生產(chǎn)建設項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術應用

黃穎偉，王巖松，張 野，劉建祥，陳發(fā)先，武 敏，范昊明(.沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院，遼寧 沈陽 0866； .松遼水利委員會，吉林 長春 0000；.遼寧省水土保持局，遼寧 沈陽 000)

在我國現(xiàn)代化進程和城鎮(zhèn)化速度不斷加快的背景下，各類生產(chǎn)建設活動日趨頻繁，由此導致的土壤侵蝕日益嚴重，對生態(tài)安全構成了嚴重的威脅[1]。國家嚴禁各類環(huán)境違法違規(guī)行為，對在建設過程中造成水土流失的項目加大了監(jiān)督執(zhí)法力度[2]。目前，生產(chǎn)建設項目監(jiān)督檢查一般采用地面調(diào)查的手段進行實地勘測，外業(yè)工作量大、效率低、精度有限，特別是對一些監(jiān)測人員難以到達的區(qū)域，無法獲取數(shù)據(jù)，很難實現(xiàn)對生產(chǎn)建設項目進行全面監(jiān)督檢查。

隨著現(xiàn)代空間技術的快速發(fā)展，“天地一體化”技術在資源環(huán)境等領域已經(jīng)試驗先行，為生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管提供了借鑒。本文以RS和GIS為基礎，采用遙感影像調(diào)查與現(xiàn)場復核相結合的手段，在千山區(qū)開展生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管工作，掌握生產(chǎn)建設項目的數(shù)量、擾動狀況及其動態(tài)變化情況，為水土保持監(jiān)督檢查工作提供必要的信息和基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)建設項目的快速調(diào)查和全面監(jiān)管。

1 “天地一體化”技術及其在水土保持領域的應用

1.1 “天地一體化”技術

傳統(tǒng)的陸地信息系統(tǒng)已難以滿足現(xiàn)代社會紛繁復雜的信息需求，而空間信息系統(tǒng)在覆蓋面積、接入速度、時效性、精度等方面都具有明顯的優(yōu)勢[3]，因此必須充分利用空間信息傳輸?shù)膬?yōu)勢，建立起集信息獲取、分析、管理、傳輸、存儲、應用于一體的科學技術體系。隨著遙感等空間信息技術的日益成熟，逐漸形成了能夠滿足多種應用需求的對地觀測體系[4]，通過航天航空飛行器、衛(wèi)星應用系統(tǒng)等多種平臺對地球進行探測，能夠獲取地球表面的各種信息，為不同用戶的數(shù)據(jù)提取與分析提供基本保證[5]。

“天地一體化”是綜合利用多尺度遙感、GIS、空間定位、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等技術的新型信息化技術[6]。該技術將天基信息系統(tǒng)中彼此獨立或相關的各種空間信息系統(tǒng)與地面應用、控制系統(tǒng)等地面基礎設施深度融合，充分發(fā)揮天、地信息技術各自的優(yōu)勢，根據(jù)不同用戶的需求對天地采集、傳輸、處理的多源時空信息進行集中管理、分析、存儲，使得原來封閉、孤立的信息能夠進入通達的信息系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜時空環(huán)境下信息資源的互聯(lián)互通、綜合處理和高效利用，更好地為用戶服務。

1.2 “天地一體化”技術在水土保持領域的應用現(xiàn)狀

隨著航空航天及對地觀測技術的發(fā)展，“天地一體化”技術結合了空間技術與地面技術的優(yōu)勢，具有實時性強、覆蓋面積廣、準確、快速、高效等特點，在資源環(huán)境等領域已經(jīng)得到了廣泛的應用[7]。目前該技術在水土保持領域的應用主要體現(xiàn)在土壤侵蝕普查、水土流失動態(tài)監(jiān)測等方面。廣東省先后三次運用遙感技術進行了土壤侵蝕現(xiàn)狀調(diào)查，并對后兩次的調(diào)查成果進行了對比分析，掌握了不同時期的土壤侵蝕狀況及動態(tài)變化趨勢，同時建立并完善了土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫[8]。李斌斌等[9]在定位監(jiān)測的基礎上采用遙感調(diào)查的方法，獲取了監(jiān)測對象施工前后的水土流失精確數(shù)據(jù)，并對土地利用及土壤侵蝕情況進行了分析。周樂群等[10]運用“3S”技術監(jiān)測了三峽庫區(qū)兩期水土流失和水土保持的動態(tài)變化情況，并利用監(jiān)測成果建立了水土保持數(shù)據(jù)庫，同時開發(fā)了水土保持遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，輔助水土保持監(jiān)測監(jiān)管工作。

