空間技術(shù)在生態(tài)清潔小流域建設(shè)前期工作中的應(yīng)用探討

楊元輝，李 霞，段淑懷，化相國，劉佳璇

（1.北京市水土保持工作總站，100036，北京；2.二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，100096，北京）

為保障北京市生態(tài)清潔小流域建設(shè)的科學(xué)合理，北京市水保部門經(jīng)過長期實(shí)踐與摸索，建立了一套完善的生態(tài)清潔小流域工程設(shè)計(jì)和建設(shè)規(guī)范。但是由于生態(tài)清潔小流域建設(shè)工程涉及范圍大、措施多，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段實(shí)地踏勘調(diào)查面積有限，缺少全覆蓋的實(shí)地狀況圖，給專家評(píng)審帶來一定難度。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，通過將措施位置落實(shí)到高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)上，使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，從而為規(guī)劃審批與管理提供技術(shù)支撐。

一、工作模式

1.衛(wèi)星數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

生態(tài)清潔小流域綜合治理措施涉及點(diǎn)、線、面各類型，治理措施的占地面積大小不一，對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的性能指標(biāo)，尤其是空間分辨率要求較高。米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間信息豐富，小流域地表要素以及21項(xiàng)綜合治理措施的識(shí)別清晰準(zhǔn)確。

為了促進(jìn)米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在水土保持管理方面的深入應(yīng)用，滿足生態(tài)清潔小流域建設(shè)精細(xì)化管理的需求，北京市開展了利用1 m高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展生態(tài)清潔小流域建設(shè)規(guī)劃審批的研究與應(yīng)用探索，目前已在輔助生態(tài)清潔小流域建設(shè)專家評(píng)審、業(yè)務(wù)審批以及監(jiān)督管理等方面取得了初步成果。

2.生態(tài)清潔小流域規(guī)劃審批新工作模式

山區(qū)小流域環(huán)境的復(fù)雜性和規(guī)劃對(duì)象的多元化決定了規(guī)劃設(shè)計(jì)的高度綜合性特點(diǎn)，工程涉及范圍大、領(lǐng)域廣、措施多，在規(guī)劃審批過程中掌握小流域治理標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)情況和設(shè)計(jì)質(zhì)量，成為水保部門的一項(xiàng)重要任務(wù)。

經(jīng)過兩年的技術(shù)研究與實(shí)踐，北京市利用遙感技術(shù)手段，逐步引入米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提出了高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在生態(tài)清潔小流域建設(shè)規(guī)劃審批中的應(yīng)用模式。一是規(guī)劃編制單位將高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為實(shí)地調(diào)查底圖，到現(xiàn)場考察小流域的現(xiàn)狀特點(diǎn)和存在問題，劃分出生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)治理區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)，并且有針對(duì)性地布設(shè)工程措施；二是利用最新的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測小流域地表要素現(xiàn)狀，將小流域治理措施的空間位置和高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與疊加，分析小流域治理措施在空間布局上存在的問題，形成“第三方”評(píng)審的工作方式；三是在專家評(píng)審會(huì)上，直觀地顯示小流域的米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以及治理措施和周邊詳細(xì)信息，輔助專家評(píng)審小流域治理規(guī)劃設(shè)計(jì)科學(xué)合理。規(guī)劃編制單位根據(jù)評(píng)審和整改意見進(jìn)一步完善，以確保生態(tài)清潔小流域建設(shè)的科學(xué)合理。

二、工作方法及技術(shù)思路

高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在小流域建設(shè)審批中應(yīng)用模式流程如圖1所示。

圖1 高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在小流域建設(shè)審批中應(yīng)用模式流程圖

1.高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯

此工作模式采用空間分辨率1 m或優(yōu)于1 m的商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如QUICKBIRD、IKONOS 和 WORLDVIEW等。隨著高分辨率衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，將有更多的數(shù)據(jù)源滿足此項(xiàng)工作需要。利用ERDAS、ENVI等圖像處理系統(tǒng)對(duì)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行影像糾正、配準(zhǔn)、鑲嵌與融合處理，制作正射影像圖后，為數(shù)據(jù)加入滿足實(shí)際需要的統(tǒng)一投影方式和精確的空間坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)了各地塊的高精度定位。正射影像圖可以直觀顯示地表覆蓋要素的類型和邊界，可以從中提取小流域內(nèi)的自然資源、居民地等基礎(chǔ)信息，準(zhǔn)確地判讀梯田、水土保持林、土地整治、擋土墻、農(nóng)路、防護(hù)壩等21項(xiàng)措施范圍內(nèi)及周邊地表覆蓋狀況。同時(shí)結(jié)合大比例尺的數(shù)字高程模型（DEM）繪制等高線、坡度坡向、水系溝道等信息。數(shù)據(jù)類型為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或矢量數(shù)據(jù)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)多重信息的高精度空間配準(zhǔn)和疊加分析。

