長線型生產(chǎn)建設(shè)項目施工前水土保持遙感監(jiān)測應(yīng)用研究— 以某成品油管道工程為例

林曉渝，李 健，高 智，季 婧

（1.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

長線型生產(chǎn)建設(shè)項目施工前水土保持遙感監(jiān)測應(yīng)用研究— 以某成品油管道工程為例

林曉渝1，李 健2，高 智2，季 婧1

（1.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

以某成品油管道工程為研究對象，以Alos及高分1號衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，以ENVI5.1為技術(shù)平臺，研究基于因子疊加分析的長線性生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持遙感監(jiān)測方法。在該方法中，土地利用數(shù)據(jù)、植被覆蓋度、土壤侵蝕數(shù)據(jù)提取是關(guān)鍵手段。通過對工程施工前土地利用類型進行分類，計算植被覆蓋度，并在疊加坡度因子后分析項目建設(shè)區(qū)施工前土壤侵蝕強度分布情況，從而實現(xiàn)工程施工前水土流失情況的背景監(jiān)測，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)更為全面，亦為全施工周期水土流失動態(tài)對比監(jiān)測定了基礎(chǔ)。

長線型生產(chǎn)建設(shè)項目；水土保持；遙感監(jiān)測；因子疊加分析法

近年來，大中型生產(chǎn)建設(shè)項目日益增加，線路長、范圍廣、擾動區(qū)域分散且跨度大、施工周期長短不一是其顯著特點，實地量測、調(diào)查監(jiān)測、資料分析等傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測方法已難以滿足監(jiān)測要求。遙感技術(shù)由于具有宏觀、綜合、動態(tài)、快速的特點，已經(jīng)在土壤侵蝕監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。采用衛(wèi)星遙感影像或無人機航拍影像，能夠方便、及時、較準確的獲取土地利用情況、植被覆蓋度和土壤侵蝕數(shù)據(jù)等信息，對不小于100 hm2的點型項目及山區(qū)（丘陵區(qū)）長度不小于5 km、平原區(qū)長度不小于20 km的線型項目[7]起到較好的水土保持監(jiān)測效果。

長期以來，生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測常在施工期開展，直至驗收。對于施工前項目建設(shè)區(qū)及直接影響區(qū)等中大尺度范圍背景水土流失情況缺乏監(jiān)測，且難以采用常規(guī)方法對該階段進行補充監(jiān)測。通過遙感方式，利用施工前施工區(qū)域衛(wèi)星影像進行解譯，能夠獲得該時段的背景水土流失數(shù)據(jù)，對施工產(chǎn)生的水土流失情況進行對比，從而得到生產(chǎn)建設(shè)項目完整建設(shè)周期的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)。

近日，水利部辦公廳發(fā)布《水利部辦公廳關(guān)于推進衛(wèi)星遙感水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的通知》（辦信息〔2016〕189號），肯定了遙感監(jiān)測在水土保持監(jiān)測中的成功應(yīng)用，要求各單位根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點認真梳理衛(wèi)星遙感在水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性及技術(shù)路線，并將積極做好水利衛(wèi)星遙感應(yīng)用的統(tǒng)籌規(guī)劃和技術(shù)服務(wù)支撐[8]。

1 項目概況

某成品油管道項目，位于長江中下游平原，長度近600 km，包含管道工程和油庫工程。管道工程作業(yè)帶寬度5 ～20 m，油庫7座。土地利用類型主要為耕地，容許土壤侵蝕模數(shù)500 t/(km2· a)。土建施工作業(yè)內(nèi)容主要為管溝開挖、管道敷設(shè)和管溝回填。項目計劃工期56個月。

2 數(shù)據(jù)源、監(jiān)測內(nèi)容及技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)源

本次遙感監(jiān)測采用日本ALOS對地觀測衛(wèi)星AVNIR - 2傳感器多光譜10 m正射影像，包含有紅、綠、藍、近紅外4個波段，同時考慮衛(wèi)星參數(shù)及影像質(zhì)量，選擇1景高分1號(四波段，分辨率2 m)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行補充。項目區(qū)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)含云量均小于2%，重疊度不小于4%。最終數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)采用WGS84坐標系，比例尺為1∶50 000，采用UTM投影。

2.2 研究內(nèi)容

根據(jù)SL 592 — 2012《水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》并結(jié)合工程實際情況，水土保持遙感監(jiān)測研究主要內(nèi)容為土地利用、植被覆蓋度、土壤侵蝕類型與強度分級等。

2.3 技術(shù)路線

工程水土流失監(jiān)測主要以“因子疊加分析法”進行土壤侵蝕分布情況提取，技術(shù)路線見圖1。

圖1 水土流失遙感監(jiān)測技術(shù)路線圖

3 研究方法及步驟

3.1 土地利用數(shù)據(jù)提取

在分類之前通過目視判讀和野外調(diào)查，對遙感圖像上某些樣區(qū)中影像地物的類別屬性有了先驗知識，對每一種類別選取一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本，計算機計算每種訓(xùn)練樣區(qū)的統(tǒng)計或其他信息，同時用這些種子類別對判決函數(shù)進行訓(xùn)練，使其符合于對各種子類別分類的要求，隨后用訓(xùn)練好的判決函數(shù)去對其他待分數(shù)據(jù)進行分類。使每個像元和訓(xùn)練樣本作比較，按不同的規(guī)則將其劃分到和其最相似的樣本類，以此完成對整個圖像的分類。分以下6個步驟完成監(jiān)督分類：

