3S技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”中的應(yīng)用

李智勇，陳夢雪

（杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)活動導(dǎo)致的水土流失日益嚴(yán)重。根據(jù)中國水土保持公報(bào)統(tǒng)計(jì)顯示，2016年全國共審批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案25197件，設(shè)計(jì)水土流失防治范圍達(dá)11592.14 km2[1]。從多年對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持檢查情況看，20%的建設(shè)項(xiàng)目仍然以主體工程監(jiān)理代替水土保持監(jiān)理，50%的建設(shè)項(xiàng)目聘請了水土保持監(jiān)理，但現(xiàn)場監(jiān)理只是調(diào)查和收集水土保持工程資料，幾乎沒有發(fā)揮監(jiān)理作用，只有30%的建設(shè)項(xiàng)目聘請的水土保持監(jiān)理真正發(fā)揮監(jiān)理的作用[2]。對于大范圍內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理，需要對調(diào)查數(shù)據(jù)和信息從宏觀到微觀、從定性到定量進(jìn)行專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段難以實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)督和管理。

2015年7月，國務(wù)院《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)方案》（國辦發(fā)〔2015〕56號）提出“監(jiān)測與監(jiān)管協(xié)同聯(lián)動，初步建成陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”，要求監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋、重要生態(tài)功能區(qū)實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測。2015年10月，國務(wù)院批復(fù)的《全國水土保持規(guī)劃（2015 — 2030年）》要求建立健全綜合監(jiān)管體系，創(chuàng)新體制機(jī)制，強(qiáng)化水土保持動態(tài)監(jiān)測與預(yù)警，提高信息化水平。2017年3月，水利部《全國水土保持信息化工作2017 — 2018年實(shí)施計(jì)劃》（辦水?！?017〕39號）明確提出了“天地一體化”監(jiān)管分步實(shí)施。

2 3S關(guān)鍵技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、儲存管理、更新、分析和應(yīng)用的3大支持技術(shù)，通常稱為3S技術(shù)[3]。GPS系統(tǒng)可以精確獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目侵蝕量的調(diào)查、坡度量測工作和圖斑的跟蹤、補(bǔ)測、補(bǔ)繪和更新工作。通過DGPS精確定位，實(shí)時(shí)測量圖斑面積，建立圖上面積與實(shí)際面積的數(shù)學(xué)關(guān)系，提高遙感圖像分類的精度。而基于RS技術(shù)的土地分類系統(tǒng)具有覆蓋面廣、宏觀性強(qiáng)、快速、多時(shí)相等特點(diǎn)，能快速獲取所需的空間地理要素（包括地貌、地形、水文、土壤、植被等）。GIS是對多種來源的數(shù)據(jù)綜合處理、集成管理、動態(tài)存取，作為數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)平臺。

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目“天地一體化”監(jiān)督管理系統(tǒng)是空間信息獲取、更新、處理和應(yīng)用系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)獲取和更新體系、數(shù)據(jù)庫體系、網(wǎng)絡(luò)體系等。

（1）數(shù)據(jù)獲取和更新體系：數(shù)據(jù)獲取包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和本底數(shù)據(jù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括監(jiān)測區(qū)域內(nèi)遙感影像、無人機(jī)或航拍影像的收集；本底數(shù)據(jù)包括首次開展天地一體化監(jiān)管工作時(shí)收集的已經(jīng)批復(fù)水土保持方案等相關(guān)資料。

（2）數(shù)據(jù)庫體系：數(shù)據(jù)庫體系是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目“天地一體化”監(jiān)督管理系統(tǒng)的核心，建立數(shù)據(jù)庫是一項(xiàng)非常龐大的工作。包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫集、防治范圍數(shù)據(jù)庫集、專題信息數(shù)據(jù)庫集、解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫集、數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)庫等。建立應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括：空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)等。

（3）網(wǎng)絡(luò)體系：網(wǎng)絡(luò)體系是空間數(shù)據(jù)查詢、交換和更新的基本途徑。對獲取海量的遙感影像數(shù)據(jù)處理、傳輸、分辨和壓縮技術(shù)的要求也越來越高。監(jiān)測圖斑的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)，由于存儲容量的限制，在集中存儲和管理的基礎(chǔ)上，服務(wù)端可利用云計(jì)算技術(shù)提高存取及更新的速度。采用PDA移動終端設(shè)備，可在監(jiān)測現(xiàn)場及時(shí)發(fā)送采集信息至管理系統(tǒng)，可大大提高信息共享能力及歷史數(shù)據(jù)管理能力。