RS與GIS技術結合應用于水土保持監(jiān)測，極大地提高了監(jiān)測水平。北京市將遙感等空間技術應用于水土保持執(zhí)法，并構建了生產(chǎn)建設項目衛(wèi)星遙感監(jiān)察系統(tǒng)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)建設項目的動態(tài)監(jiān)測及監(jiān)測數(shù)據(jù)一體化管理[11]。隨著“3S”技術及計算機網(wǎng)絡技術一體化的發(fā)展，不同空間尺度的生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管有了新的技術支持。

2 生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管現(xiàn)狀及“天地一體化”監(jiān)管技術

2.1 生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管現(xiàn)狀

據(jù)水利部發(fā)布的《中國水土保持公報》數(shù)據(jù)顯示，2015年水利部及各省(自治區(qū)、直轄市)共審批生產(chǎn)建設項目水土保持方案29 635個，涉及水土流失防治責任范圍13 533.72 km2。由此可知，我國生產(chǎn)建設項目數(shù)量繁多，擾動土地面積廣闊，生產(chǎn)建設項目水土保持工作不容忽視。

生產(chǎn)建設項目水土流失具有時空不均衡性、突發(fā)性、強度高、危害大等特點。因此，加強生產(chǎn)建設項目監(jiān)管已成為水土保持工作的重要內(nèi)容。生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管側(cè)重于對生產(chǎn)建設項目水土保持方案批復情況、項目類型、擾動面積、防治責任范圍等監(jiān)管指標進行管理，監(jiān)管工作涉及范圍廣、任務重，目前多采用查閱檔案資料、實地測量、交談詢問等方式對各項目逐一開展具體調(diào)查，耗費人力、物力、財力多，時間周期長，工作的時效性不強[12]。

為了解決生產(chǎn)建設項目監(jiān)管困難的問題，使水土保持監(jiān)管工作時效性更強、監(jiān)管更精準、成效更顯著，需要創(chuàng)新監(jiān)管思路和方法，將遙感技術與地面監(jiān)督檢查相結合，形成“天地一體化”的監(jiān)管模式[7]，從而實現(xiàn)對所有生產(chǎn)建設項目的水土保持狀況進行實時、準確、全面的監(jiān)督檢查。

2.2 生產(chǎn)建設項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術

生產(chǎn)建設項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術是在GIS技術支持下，通過對高分辨率遙感影像進行解譯得到區(qū)域生產(chǎn)建設項目擾動圖斑，將擾動圖斑與矢量化的水土流失防治責任范圍圖進行空間疊加分析，根據(jù)二者的空間位置關系對生產(chǎn)建設項目擾動狀況進行合規(guī)性判別，即判斷是否存在未批先建、擾動圖斑超出防治責任范圍等違法行為，從而獲取相關基礎數(shù)據(jù)，為水土保持監(jiān)督管理處罰提供證據(jù)[13]。

將RS與GIS技術相結合用于生產(chǎn)建設項目監(jiān)管，可以快速高效地獲取生產(chǎn)建設項目的數(shù)量、空間分布、占地面積及周邊環(huán)境的基礎信息，實現(xiàn)對生產(chǎn)建設項目的全面監(jiān)管，能有效提高水土保持監(jiān)管工作的技術水平和工作效率。

3 千山區(qū)生產(chǎn)建設項目“天地一體化”監(jiān)管工作

3.1 監(jiān)管方法及技術路線

選取遼寧省鞍山市千山區(qū)為監(jiān)管示范試點，千山區(qū)行政區(qū)劃調(diào)整前總面積為542.96 km2。以經(jīng)過專題信息增強、影像融合、影像鑲嵌等預處理的高分一號影像(空間分辨率為2 m)、資源三號影像(空間分辨率為2.1 m)為數(shù)據(jù)源，提取研究區(qū)內(nèi)擾動地面，結合擾動圖斑樣本數(shù)據(jù)，通過人工判讀篩選出研究區(qū)范圍內(nèi)生產(chǎn)建設項目擾動圖斑。將防治責任范圍與之疊加，判斷生產(chǎn)建設項目的合規(guī)性，并對合規(guī)性分析的結果進行現(xiàn)場復核。技術路線如圖1所示。

3.2 遙感調(diào)查主要過程

千山區(qū)于2015年和2016年分別進行了一次生產(chǎn)建設項目擾動狀況遙感調(diào)查工作，主要包括解譯標志建立、擾動圖斑解譯、防治責任范圍上圖、合規(guī)性分析、現(xiàn)場復核、擾動圖斑動態(tài)更新等方面。

3.2.1 擾動圖斑解譯

采用目視解譯的方法對生產(chǎn)建設項目擾動圖斑進行遙感解譯，在通過野外調(diào)查建立不同類型生產(chǎn)建設項目解譯標志的基礎上，根據(jù)遙感影像特征并參照Google Earth對擾動面積在0.1 hm2以上的擾動地塊進行全部勾繪。

