降水產(chǎn)流下墊面調(diào)查統(tǒng)計方法研究
——以江蘇省為例

徐 濤，張 穎，申亞斌，管西柯

（1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013；2.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029）

目前，降水產(chǎn)流下墊面調(diào)查受自然環(huán)境、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源質(zhì)量、調(diào)查手段等因素制約，存在調(diào)查周期長，調(diào)查成果現(xiàn)勢性差、外業(yè)投入相對較大，產(chǎn)能效益低等問題，同時由于調(diào)查手段比較單一，缺少多源數(shù)據(jù)橫向比較和歷史數(shù)據(jù)的縱向聯(lián)系分析，成果質(zhì)量缺少驗證和合理性支撐。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，其調(diào)查方法和手段也取得了一些突破，特別是在國土調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，開展下墊面調(diào)查統(tǒng)計路徑研究，可利用GIS 和RS 技術(shù)對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多重疊加運算，基于遙感解譯深度學(xué)習(xí)、自動綜合融合、空間疊加分析等關(guān)鍵技術(shù)，快速獲取下墊面調(diào)查統(tǒng)計成果。

1 研究現(xiàn)狀與不足分析

1.1 現(xiàn)狀用地平衡表計算法

現(xiàn)狀用地平衡表計算法是一種用于評估城市土地利用與城市發(fā)展之間關(guān)系的分析方法。該方法利用現(xiàn)有資料，方法簡單，計算便捷。缺點是規(guī)劃的編制具有周期性，規(guī)劃的基準(zhǔn)年一般早于現(xiàn)狀，現(xiàn)狀用地平衡表中統(tǒng)計資料有可能早于現(xiàn)狀3~5 a 時間，在此期間，隨著城市發(fā)展建設(shè)、不透水等硬化面積加大，城區(qū)尤其是新城區(qū)下墊面可能發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致城市徑流系數(shù)增大，從而致使該方法計算的綜合徑流系數(shù)比實際情況偏小，不能及時、準(zhǔn)確反映海綿城市建設(shè)中下墊面現(xiàn)狀。

1.2 遙感影像解析法

遙感影像分析法能夠較高精度的解析新老城區(qū)城市建筑、道路、綠地、水體和其他下墊面情況高分辨率影像數(shù)據(jù)，及時、詳盡地記錄各類型地物信息，能夠真實、客觀的反映下墊面情況，通過面向?qū)ο蟮倪b感影像分類法對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，可得到較高精度的下墊面分類統(tǒng)計信息。由于影像清晰程度、地物景觀復(fù)雜性等因素影響，解譯結(jié)果需要對后期目視判讀和外業(yè)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)的錯、漏對象進(jìn)行修正，存在一定的內(nèi)、外業(yè)人工工作量，不利于縮短工期及提高分類精度[3-4]。

1.3 調(diào)查數(shù)據(jù)GIS解析法

依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)，利用GIS 數(shù)據(jù)處理模型對調(diào)查用地數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理、面積統(tǒng)計，可以得到各類面積匯總表。由于國土規(guī)范與水利規(guī)劃在分類標(biāo)準(zhǔn)上有所不同，兩者數(shù)據(jù)往往存在不一致的現(xiàn)象，難以建立精確的對應(yīng)關(guān)系，因此需要根據(jù)地類含義以土地用途為依據(jù)，建立國土與下墊面分類之間的對應(yīng)關(guān)系，再進(jìn)行分類匯總，賦予徑流系數(shù)，并進(jìn)行二次加權(quán)平均計算，從而得到區(qū)域綜合徑流系數(shù)，最后匯總統(tǒng)計，形成統(tǒng)計成果為防洪規(guī)劃提供支撐[3]。該方法的優(yōu)點是空間矢量調(diào)查數(shù)據(jù)資源內(nèi)容詳實，能夠準(zhǔn)確地反映下墊面情況；缺點是國土調(diào)查數(shù)據(jù)有一定的周期性，也在一定程度上造成數(shù)據(jù)滯后，需要基于多種手段進(jìn)行局部更新。