3 技術(shù)路線

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管包括區(qū)域監(jiān)管和項(xiàng)目監(jiān)管。各級水行政主管部門根據(jù)實(shí)際需求綜合運(yùn)用2種監(jiān)管模式。其主要工作內(nèi)容：資料準(zhǔn)備、遙感監(jiān)管、資料整理與審核評價(jià)。技術(shù)路線見圖2。

圖2 天地一體化技術(shù)路線圖

3.1 資料準(zhǔn)備

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案報(bào)告書（報(bào)批稿）、報(bào)告表、登記表、批復(fù)文件、防治責(zé)任范圍圖等資料，每年批復(fù)的水土保持方案等資料?；鶞?zhǔn)年份收集的高分遙感影像、中分遙感影像、無人機(jī)航拍影像。

收集的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料無電子圖件的需進(jìn)行空間化和圖形化處理，水土流失防治責(zé)任范圍圖采用空間定位、地理配準(zhǔn)、幾何校正等方法，獲得具有空間地理坐標(biāo)信息和屬性的矢量圖。收集到的遙感影像，云量一般不超過5%，影像清晰、地物層次分明、色調(diào)均勻，盡可能保證數(shù)據(jù)源單一，優(yōu)先選用藍(lán)光、綠光、紅光、近紅外波段的遙感影像。

國內(nèi)常用遙感衛(wèi)星參數(shù)見表1，監(jiān)測區(qū)域的調(diào)查頻次理論上由衛(wèi)星重復(fù)周期決定，1 a可4次全覆蓋，但由于南方地區(qū)云雨天氣因素影響，一般有2次覆蓋，也可用中分遙感影像補(bǔ)充，對重大建設(shè)項(xiàng)目可用無人機(jī)獲取監(jiān)測區(qū)高精度正射影像圖。

表1 常用高分遙感數(shù)據(jù)適用性表

3.2 遙感監(jiān)管

3.2.1 遙感影像處理

由于獲取多源數(shù)據(jù)傳感器的因素，一些遙感圖像中出現(xiàn)周期性的噪聲，因此應(yīng)首先進(jìn)行預(yù)處理，消除或減弱周期性噪聲和尖銳性噪聲，除壞線和條帶，對薄云減弱處理，同時(shí)由于太陽高度角的原因，有些圖像出現(xiàn)山體陰影，采用比值法消除。對遙感影像進(jìn)行正射校正、信息增強(qiáng)、融合、鑲嵌等處理，并同時(shí)保留影像鑲嵌線矢量文件。遙感影像處理流程見圖3。

圖3 遙感影像處理流程圖

經(jīng)過正射校正的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，特征地物點(diǎn)相對于基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)上同名地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差平地、丘陵地區(qū)不大于1個(gè)像元，山地和高山地區(qū)不大于2個(gè)像元。特殊地區(qū)可放寬0.5倍，取中誤差的2.0倍為其限差[4]。

3.2.2 解譯標(biāo)志建立

為了統(tǒng)一解譯標(biāo)準(zhǔn)、提高解譯精度，以影像上所反映出來的目標(biāo)的形狀、大小、色調(diào)（或色彩）、陰影、紋形圖案、位置布局及活動等特征，結(jié)合野外調(diào)繪，建立監(jiān)測區(qū)的遙感影像判讀標(biāo)志。通過遙感影像解譯樣本采集、光譜及特征信息、遙感影像信息提取特征知識及規(guī)則集構(gòu)建技術(shù)，建立遙感影像解譯樣本及專家知識數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)基于遙感影像的地表覆蓋和變化檢測信息流程化、自動化、快速提取，提高遙感影像專題信息的提取的工作效率和成果精度。

選取面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǎ枚喑叨确指?，將影像分為若干個(gè)滿足拓?fù)潢P(guān)系的影像對象，參考已有的其他信息，對影像對象進(jìn)行分類。每種生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的解譯標(biāo)志不少于2套，棄渣場解譯標(biāo)志不少于3套。解譯擾動圖斑邊界相對于處理后的遙感影像上的同名地物點(diǎn)位移不大于1個(gè)像素。

3.2.3 遙感圖斑勾繪

根據(jù)處理后的遙感影像采用人機(jī)交互解譯或面向?qū)ο蠓诸惤庾g后，在ARCGIS中對監(jiān)測區(qū)域的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動圖斑進(jìn)行勾繪。原則上，最小成圖面積≥4.0 mm2的擾動圖斑均要開展遙感解譯工作。遙感影像空間分辨率與擾動圖斑最小面積對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 遙感影像空間分辨率與擾動圖斑最小面積對應(yīng)關(guān)系表