2.治理措施空間布局圖繪制

規(guī)劃編制單位上報(bào)審批的生態(tài)清潔小流域綜合治理工程設(shè)計(jì)圖冊(cè)，運(yùn)用 ERDAS、ARCGIS等專業(yè)軟件，將PDF或CAD格式的圖件經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、空間幾何糾正、信息提取、圖層合并、賦屬性和拓?fù)錂z查等步驟實(shí)現(xiàn)措施位置及范圍落到正射影像圖上，使其與正射影像圖具有統(tǒng)一的投影方式與坐標(biāo)信息，數(shù)據(jù)格式為ArcInfo Shapefile矢量數(shù)據(jù)，多重?cái)?shù)據(jù)間能夠相互套合。數(shù)據(jù)類型分為點(diǎn)、線、面三種，點(diǎn)狀數(shù)據(jù)類型包括封禁標(biāo)牌、垃圾中轉(zhuǎn)站等治理措施，線狀數(shù)據(jù)類型包括護(hù)欄、攔沙壩、擋土墻、護(hù)坡等治理措施，面狀數(shù)據(jù)類型包括梯田、水土保持林、土地整治、河（庫）濱帶治理等治理措施。有的治理措施為多種數(shù)據(jù)類型，比如村莊美化、溝道清理整治等。通過治理措施空間化將零散、獨(dú)立的圖件集中化展示。

3.措施空間布局合理性分析與反饋

將上報(bào)審批的治理措施范圍與正射影像圖、土地利用圖、坡度坡向圖、水系溝道圖、小流域邊界圖、行政邊界圖及基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)圖等疊加，從而直觀地核實(shí)措施設(shè)計(jì)是否符合地塊現(xiàn)狀、是否超出小流域邊界范圍、是否占用基本農(nóng)田等。再按照《生態(tài)清潔小流域技術(shù)規(guī)范》及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，開展各項(xiàng)治理措施空間布局的合理性審查，從現(xiàn)時(shí)的米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)上初步判斷治理措施存在的問題和設(shè)計(jì)質(zhì)量狀況，并直觀、全面地展示給評(píng)審專家，輔助專家形成評(píng)審意見，提高治理措施規(guī)劃評(píng)審的合理性與準(zhǔn)確性。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的治理方案圖冊(cè)中的違規(guī)、不合理現(xiàn)象，規(guī)劃編制單位重新設(shè)計(jì)與整改，并進(jìn)行新一輪的上圖與評(píng)審，確保評(píng)審環(huán)節(jié)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

4.小流域空間數(shù)據(jù)管理

充分結(jié)合遙感、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息化等技術(shù)對(duì)小流域的地表要素現(xiàn)狀、治理措施規(guī)劃設(shè)計(jì)等各種信息進(jìn)行綜合統(tǒng)一管理，形成快速便捷的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理和展示體系，構(gòu)建覆蓋完整小流域的綜合數(shù)據(jù)管理工具，為小流域治理情況的實(shí)時(shí)查詢、評(píng)價(jià)、統(tǒng)計(jì)分析和決策制定等提供數(shù)據(jù)支持，使得管理部門能夠有效管理小流域的治理工程，全面提高生態(tài)清潔小流域建設(shè)的效能及效益，為小流域規(guī)劃與管理走向信息化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、實(shí)踐效果

經(jīng)過兩年的技術(shù)研究與實(shí)踐，逐步形成了高分辨率遙感影像輔助生態(tài)清潔小流域建設(shè)審批工作新模式，在專家評(píng)審會(huì)上起到了良好的輔助效果，并得到了好評(píng)。本項(xiàng)工作能夠有效地發(fā)現(xiàn)以下幾類現(xiàn)象：

1.措施設(shè)計(jì)布局是否符合規(guī)劃原則

基于北京市水土保持規(guī)劃管理的需要，北京市劃分了1 085條小流域，每條小流域都有其明確的邊界范圍。通過將治理措施與小流域及三道防線劃分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加，可以檢查各項(xiàng)治理措施是否全部布設(shè)在小流域范圍內(nèi)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)了未按照“生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)治理區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)”三道防線規(guī)劃原則布設(shè)措施的現(xiàn)象。

2.措施設(shè)計(jì)位置與現(xiàn)有地塊是否相符

生態(tài)清潔小流域建設(shè)要求各項(xiàng)措施應(yīng)落實(shí)到地塊、村莊或溝道，并明確反映在措施布局圖中。通過將高分辨率遙感影像與治理措施進(jìn)行空間疊加，可以對(duì)治理措施的設(shè)計(jì)范圍與地塊實(shí)際走向進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)一步提高措施規(guī)劃設(shè)計(jì)的精確程度。例如：梯田措施設(shè)計(jì)范圍過大，其中包含建筑物、設(shè)施用地、道路等其他地物類型；田間生產(chǎn)道路措施未按原有道路走向設(shè)計(jì)，存在穿越農(nóng)田、房屋等問題。