2 基于“三調(diào)”成果調(diào)查統(tǒng)計

2.1 “三調(diào)”成果介紹

第三次國土調(diào)查（以下簡稱“三調(diào)”）是由國務(wù)院統(tǒng)一部署開展的一次重大的國情國力調(diào)查，全面查清了全國國土利用狀況[5]。“三調(diào)”調(diào)查地類共包括13個一級類、56個二級類。13個一級類分別為濕地、耕地、園地、林地、草地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、工礦用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地[6]。

2.2 調(diào)查統(tǒng)計總體思路

近年來，江蘇省在“三調(diào)”成果的基礎(chǔ)上結(jié)合生態(tài)修復(fù)、河湖治理、退耕還林還草等項目實時開展了日常變更和年度變更調(diào)查工作，結(jié)合日常變更和年度變更調(diào)查成果，開展降水產(chǎn)流下墊面調(diào)查統(tǒng)計研究，解決了數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性滯后的問題。

以2020年“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，按下墊面與土地利用分類的對應(yīng)關(guān)系，采用空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)運算等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過與已有成果的對比分析和典型變化區(qū)域調(diào)查，檢驗成果的準(zhǔn)確性與合理性。

2.3 下墊面與“三調(diào)”數(shù)據(jù)分類映射

依據(jù)地類特性初步建立水面、建設(shè)用地、水田和旱地四類下墊面與“三調(diào)”數(shù)據(jù)各分類數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，作為下墊面分類統(tǒng)計原則確定的基礎(chǔ)。

1）水面涉及“三調(diào)”數(shù)據(jù)中的“水域及水利設(shè)施用地”和“濕地”2個一級分類，8個二級分類。

2）建設(shè)用地涉及“三調(diào)”數(shù)據(jù)中的“商業(yè)服務(wù)業(yè)用地”、“工礦用地”、“住宅用地”、“公共管理與公共服務(wù)用地”和“交通運輸用地”5 個一級分類，15個二級分類。

3）水田為“三調(diào)”數(shù)據(jù)耕地中二級分類的水田分類。

4）除水面、建設(shè)用地、水田外的土地分類全部納入旱地，旱地涉及國土土地利用分類中的13個一級分類，38個二級分類。

2.4 分析與調(diào)整

“三調(diào)”數(shù)據(jù)分類規(guī)則是在“二調(diào)”數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上部分拆分和歸并調(diào)整形成，總體數(shù)據(jù)分類更細(xì)化，通過對兩輪數(shù)據(jù)的定義比對和影像數(shù)據(jù)分析，對部分新增分類和拆分歸并的分類項進(jìn)行了調(diào)整和規(guī)定。

1）城市內(nèi)公園與綠地調(diào)整。對城市內(nèi)湖泊，明確產(chǎn)權(quán)歸屬的，屬于城市園林行政主管部門管轄的城市內(nèi)湖泊，“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)采集為公園與綠地，按一定的面積指標(biāo)進(jìn)行篩選，公園與綠地調(diào)整為河道或湖泊水面，下墊面旱地修改為下墊面水面。

2）河道灘地調(diào)整。“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)中雙槽或復(fù)式河道中的洲灘均被計入耕地（少部分林地）類型，將兩岸灘地范圍內(nèi)的耕地、林地進(jìn)行修改，地類名稱統(tǒng)一修改為內(nèi)陸灘涂，下墊面旱地修改為下墊面水面。

3）全省湖泊保護(hù)名錄范圍內(nèi)部分圖斑“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)原為小坑塘水面，地類名稱修改為小湖泊水面，下墊面旱地修改為下墊面水面。

4）養(yǎng)殖坑塘和可調(diào)整養(yǎng)殖坑塘調(diào)整。養(yǎng)殖坑塘和可調(diào)整養(yǎng)殖坑塘為“三調(diào)”數(shù)據(jù)新增二級分類項。兩者雖然歸屬一級分類水域及水利設(shè)施用地，根據(jù)其分布特征及土地用途，下墊面水面修改為下墊面旱地。

2.5 研究效果

2.5.1 調(diào)查統(tǒng)計軟件

下墊面調(diào)查統(tǒng)計軟件是基于Arcpy 編寫的可視化工具軟件。其4 項基本功能分別為導(dǎo)入調(diào)查數(shù)據(jù)、配賦下墊面分類屬性值、按水利分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計。

