(1.江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017; 2.南京市長江河道管理處,江蘇 南京 210000)

以大縱湖(鹽城市域)退圩(圍)還湖規(guī)劃實施為試點,開展無人機航拍動態(tài)監(jiān)測,結(jié)合該規(guī)劃實施前ALOS衛(wèi)星影像,對比原規(guī)劃方案內(nèi)容,利用目視解譯法監(jiān)測規(guī)劃已實施11處變化點,進行大縱湖退圩還湖規(guī)劃符合性分析和實施效果后評價,針對不同性質(zhì)的問題提出整改建議和方案。結(jié)果表明:利用無人機遙感技術(shù)進行規(guī)劃實施監(jiān)督管理和后評價,不僅可以定性分析規(guī)劃實施情況,還可以定量給出實施項目詳細位置、面積差異,并跟據(jù)分析總體規(guī)劃方案能否實現(xiàn)原定目標或存在的差距,研究該方案有無必要修正或補充。無人機遙感技術(shù)適合有動態(tài)跟蹤監(jiān)測需求、較大范圍的區(qū)域水利規(guī)劃或重點水利工程建設(shè)項目的監(jiān)測和管理。

無人機;水利規(guī)劃;實施監(jiān)督管理;后評價

水利規(guī)劃是一個特定時期內(nèi),根據(jù)經(jīng)濟和社會發(fā)展需要,對某一范圍內(nèi)的水事活動進行的部署和安排[1]， 在規(guī)劃指導下,實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)、綜合利用、配置、保護和管理[2]。規(guī)劃具有前瞻性、全局性、指導性,并經(jīng)政府批準,具有法律效應(yīng)。在規(guī)劃實施過程中,縣級以上水行政主管部門應(yīng)加強規(guī)劃實施過程的跟蹤、管理和監(jiān)督檢查。違反水利規(guī)劃組織實施的,應(yīng)依法制止和查處[3]。

長期以來,水利規(guī)劃特別是區(qū)域性的水利專項規(guī)劃在實施過程中,各級政府隨意修改和突破規(guī)劃的現(xiàn)象普遍,在土地資源有限的情況下,違法違規(guī)占用水域的情況有不斷增加的趨勢。而對于規(guī)劃實施監(jiān)督管理的單位,一方面由于地形比較復雜,傳統(tǒng)的監(jiān)測手段和監(jiān)測方法難以直觀、動態(tài)地全面監(jiān)測;另一方面規(guī)劃實施涉及當?shù)囟喾嚼?不嚴格按照審批規(guī)劃要求建設(shè),規(guī)劃驗收時形成事實,整改涉及經(jīng)費等各種原因造成工作很難繼續(xù),而這種不按要求實施的規(guī)劃又可能造成示范效應(yīng),影響類似規(guī)劃的實施。所以加強規(guī)劃實施和后評價的實時動態(tài)監(jiān)督管理尤為重要。

相對于傳統(tǒng)人工巡查為主的水域管理模式,衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機遙感技術(shù)是當前水域空間監(jiān)測的主要信息化手段。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、不受地面限制、全天候運行的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于國土、水域監(jiān)測中,成為人工巡查的輔助監(jiān)測手段。但由于衛(wèi)星遙感技術(shù)高分辨率衛(wèi)星影像獲取周期較長、受云層和霧霾影響較大等缺點,造成其無法滿足規(guī)劃實施過程中的動態(tài)監(jiān)測需求。無人機遙感技術(shù)雖然沒有衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測范圍廣,但其優(yōu)勢在于機動靈活、云層下飛行、分辨率高,可以根據(jù)規(guī)劃實施需要和進度在較短時間內(nèi)多次獲取規(guī)劃范圍內(nèi)地表影像進行動態(tài)監(jiān)測,數(shù)據(jù)時效性高,相比衛(wèi)星遙感技術(shù)在區(qū)域規(guī)劃監(jiān)測和管理中擁有較大優(yōu)勢,可以為水利規(guī)劃前期調(diào)研、測繪,實施過程監(jiān)測，后期驗收、評價等各階段提供直觀的影像和決策參考。

本文以2011年通過江蘇省政府審批的、目前正在實施的“大縱湖(鹽城市域)退圩(圍)還湖規(guī)劃”(簡稱大縱湖規(guī)劃)為試點,探討應(yīng)用無人機遙感技術(shù)進行水利規(guī)劃實施監(jiān)督管理與后評價的可行性。