3.2.2 防治責任范圍上圖

通過水保方案等資料獲取項目位置、經(jīng)緯度坐標等信息，結合Google Earth等商用地圖軟件，初步確定項目在遙感影像上的大致位置。通過掃描將紙質(zhì)防治責任范圍圖件轉(zhuǎn)為電子圖件，利用ArcGIS軟件，在統(tǒng)一的坐標系下，以遙感影像為參考進行地理配準，勾繪防治責任范圍邊界、錄入屬性數(shù)據(jù)，完成防治責任范圍的矢量化。由于收集的防治責任范圍資料技術標準不統(tǒng)一，可針對不同的資料采取不同的配準方法：

(1)帶有準確坐標信息或者拐點坐標明確的防治責任范圍圖，直接通過坐標轉(zhuǎn)換，提取防治責任范圍矢量數(shù)據(jù)。

(2)具有公里網(wǎng)的防治責任范圍圖，直接以公里網(wǎng)格交點的X、Y坐標作為校正基準點進行配準，然后再勾繪防治責任范圍矢量邊界。

(3)對無法獲取坐標信息的防治責任范圍圖，采用基于特征點的配準技術。在防治責任范圍圖和遙感影像上找到同名地物點或者特征點(如道路、河流交叉點，建筑物角點等)作為控制點，通過建立控制點之間一一對應關系，將防治責任范圍圖配準到遙感影像中。

3.2.3 合規(guī)性分析

運用ArcGIS軟件的空間疊加分析功能，根據(jù)擾動圖斑與防治責任范圍的空間位置關系判別生產(chǎn)建設項目擾動狀況的合規(guī)性，并將各圖斑的合規(guī)性錄入到擾動圖斑矢量圖層的合規(guī)性屬性字段。其技術流程及疊加分析結果見圖2。

3.2.4 現(xiàn)場復核

在完成合規(guī)性分析等工作的基礎上，開展生產(chǎn)建設項目擾動狀況現(xiàn)場復核工作。通過現(xiàn)場調(diào)查對千山區(qū)所有需要復核的生產(chǎn)建設項目的位置、面積、邊界等指標進行現(xiàn)場采集。主要工作流程及要求如下：

(1)制作現(xiàn)場復核工作底圖和復核信息表，準備相機、GPS等設備；

(2)在現(xiàn)場復核過程中，需要了解項目基本情況和建設情況，復核項目水土保持工作及存在的問題，收集項目水土保持相關資料和證明材料；

(3)復核擾動圖斑邊界，對于存在問題的擾動圖斑在現(xiàn)場復核工作底圖上進行標注；

(4)填寫生產(chǎn)建設項目監(jiān)管示范復核信息表，拍攝現(xiàn)場照片。

現(xiàn)場復核結束后需要根據(jù)調(diào)查資料對室內(nèi)的初步解譯結果進行修正，主要是合并屬于同一個生產(chǎn)建設項目且地理位置相鄰的擾動圖斑，對位置相連但屬于不同生產(chǎn)建設項目的擾動圖斑進行邊界分割，由此得到千山區(qū)擾動圖斑分布圖。

3.2.5 擾動圖斑動態(tài)更新

基于千山區(qū)2015年遙感調(diào)查結果和2016年遙感影像對2016年發(fā)生變化的擾動圖斑(擴大、縮小、新增、消失)進行更新和完善，主要包括調(diào)整原圖斑邊界、勾繪新出現(xiàn)的擾動圖斑、刪除已經(jīng)建成不存在擾動的圖斑。動態(tài)更新后對變化的擾動圖斑再次進行合規(guī)性分析、現(xiàn)場復核等工作，并根據(jù)現(xiàn)場復核結果修正2016年遙感調(diào)查結果，形成2016年擾動圖斑矢量數(shù)據(jù)。

3.3 調(diào)查結果及分析

(1)千山區(qū)2015、2016年生產(chǎn)建設項目涉及的擾動圖斑數(shù)量分別為160個和153個，涉及面積分別為6 317.97和6 322.41 hm2。與2015年相比，2016年千山區(qū)生產(chǎn)建設項目擾動圖斑的數(shù)量減少了7個，但擾動面積總體上呈現(xiàn)增加趨勢(增加了4.44 hm2)。兩年間，千山區(qū)生產(chǎn)建設項目擾動圖斑的數(shù)量及面積變化不大(如圖3所示)，有9個圖斑的擾動范圍發(fā)生擴大或縮小；沒有新增的擾動圖斑；有7個圖斑已經(jīng)進行地表恢復不存在擾動。2015、2016年圖斑變化較小的原因是：①兩次調(diào)查影像時間間隔較短，地物變化不明顯。②一般情況下，礦山開采達到一定范圍后不會進行擴界開采，而是向地下深處開采，因此地面擾動范圍不會明顯變化。圖斑擾動范圍擴大、縮小的原因可能是：①項目開工后，施工范圍逐漸擴大，造成擾動面積增加，而選礦過程中排泄的尾礦在尾礦庫中積累，造成庫區(qū)擾動面積增加；②項目接近完工，逐步進行恢復，擾動范圍相應減小。