3.1.1 類別特征判別

根據(jù)分類目的、影像數(shù)據(jù)自身的特征和分類區(qū)收集的信息確定分類系統(tǒng)；對影像進行特征判斷，評價圖像質(zhì)量，決定是否需要進行影像增強等預(yù)處理。

3.1.2 樣本選擇

在ENVI中通過感興趣區(qū)(ROIs)確定每一類別選取一定數(shù)目的樣本，建立分類函數(shù)。

3.1.3 分類器選擇

根據(jù)分類的復(fù)雜度、精度需求等確定分類器。目前監(jiān)督分類可分為基于傳統(tǒng)統(tǒng)計分析學(xué)，包括平行六面體、最小距離、馬氏距離、最大似然；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；基于模式識別，包括支持向量機、模糊分類等，針對高光譜有波譜角(SAM)，光譜信息散度，二進制編碼等。本次選擇最小距離分類器。

3.1.4 影像分類

選擇最小距離法進行監(jiān)督分類，即利用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)計算出每一類的均值向量和標準差向量，以均值向量作為該類在特征空間中的中心位置，計算輸入圖像中每個像元到各類中心的最小距離，就將該像元就歸入到該類。

3.1.5 分類后處理

分類后處理包括更改類別顏色、分類統(tǒng)計分析、小斑點處理(類后處理)、柵矢轉(zhuǎn)換等操作。處理完成后，將帶有植被覆蓋率的數(shù)據(jù)疊加。按照GB/T 21010 — 2007《土地利用現(xiàn)狀分類》在提取出的土地利用一級分類信息中，將林地、草地進行二級分類劃分，合并后即得到土地利用數(shù)據(jù)。

3.1.6 結(jié)果驗證

采用選擇的感興趣區(qū)對分類結(jié)果進行評價，確定分類的精度和可靠性。

3.2 坡度劃分

基于ArcGis平臺地表分析工具，計算項目區(qū)DEM數(shù)據(jù)，提取坡度數(shù)據(jù)。坡度按照《土壤侵蝕分類分級標準》劃分為0° ～ 5°，5° ～ 8°，8° ～ 15°，15° ～ 25°，25° ～ 35°，＞35°等6個等級。

3.3 植被覆蓋度提取

3.3.1 植被覆蓋度計算

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。目前已經(jīng)發(fā)展了很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法，較為實用的方法是利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度，常用的植被指數(shù)為NDVI。以下是在像元二分模型的基礎(chǔ)上研究的模型：

式中：NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。2個值的計算公式為：

利用這個模型計算植被覆蓋度的關(guān)鍵是計算NDVIsoil和NDVIveg。這里有2種假設(shè)：

（1）當區(qū)域內(nèi)可以近似取VFCmax=100%，VFCmin=0%。公式(1)可變?yōu)椋?/p>

式中：NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，置信度的取值主要根據(jù)圖像實際情況來定。

（2）當區(qū)域內(nèi)不能近似取VFCmax= 100%，VFCmin= 0%。

當有實測數(shù)據(jù)的情況下，取實測數(shù)據(jù)中的植被覆蓋度的最大值和最小值作為VFCmax和VFCmin，這2個實測數(shù)據(jù)對應(yīng)圖像的NDVI作為N DVImax和NDVImin。當沒有實測數(shù)據(jù)情況下，取一定置信度范圍內(nèi)NDVImax和NDVImin。VFCmax和VFCmin根據(jù)經(jīng)驗估算。得到研究區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果。分別取累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。

3.3.2 植被覆蓋度等級劃分

植被覆蓋度等級劃分參照《土壤侵蝕分類分級標準》進行確定，具體執(zhí)行情況見表1。

表1 植被覆蓋度等級劃分表

3.3.3 數(shù)據(jù)標準化

依靠遙感信息分析和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的計算所產(chǎn)生的各個要素的直接結(jié)果不僅具有不同的量綱，而且實際值的差異相當大，無法直接參與空間疊加定量計算，必須經(jīng)過標準化處理，以避免由于個別指標的過分夸大而影響結(jié)果的合理性。研究中采用了分級標準化的方法，即對于原始結(jié)果進行分級分等和對于各個等級實現(xiàn)定量賦值。

首先，將矢量的植被覆蓋度和土地利用分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)土壤侵蝕分類分級標準，對坡度、土地利用類型及植被覆蓋度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標準化處理。

3.4 土壤侵蝕數(shù)據(jù)提取

依靠地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對所有專題數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為柵格方式的數(shù)據(jù)層面，柵格大小根據(jù)精度要求確定。每一個柵格作為一個基本分析單元。所有分析單元依照統(tǒng)一的大地坐標、統(tǒng)一的處理方式、統(tǒng)一的柵格大小形成，以確保相應(yīng)的單元具有同樣的空間地理位置和不同專題屬性的位置一致性，全部單元構(gòu)成一個完整的有序數(shù)值陣列。