1 研究現(xiàn)狀

無人機攝影測量在美國、日本、我國的一些減災(zāi)、應(yīng)急、測繪領(lǐng)域應(yīng)用已取得可觀成果,由于其周期短、靈活、真實、直觀、準確率高等特點,無人機低空遙感技術(shù)在水利管理上具有巨大的應(yīng)用前景[4]。2004年馬輪基等[5]利用無人機對洪澇災(zāi)害進行遙感監(jiān)測;日本減災(zāi)組織使用無人機攜帶高精度數(shù)碼攝像機和雷達掃描儀對正在噴發(fā)的火山進行調(diào)查,快速獲取現(xiàn)場實況,對災(zāi)情進行評估[6]。2010年在墨西哥灣鉆井平臺溢油事故中,利用無人機多孔徑合成雷達對海上溢油分布等情況進行監(jiān)測,取得了良好效果[7]。李翔[8]針對衛(wèi)星及傳統(tǒng)航空器、其他類型無人機的不足,對復雜水域、面積相對小且污染類型多樣的區(qū)域,利用多旋翼無人機通過搭載不同類型的傳感器,直觀、全面地掌握了水域環(huán)境動態(tài),且實時追蹤和監(jiān)測突發(fā)環(huán)境事件的發(fā)展。2016年1月，浙江省首次利用無人機航拍正射技術(shù)服務(wù)于錢塘江堤防加固工程[9]。無人機遙感技術(shù)已成功應(yīng)用于多個領(lǐng)域,但在水利規(guī)劃實施方面的應(yīng)用較為少見。

2 區(qū)域概況及規(guī)劃主要內(nèi)容

大縱湖是江蘇省政府公布的《湖泊保護名錄》中里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩之一,位于江蘇省鹽城市和泰州市興化市交界處,湖泊保護總面積36.783 km2。其中鹽城市鹽都區(qū)大縱湖湖泊保護面積為19.772 km2,占大縱湖總面積的53.75%,目前是向鹽城市區(qū)供水的主要水源地、里下河中部地區(qū)向新洋港排水入海的行洪通道、里下河地區(qū)現(xiàn)存自由水面最大的雨洪調(diào)蓄區(qū)、鹽城市最大的淡水漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)、鹽城市著名的大縱湖旅游度假區(qū)。該湖區(qū)目前自由水面為8.21 km2,其余均是以大大小小養(yǎng)殖魚塘和耕地形式存在的滯澇圩,基本失去湖泊天然形態(tài)、生態(tài)功能和滯蓄洪水的功能(圖1)。

依據(jù)大縱湖規(guī)劃批文,對鹽城市鹽都區(qū)大縱湖內(nèi)滯澇圩、違章圩實施清退,還湖面積5.226 km2;對湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖清退4.8 km2。退圩還湖后,水域面積由8.21 km2擴大到13.436 km2,利用2.5 km2的原滯澇圩面積作為棄土區(qū)。

3 無人機遙感技術(shù)監(jiān)測方法

3.1 大縱湖規(guī)劃實施監(jiān)測及后評價思路

以2011年大縱湖規(guī)劃實施前大縱湖ALOS衛(wèi)星影像為參考資料,對大縱湖規(guī)劃實施過程現(xiàn)狀進行無人機航拍,按照大縱湖規(guī)劃批文要求和原大縱湖規(guī)劃方案,分析大縱湖規(guī)劃實際完成情況,與原大縱湖規(guī)劃方案預期的目標與目的進行比較,將定性分析與定量分析相結(jié)合,總結(jié)實際效果與預測效果偏離的程度及原因,提出大縱湖規(guī)劃修訂的意見和建議。

3.2 航拍方案

采用固定翼無人機Gatewing航拍作業(yè),范圍以大縱湖保護范圍線為界,面積約37 km2。為滿足精度要求設(shè)置地面像素分辨率為0.15 m,影像航向為70% 、旁向40%,飛行高度150 m,無人機起飛架次為18次(圖2),外業(yè)時間4天,內(nèi)業(yè)影像處理拼接5天。