3.2.4 現(xiàn)場復(fù)核及擾動圖斑更新

對面積大于1 hm2（可根據(jù)需要調(diào)整大?。┑摹耙伤莆磁冉ā薄耙伤瞥龇乐呜?zé)任范圍”和“疑似建設(shè)地點(diǎn)變更”的圖斑，抽取一定數(shù)量重點(diǎn)現(xiàn)場復(fù)核?？h級抽查不少于總圖斑的10‰，省級擾動圖斑現(xiàn)場復(fù)核不少于總圖斑5‰ ～10‰，流域性復(fù)核數(shù)量不少于5‰。復(fù)核內(nèi)容包括項(xiàng)目基本信息、位置、水土保持工作信息、圖斑信息。準(zhǔn)備好生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管復(fù)核信息表和現(xiàn)場復(fù)核工作底圖，輔助達(dá)到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場擾動圖斑邊界的現(xiàn)場復(fù)核，并用相機(jī)拍攝生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場照片，以及利用GPS記錄經(jīng)緯度信息。

根據(jù)現(xiàn)場復(fù)核成果，對遙感調(diào)查結(jié)果進(jìn)行修正，主要包括：完善擾動圖斑和防治責(zé)任范圍屬性信息、刪除誤判的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動圖斑、合并屬于同一個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的相鄰擾動圖斑、分割包含不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擾動圖斑。

3.2.5 合規(guī)性分析

利用GIS強(qiáng)大的空間分析優(yōu)勢，對防治責(zé)任范圍、擾動圖斑矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，根據(jù)2類對象的空間關(guān)系判別擾動的合規(guī)性，量算相關(guān)圖斑的面積、距離等指標(biāo)，用于定量描述合規(guī)性狀況，并對圖斑進(jìn)行屬性標(biāo)識和預(yù)警展示。并結(jié)合防治責(zé)任范圍、水土保持措施布局、水土流失防治分區(qū)等矢量圖文件，進(jìn)行合規(guī)性詳查。合規(guī)性分析主要設(shè)計(jì)擾動范圍矢量文件（紅線表示）和防治責(zé)任范圍（藍(lán)線表示）矢量文件空間拓?fù)潢P(guān)系見圖3[4]。

圖3 合規(guī)性分析圖

4 3S技術(shù)優(yōu)勢分析

3S 技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：

（1）GPS采集數(shù)據(jù)精度高。GNSS 網(wǎng)絡(luò)RTK 擁有的多衛(wèi)星數(shù)據(jù)源、強(qiáng)信號、快定位的測量技術(shù)有效克服了常規(guī)RTK 的不足，在CORS 網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)均可獲得差分信息，對用地區(qū)域進(jìn)行精確、快捷、實(shí)時(shí)定位。網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)既能實(shí)時(shí)測定界線坐標(biāo)，又能根據(jù)防治責(zé)任區(qū)坐標(biāo)快速實(shí)地放樣。

（2）RS 信息獲取量大。資源三號衛(wèi)星、高分一號、高分二號等高分衛(wèi)星可快速獲取大范圍監(jiān)測區(qū)域影像，其分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易判別地物等特點(diǎn)。重點(diǎn)項(xiàng)目可利用無人機(jī)航測技術(shù)或傾斜攝影技術(shù)，可獲取正射影像圖或建立監(jiān)測區(qū)域三維模型，對棄土量進(jìn)行計(jì)算。

（3）GIS數(shù)據(jù)空間分析功能強(qiáng)大?？臻g分析是地理信息系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵功能之一?？臻g分析中疊加分析和緩沖區(qū)分析，可快速完成對地理數(shù)據(jù)的檢索、查詢，對地理數(shù)據(jù)的長度、面積、體積等的量算和統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié) 語

采用傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測，由于覆蓋范圍廣，耗費(fèi)人力、物力，工作時(shí)效性也不強(qiáng)。水土保持“天地一體化”技術(shù)是基于多尺度遙感數(shù)據(jù)、GIS技術(shù)、GPS定位技術(shù)、無人機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用的信息化集成技術(shù)。通過采用高分辨率影像解譯、無人機(jī)遙測、移動采集系統(tǒng)和現(xiàn)場調(diào)查等技術(shù)手段，可快速獲取擾動地塊邊界、擾動地塊面積、渣場位置等重點(diǎn)部位，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持動態(tài)監(jiān)管工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。