3.措施上圖信息與設(shè)計(jì)文本中是否一致

利用地理信息系統(tǒng)工具可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)上圖的治理措施量化數(shù)據(jù)進(jìn)行空間量算，并與設(shè)計(jì)文本中的措施設(shè)計(jì)信息進(jìn)行核對(duì)，輔助專家及時(shí)發(fā)現(xiàn)措施工程量及其預(yù)算多報(bào)的現(xiàn)象。例如：田間生產(chǎn)道路措施空間量測長度為855 m，而在設(shè)計(jì)文本中描述為1 223 m；梯田整修措施設(shè)計(jì)地塊面積有18 hm2，而設(shè)計(jì)文本中描述為22 hm2。

4.措施設(shè)計(jì)是否改變或占用基本農(nóng)田

在小流域內(nèi)退耕地和荒坡地建造經(jīng)濟(jì)林措施，能夠有效地提高其保土能力，并增加當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)收入。但如果在基本農(nóng)田范圍內(nèi)栽種經(jīng)濟(jì)林，就改變了基本農(nóng)田的土地性質(zhì)，違反《基本農(nóng)田保護(hù)條例》的相關(guān)規(guī)定。通過對(duì)治理措施與基本農(nóng)田空間數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，輔助管理部門和評(píng)審專家及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正了治理措施中占用基本農(nóng)田的現(xiàn)象。

5.措施空間位置是否符合《生態(tài)清潔小流域技術(shù)規(guī)范》的要求

圖2 遙感技術(shù)輔助小流域規(guī)劃設(shè)計(jì)評(píng)審應(yīng)用效果圖

根據(jù) 《生態(tài)清潔小流域技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于21項(xiàng)治理措施設(shè)計(jì)的具體要求，結(jié)合遙感影像、小流域基礎(chǔ)信息及治理措施空間位置信息進(jìn)行疊加分析，能夠有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不合理現(xiàn)象。例如：在坡度15°以上的地塊設(shè)計(jì)梯田和經(jīng)濟(jì)林措施，村莊排洪溝措施布設(shè)未與自然溝系相連接，通過遙感影像發(fā)現(xiàn)樹盤措施的地塊現(xiàn)狀不是經(jīng)濟(jì)林，防護(hù)壩周邊無村莊、道路及農(nóng)田等明確的防護(hù)對(duì)象，在自然植被現(xiàn)狀較好的地塊仍設(shè)計(jì)河濱帶治理措施等（見圖2）。

四、結(jié)論與建議

①高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備信息量豐富、清晰度高等優(yōu)勢，能夠客觀、全面、準(zhǔn)確地展示小流域基礎(chǔ)信息和治理措施空間布局地表信息狀況，為生態(tài)清潔小流域建設(shè)規(guī)劃審批提供了技術(shù)手段。

②通過高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在生態(tài)清潔小流域建設(shè)規(guī)劃審批中的應(yīng)用，初步構(gòu)建了遙感技術(shù)應(yīng)用技術(shù)流程，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)部門形成了有效的監(jiān)督機(jī)制，為專家評(píng)審提供了科學(xué)、合理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮⒖家罁?jù)，規(guī)范了治理工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、評(píng)審等技術(shù)環(huán)節(jié)，保障了生態(tài)清潔小流域治理工程設(shè)計(jì)的合理性。

③結(jié)合信息化管理工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)小流域高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息與規(guī)劃設(shè)計(jì)信息的統(tǒng)一化管理、多角度查詢統(tǒng)計(jì)及全方位綜合展示，為生態(tài)清潔小流域的規(guī)劃管理提供科學(xué)、有效的輔助手段。

④遙感技術(shù)具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定、方法科學(xué)、手段先進(jìn)等特點(diǎn)，隨著國產(chǎn)自主高分辨率衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展以及生態(tài)清潔小流域規(guī)劃審批新工作模式的實(shí)踐與完善，其在北京市生態(tài)清潔小流域建設(shè)審批工作中的應(yīng)用效果也將不斷提升，并可進(jìn)一步向其他生態(tài)建設(shè)工程的規(guī)劃評(píng)審工作推廣。

[1]畢勇剛.北京市生態(tài)清潔小流域建設(shè)管理的幾點(diǎn)思考[J].北京水務(wù)，2009增(2).

[2]史偉國，周立民，靳穎.全球高分辨商業(yè)遙感衛(wèi)星的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2012(3).

[3]楊坤，段淑懷.淺談北京市生態(tài)清潔小流域建設(shè)規(guī)劃[J].中國水土保持，2007(9).

[4]劉大根，姚羽中，李世榮.北京市生態(tài)清潔小流域建設(shè)與管理[J].中國水土保持，2008(8).

[5]高炳浩.高分辨率遙感影像糾正處理[J].測繪與空間地理信息，2009(1).