圖2 航拍計劃

地形條件:測區(qū)為平原,無較大地形起伏,以養(yǎng)殖圩區(qū)為主,有少量農(nóng)作物種植,無高大建筑物。起降方式:彈射起飛、滑翔降落,要求起降點周邊沒有樹木、房屋、電力線等,起飛地點選擇在一條鄉(xiāng)村道路,降落地點選擇在比較空曠的麥田,與養(yǎng)殖水塘保持一定距離,避免落入水中。

3.3 數(shù)據(jù)處理

利用無人機后處理軟件進行航拍影像的處理和拼接,以2011年ALOS影像為參考,在arcgis軟件中進行幾何校正,統(tǒng)一兩期影像的坐標系統(tǒng)。利用目視解譯法進行原大縱湖規(guī)劃方案和無人機航片的對比分析工作,不符合大縱湖規(guī)劃內(nèi)容的部分進行位置標記和矢量信息提取,制作變化點分布圖。為防止誤判,逐個進行現(xiàn)場核實調(diào)查。

3.4 監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)圖3和圖4,發(fā)現(xiàn)11處已實施的點中(表1),與大縱湖規(guī)劃完全符合的有第1、3、7、8、9等處,分別位于退圩還湖區(qū)、棄土區(qū)、圍網(wǎng)生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)。不符的有2、4、5、6、10、11等處。第2處原方案為切灘還湖,現(xiàn)建設(shè)了道路;第4、5處位于保留的Ⅰ64號圩內(nèi),原大縱湖規(guī)劃方案中沒有這兩項內(nèi)容;第6處原方案為生態(tài)濕地修復區(qū),現(xiàn)為棄土區(qū)(圖5)。

圖3 大縱湖退圩還湖原設(shè)計方案

①挖深取土;②建設(shè)道路;③④⑤⑥棄土區(qū);⑦清退圩區(qū);⑧⑨生態(tài)養(yǎng)殖區(qū);⑩筑埂打樁筑土埂圖4 無人機監(jiān)測到的大縱湖規(guī)劃實施變化點

圖5 大縱湖規(guī)劃實施前后影像對比

編號面積/hm2規(guī)劃實施后面積原規(guī)劃面積原規(guī)劃方案已實施內(nèi)容與原規(guī)劃符合性111.8611.86棄土區(qū)棄土區(qū)符合232.16153.36平堤切灘道路不符合316.6816.68棄土區(qū)棄土區(qū)符合45.83無此內(nèi)容風景區(qū)建設(shè)不符合56.16無此內(nèi)容風景區(qū)建設(shè)不符合629.4829.48生態(tài)濕地修復區(qū)棄土區(qū)不符合7157.32157.32退圩還湖,行洪通道退圩還湖,行洪通道符合8154.23154.23圍網(wǎng)生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)圍網(wǎng)生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)符合972.9672.96圍網(wǎng)生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)圍網(wǎng)生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)符合101.001.00圍網(wǎng)清退區(qū)筑土埂打樁不符合111.14無此內(nèi)容筑土埂不符合

整改方案:①大縱湖規(guī)劃實施前應(yīng)編制大縱湖規(guī)劃的實施方案,對大縱湖規(guī)劃進行目標和任務(wù)分解、細化和整體設(shè)計。②對湖區(qū)環(huán)境影響較大的如湖中心修建的土埂和樁,應(yīng)予以拆除,恢復湖泊水面。③對于有建設(shè)需求的如道路、占用的湖泊水域應(yīng)在湖泊范圍外予以等面積補償。④對于改變規(guī)劃類型的項目,如原為生態(tài)濕地修復區(qū)現(xiàn)改為棄土區(qū),在不改變湖區(qū)規(guī)劃水域總面積和棄土區(qū)總面積以及保護水環(huán)境的條件下,可以進行局部位置置換調(diào)整。⑤不在原大縱湖規(guī)劃方案內(nèi)的建設(shè)如景區(qū)等,應(yīng)按照涉湖項目申報批準。⑥規(guī)劃監(jiān)督管理部門應(yīng)加強大縱湖規(guī)劃實施過程中的跟蹤和監(jiān)督管理。