2.5.2 統(tǒng)計分類標(biāo)準(zhǔn)

以“三調(diào)”數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)下墊面分類及特性，在典型區(qū)域調(diào)查和基于遙感影像校核分析的基礎(chǔ)上，充分考慮與相關(guān)成果銜接，建立水面、建設(shè)用地、水田、旱地四類下墊面與“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)中土地利用分類之間的對應(yīng)關(guān)系，制作下墊面分類與國土土地利用分類對應(yīng)關(guān)系表，形成下墊面調(diào)查統(tǒng)計分類標(biāo)準(zhǔn)。

2.5.3 調(diào)查統(tǒng)計成果

1）按照水面、建設(shè)用地、水田、旱地分類統(tǒng)計，形成水資源分區(qū)、防洪分區(qū)、治澇分區(qū)及全省行政分區(qū)下墊面成果。

2）對“三調(diào)”成果、行政區(qū)數(shù)據(jù)、水利分區(qū)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行融合處理，制作全省下墊面統(tǒng)計分析基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，為下墊面動態(tài)更新、調(diào)整和分析工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 成果應(yīng)用與分析

3.1 建成區(qū)不透水率分析

城市下墊面不透水率是衡量城市雨洪模型中最重要的指標(biāo)之一，對研究城市產(chǎn)匯流過程、推進(jìn)城市洪澇防治及海綿城市建設(shè)具有重要意義。目前衡量城市不透水性最常用的指標(biāo)為總不透水面積（TIA）和有效不透水面積（EIA）[7]。本項目針對2種不同體系的數(shù)據(jù)源，即三調(diào)分類體系和國情普查分類體系，采用土地利用類型確定法，選取蘇南地區(qū)的南京和蘇州、蘇中地區(qū)的南通和泰州、蘇北地區(qū)的徐州和宿遷共6個分析單元，經(jīng)過空間聚合、數(shù)據(jù)融合、迭代運算、分類統(tǒng)計，完成矢量數(shù)據(jù)的異源同構(gòu)，對城市不透水面積進(jìn)行統(tǒng)計，形成城市下墊面不透水率成果，城市范圍為2020 年地理國情監(jiān)測成果中城市中心城區(qū)（BOUA8）確定的范圍，三調(diào)成果下墊面不透水要素引用本項目研究成果下墊面為建設(shè)用地的地類統(tǒng)計面積；國情普查為2020 年地理國情監(jiān)測成果中一級分類碼中的房屋建筑區(qū)、鐵路與道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地共4 個一級分類項匯總統(tǒng)計面積，不透水要素為分析對比圖如下，同一分析單元2 種不同數(shù)據(jù)源城市下墊面不透水率基本一致，較差均小于6%，較差最大的為徐州為5.8%，最小的為泰州，較差為1.2%。

3.2 水田產(chǎn)流與用水分析

水田面積中，除水稻種植面積外，還包括水生作物種植和稻田養(yǎng)殖面積。基于本項目統(tǒng)計成果，結(jié)合2012 年下墊面統(tǒng)計成果和2020 年江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，形成江蘇省13 個設(shè)區(qū)市稻谷播種面積分析圖，水田產(chǎn)流及用水與種植類型、水稻播種方式及灌溉制度等有關(guān)，水田面積應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)區(qū)域水稻種植實際情況采用適宜的計算方法，見圖1。

圖1 不同時期水田面積（稻谷播種面積）對比圖

4 結(jié) 語

以“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照水面、建設(shè)用地、水田、旱地4 種下墊面類型統(tǒng)計分析全省下墊面的組成及分布，得到防洪分區(qū)、水資源分區(qū)和治澇分區(qū)套縣級行政區(qū)成果。在此基礎(chǔ)上，調(diào)整、更新全省下墊面基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，為江蘇省三大流域防洪規(guī)劃及相關(guān)水利規(guī)劃、水資源分析評價以及下墊面分析等工作提供基礎(chǔ)支撐和依據(jù)。