(2)千山區(qū)擾動圖斑包含的項目類型有露天金屬礦、露天非金屬礦、加工制造類項目、房地產(chǎn)工程、堤防工程、社會事業(yè)類項目等。造成土地的擾動主要集中在露天金屬礦、 露天非金屬礦這些礦產(chǎn)資源開采類項目，該類型項目擾動土地面積占總擾動面積的比例最大，2015、2016年分別為82.42%、82.96%。這種現(xiàn)象與千山區(qū)所處的大地構造有關，區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源儲量豐富，藏有大量的鐵礦石、花崗巖、石灰石、硅石、頁巖石等金屬和非金屬礦藏，使得礦產(chǎn)資源開采類項目在千山區(qū)生產(chǎn)建設項目中占有較大的比重。

(a)擾動圖斑數(shù)量

(b)擾動圖斑面積

(3)按照合規(guī)性分析方法，對千山區(qū)生產(chǎn)建設項目擾動范圍合規(guī)性進行判別，對生產(chǎn)建設項目擾動圖斑進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域2016年調(diào)查階段共有153個擾動圖斑，其中合規(guī)4個，超出防治責任范圍11個，未批先建138個。對千山區(qū)2015、2016年擾動圖斑調(diào)查成果矢量數(shù)據(jù)進行疊加對比分析，從而根據(jù)圖斑擴大縮小、未批先建等情況有針對性地對生產(chǎn)建設項目進行現(xiàn)場監(jiān)督檢查。

4 結論與討論

采取“天地一體化”技術對千山區(qū)生產(chǎn)建設項目進行監(jiān)管，準確獲取了該地區(qū)生產(chǎn)建設項目的擾動狀況、數(shù)量及分布情況。同時，運用GIS技術提取生產(chǎn)建設項目擾動圖斑并判斷其合規(guī)性情況的可靠性，通過野外調(diào)查得到了驗證。

綜合利用遙感及地面調(diào)查技術對生產(chǎn)建設項目進行動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管，不僅能夠?qū)^(qū)域生產(chǎn)建設項目進行全面調(diào)查，解決由于生產(chǎn)建設項目數(shù)量和類型繁多而造成水土保持監(jiān)管信息缺失的問題，而且能夠從各類生產(chǎn)建設項目中確定疑似違規(guī)的項目或重點部位，然后有針對性地對造成嚴重水土流失的違規(guī)項目進行現(xiàn)場督查、動態(tài)追蹤。遙感監(jiān)測為生產(chǎn)建設項目監(jiān)管提供了客觀、真實的數(shù)據(jù)，對地面調(diào)查結果起輔助驗證作用；地面調(diào)查可以對遙感監(jiān)測能力的不足之處加以彌補，同時也能對遙感識別與提取的信息起到驗證作用。兩者優(yōu)勢互補，降低了監(jiān)督檢查的難度，提高了監(jiān)管工作的效率和準確性。

在實際工作中，由于水土流失防治責任范圍圖沒有統(tǒng)一的制圖標準、缺乏規(guī)范性要求，造成防治責任范圍圖制圖不規(guī)范，難以滿足生產(chǎn)建設項目“天地一體化”監(jiān)管工作的上圖要求，建議相關部門制定規(guī)范性制圖標準，以保證防治責任范圍上圖工作順利開展。限于當前技術條件，土地利用信息提取仍主要采用人工目視判讀的方法，不僅工作量較大，而且難以判斷造成擾動的生產(chǎn)建設項目的類型，特別是對礦產(chǎn)資源開采類項目，若要識別礦區(qū)的開采狀態(tài)及是何種礦物開采造成的土地擾動還存在一定的難度，技術手段還有待進一步提高，這也是今后研究的重要方向。

生產(chǎn)建設項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術已經(jīng)開始探索性應用，未來結合更加細化的行業(yè)需求，需要開發(fā)定制配套的應用軟件，未來的水土保持監(jiān)管工作也需要更多的專業(yè)技術人員。隨著相關技術的發(fā)展和完善，“天地一體化”技術將逐步走向成熟，生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管工作將得到更好的技術支撐。

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