遙感技術(shù)在水土保持上的應(yīng)用

文|李琳 寶柱 龐治國(guó) 路京選 孫濤 付俊娥

1.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心/中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水土保持工作站

一、引言

中國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一。第一次全國(guó)水利普查顯示，我國(guó)水土流失面積294.91萬(wàn)平方千米，占國(guó)土總面積的30.72%，全國(guó)年均損失耕地100萬(wàn)畝。水土流失導(dǎo)致的土地退化嚴(yán)重、泥沙淤積、生態(tài)惡化以及水資源不能夠有效利用等一系列的問(wèn)題，使我們的耕地減少，加劇了洪澇干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化，加劇了地區(qū)的貧困程度，對(duì)人類(lèi)社會(huì)生存發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅。因此，開(kāi)展相應(yīng)的水土保持工作十分必要，強(qiáng)化水土流失的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和管理已極為緊迫和重要。

水土保持是對(duì)自然因素和人為活動(dòng)造成水土流失所采取的預(yù)防和治理措施，是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，是治理江河、根除水患的治本之策。傳統(tǒng)的常規(guī)調(diào)查技術(shù)手段獲取的定量參數(shù)有諸多弊端，如耗資、耗力，數(shù)據(jù)缺乏代表性，出成果的時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)狀之間會(huì)有很大差異，無(wú)法保證評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。由于很難獲取觀測(cè)資料數(shù)據(jù)，不能及時(shí)更新數(shù)據(jù)，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代信息手段在快速獲取大范圍的地表信息提取方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，尤其是最近幾年來(lái)，米級(jí)空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富，目前高分辨率的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)就有6種以上，從而為水土保持遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。遙感技術(shù)在水土保持工作中的應(yīng)用主要在三個(gè)方面：一是水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；二是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目違法監(jiān)督管理；三是水土保持治理工程輔助管理。

二、水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

土壤侵蝕即水土流失，是指土壤在外力（如水力、風(fēng)力、重力、人為活動(dòng)等）的作用下，被分散、剝離、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程。水土資源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)條件和前提，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性資源。水土流失導(dǎo)致土地退化嚴(yán)重、泥沙淤積、生態(tài)惡化以及水資源不能夠有效利用等一系列的問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)社會(huì)生存發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅。水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)即通過(guò)一定技術(shù)手段定期監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度分布情況。

遙感技術(shù)在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要是通過(guò)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取區(qū)域下墊面的信息，如土地利用分布、植被覆蓋情況、水土保持措施分布情況等，為土壤侵蝕模型計(jì)算提供支撐。

圖2為2018年北京市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果。圖2（a）為利用高分二號(hào)0.8m分辨率影像解譯獲得的土地利用分布圖；圖2（b）為利用MODIS數(shù)據(jù)及TM數(shù)據(jù)制作的植被覆蓋圖；圖2（c）為利用高分二號(hào)0.8m分辨率影像解譯獲得的水土保持措施分布圖；圖2（d）為最終通過(guò)土壤侵蝕方程計(jì)算獲得的土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖。

圖2 2018年北京市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果

三、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目違法監(jiān)督管理

近年來(lái)，隨著改革開(kāi)放的不斷深入，各類(lèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，這些項(xiàng)目在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，不可避免地對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)一定的生態(tài)環(huán)境影響。自從新的水土保持法頒布實(shí)施以來(lái)，國(guó)家愈加重視水土流失的綜合治理和水土流失災(zāi)害的控制。加強(qiáng)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持監(jiān)測(cè)工作，控制水土流失，保障水土保持措施的落實(shí)，不僅貫徹落實(shí)了水土保持法，同時(shí)也是政府轉(zhuǎn)變職能，提高監(jiān)管能力的一個(gè)重要內(nèi)容。

遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目違法監(jiān)督管理上的應(yīng)用，主要是采用亞米級(jí)高分辨率多光譜影像數(shù)據(jù)，如北京二號(hào)、高分二號(hào)、資源三號(hào)等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)，并結(jié)合項(xiàng)目資料發(fā)現(xiàn)是否存在疑似違法行為，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管提供依據(jù)。

首先通過(guò)分析各類(lèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的活動(dòng)特點(diǎn)，并結(jié)合居民點(diǎn)矢量圖層、道路矢量圖層、水系矢量圖層、縣界矢量圖層、鄉(xiāng)鎮(zhèn)界矢量圖層等背景信息，從影像紋理、影像色彩建立各類(lèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目動(dòng)土解譯標(biāo)志，依據(jù)解譯標(biāo)志，通過(guò)自動(dòng)與人工相結(jié)合的方法，識(shí)別生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)圖斑，將擾動(dòng)圖斑與生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目防治責(zé)任范圍圖層疊加分析，分析擾動(dòng)圖斑合規(guī)性，從而發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)中存在的違法行為。北京市已連續(xù)多年開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)督管理工作，圖3為利用2017年第2季度高分二號(hào)、資源三號(hào)及高分一號(hào)等數(shù)據(jù)，對(duì)北京市全市范圍開(kāi)展的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多處生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)，圖4為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)圖斑監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖中黃色區(qū)域?yàn)樯a(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)。

圖3 北京市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)圖斑監(jiān)測(cè)結(jié)果

四、水土保持治理工程輔助管理

生態(tài)清潔小流域綜合治理工程是一項(xiàng)重要的水土保持治理工程，生態(tài)清潔小流域是指流域內(nèi)水土資源得到有效保護(hù)、合理配置和高效利用，溝道基本保持自然生態(tài)狀態(tài)，行洪安全，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然的擾動(dòng)在生態(tài)系統(tǒng)承載能力之內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，人與自然和諧，人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的小流域。生態(tài)清潔小流域綜合治理工程就是為達(dá)成這一目標(biāo)而開(kāi)展的綜合治理工程。

利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有全覆蓋、精細(xì)化、時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)將生態(tài)清潔小流域綜合治理工程措施位置落實(shí)到高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)上，使治理措施及其周邊的基礎(chǔ)信息直觀、全面地展示，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不符合相關(guān)規(guī)范的現(xiàn)象，為規(guī)劃審批與管理提供技術(shù)支撐，也為后期水生態(tài)清潔小流域綜合治理工程驗(yàn)收、管護(hù)、效益評(píng)價(jià)等提供支撐，為工程管理提供重要手段。主要方法就是將治理工程各項(xiàng)措施空間化，然后與幾何糾正、投影好的高分辨率遙感影像套和，解譯措施區(qū)及周邊土地利用情況，依據(jù)生態(tài)清潔小流域綜合治理工程規(guī)范判斷措施是否符合規(guī)范等，為設(shè)計(jì)方案評(píng)審提供依據(jù)，修正后治理措施資料可作為后期工程管理的一項(xiàng)重要資料。圖5為北京市利用高分二號(hào)0.8m影像開(kāi)展的生態(tài)清潔小流域治理工程遙感輔助審查成果。

圖5 北京市生態(tài)清潔小流域治理工程遙感輔助審查成果

五、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)三個(gè)方面的應(yīng)用實(shí)例，介紹了遙感技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用情況。隨著遙感影像資源的豐富和處理技術(shù)的日益提高，遙感影像覆蓋面廣、周期快、分辨率高和信息量豐富等特點(diǎn)使得它在水土保持工作的規(guī)劃、治理、監(jiān)督等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其宏觀、快速和客觀的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，必將成為水土流失實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段。業(yè)務(wù)部門(mén)可以高效、準(zhǔn)確、定期監(jiān)測(cè)水土流失的動(dòng)態(tài)變化，并在整體上把握水土流失的演變情況與分布情況，加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域水土流失監(jiān)測(cè)頻率，為科學(xué)決策水土保持提供可靠的依據(jù)。