4 實施后評價

鹽城市域大縱湖湖區(qū)具有調(diào)蓄洪水、行洪和向下游地區(qū)供水、漁業(yè)養(yǎng)殖、生態(tài)環(huán)境、旅游等綜合功能。原大縱湖規(guī)劃目標是通過退圩(圍)還湖工程,恢復大縱湖的行、蓄洪能力,改善水源水質(zhì);逐步修復和提升湖蕩生態(tài)服務(wù)功能;建立優(yōu)化的湖泊資源保護和開發(fā)模式,使大縱湖成為寓行洪、蓄洪、水源供應(yīng)、生態(tài)養(yǎng)殖與休閑娛樂為一體的健康湖泊。

總體評價:目前已實施部分,清退了部分圩區(qū),恢復了部分湖區(qū)以及行蓄洪水能力和供水能力?；謴偷男泻橥ǖ涝黾恿怂w流動性,對水質(zhì)和水生態(tài)恢復有一定的提升作用;清退湖區(qū)圍網(wǎng),形成生態(tài)養(yǎng)殖區(qū),提高了湖區(qū)水產(chǎn)品的質(zhì)量,湖泊水環(huán)境得到一定提升,創(chuàng)造了社會效益、經(jīng)濟效益以及生態(tài)效益。

過程后評價:項目施工前未編制詳細的實施方案,建設(shè)缺少統(tǒng)一規(guī)劃,具有隨意性,而未按原規(guī)劃方案實施建成的道路、土埂等項目不僅占用了水域,縮小了湖泊面積,而且對水體流動性形成阻礙,也破壞了湖泊的自然環(huán)境。在大縱湖退圩還湖規(guī)劃實施的同時,一些未履行手續(xù)的項目也開始建設(shè),占用了湖泊岸線,破壞了湖泊整體規(guī)劃和自然景觀。為了規(guī)范管理、維護大縱湖規(guī)劃的嚴肅性,應(yīng)及時整改,在開始建設(shè)前依據(jù)大縱湖規(guī)劃編制詳細的實施方案,為大縱湖規(guī)劃實施提供指導。

經(jīng)濟效益后評價:湖泊清淤和退圩形成的棄土區(qū)為沿湖發(fā)展提供了土地資源,具有巨大的經(jīng)濟效益,目前已有部分區(qū)域吸引投資打造了一些湖泊旅游景觀、影視基地等,為沿岸土地升值和投資創(chuàng)造了良好的環(huán)境,經(jīng)濟效益顯著。

影響后評價:清退圩區(qū)形成自由水面,恢復水體流動性,打造良好的水環(huán)境,湖泊開發(fā)利用方式從粗放轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一規(guī)劃利用,為其他湖泊退圩還湖提供示范。但是湖區(qū)道路等由于位置設(shè)計不合理會對退圩后湖泊水體的流動性、岸線形態(tài)有一些影響。

可持續(xù)性評價:湖泊退圩恢復自由水面,有利于湖泊水資源的長期可持續(xù)利用和汛期洪水調(diào)蓄,優(yōu)美的水環(huán)境和岸線資源也為沿岸地區(qū)發(fā)展提供了土地資源,打造出良好的投資環(huán)境,為居民旅游休閑提供更多選擇,為涉湖地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供動力。

5 結(jié) 語

利用無人機遙感技術(shù)進行規(guī)劃實施監(jiān)督管理和后評價,不僅可以定性分析規(guī)劃實施情況,還可以定量給出規(guī)劃詳細的位置、面積差異,分析已實施項目的效果,并分析總體規(guī)劃方案能否實現(xiàn)原定目標或存在的差距,研究有無必要對水利工程進行修正或補充,適合有動態(tài)跟蹤監(jiān)測需求的、較大范圍的區(qū)域水利規(guī)劃或者重點水利工程建設(shè)項目的監(jiān)測和管理。

隨著信息技術(shù)和無人機遙感技術(shù)的發(fā)展,無人機的續(xù)航能力、信息采集能力以及多架同時監(jiān)控能力都將得到進一步提升,除了影像和視頻的拍攝外,也將具備快速生成地表三維影像的能力,為水利規(guī)劃及其他領(lǐng)域提供更好的支撐。

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江蘇省水利科技項目(2013001;2013019)

王冬梅(1978—),女,江蘇徐州人,高級工程師,主要從事3S技術(shù)在江蘇水利中的研究與應(yīng)用。E-mail:dong_1212sks@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.06.005

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1003-9511(2016)06-0017-04

2016-04-19 編輯：胡新宇)