所形成的每一個分析單元同時具有所有的專題屬性特征，包括空間地理位置、土壤侵蝕類型以及影響侵蝕強度判別的各個指標要素等屬性標準化數(shù)據(jù)。

在提取土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)時，運用柵格計算工具，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》中給定的劃分方法為依據(jù)，并結(jié)合當?shù)貙嶋H情況進行調(diào)整，對每一個柵格上的專題屬性數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和，形成定量結(jié)果，稱為土壤侵蝕指數(shù)，代表該空間位置的土壤侵蝕強度狀況。在判定土壤侵蝕強度時根據(jù)當?shù)赝寥狼治g分布特征使用。

4 監(jiān)測成果

4.1 土地利用情況

根據(jù)衛(wèi)星影像解譯資料，項目建設(shè)區(qū)土地利用類型主要為耕地、林地和道路等8種類型，以耕地為主。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，土地利用類型與衛(wèi)星影像解譯情況基本一致，土地利用類型解譯準確率達到90%以上。

項目建設(shè)區(qū)土地利用情況見表2，土地利用現(xiàn)狀衛(wèi)星影像解譯見圖2。

表2 土地利用情況統(tǒng)計表

圖2 項目區(qū)局部土地利用現(xiàn)狀圖

4.2 植被覆蓋情況

根據(jù)衛(wèi)星影像解譯資料，項目建設(shè)區(qū)植被覆蓋度在 0.00% ～ 12.50%，12.50% ～ 25.00%，25.00% ～ 30.00%，30.00% ～ 45.00%，45.00% ～ 60.00%，60.00% ～ 75.00%，75.00% ～ 87.50%及87.50% ～ 100.00%等8個區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)不規(guī)則分布，植被覆蓋度為0.300 ～ 0.450的項目建設(shè)區(qū)面積最大，為78.66 hm2。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，植被覆蓋度與衛(wèi)星影像解譯情況基本一致，植被覆蓋度解譯準確率達到90%以上。項目建設(shè)區(qū)植被覆蓋情況見表3。

表3 植被覆蓋統(tǒng)計表

4.3 土壤侵蝕情況

根據(jù)衛(wèi)星影像解譯資料，項目建設(shè)區(qū)耕地、非耕地土壤侵蝕強度從輕度以下到劇烈均有分布，土壤侵蝕強度以輕度及以下為主。經(jīng)現(xiàn)場實地量測，土壤侵蝕情況基本符合衛(wèi)星影像解譯結(jié)果，衛(wèi)星影像解譯準確率達到90%以上。

項目建設(shè)區(qū)土壤侵蝕強度情況詳見表4。

表4 土壤侵蝕強度統(tǒng)計表

5 結(jié)論及建議

（1）通過對施工前項目建設(shè)區(qū)衛(wèi)星遙感影像進行解譯分析，結(jié)合數(shù)字高程模型，得到該項目施工前的土地利用現(xiàn)狀、植被覆蓋度和土壤侵蝕強度等數(shù)據(jù)，使得該項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加完整和連貫，為施工期和自然恢復(fù)期的水土保持監(jiān)測指標提供了參考依據(jù)。

（2）目前，對遙感影像空間分辨率的要求為不低于2.5 m[7]，本次監(jiān)測范圍和監(jiān)測時段內(nèi)的遙感影像資源有限，故采用的分辨率為10 mAlos衛(wèi)星影像。在后續(xù)遙感監(jiān)測過程中，可采用分辨率更高的高分衛(wèi)星、資源衛(wèi)星，提高遙感監(jiān)測的精確性。同時，加強分類監(jiān)督和現(xiàn)場核查，提高遙感監(jiān)測的準確性。

[1]趙曉麗，張增祥，劉斌，等.基于遙感和GIS的全國土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測方法研究[J].水土保持通報，2002，22(4)：29 - 32.

[2]劉淼，胡遠滿，徐崇剛.基于GIS、RS和RUSLE的林區(qū)土壤侵蝕定量研究：以大興安嶺呼中地區(qū)為例[J].水土保持研究，2004，11(3)：21 - 24.

[3]徐旌，張軍，劉燕，等.基于RS、GIS的滇池流域水土流失變化研究[J].水土保持學(xué)報，2004，18(2)：80 - 83.

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[7]中華人民共和國水利部辦公廳.水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測規(guī)程（試行）》的通知[R].北京：中華人民共和國水利部，2015.

[8]中華人民共和國水利部辦公廳.水利部辦公廳關(guān)于推進衛(wèi)星遙感水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的通知[R].北京：中華人民共和國水利部，2016.

（責任編輯 姚小槐）

S157

：B

：1008 - 701X(2017)01 - 0045 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.016

2016-10-31

林曉渝(1986 - )，男，工程師，碩士，主要從事生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作。E - mail：lin_xy@ecidi.com