衛星遙感與無人機遙感技術在生產建設項目水土保持監管中的應用
——以晉陜蒙接壤地區部批生產建設項目為例

王新星，劉 濤，董亞維，邊 峰，李 昊

(1.黃河上中游管理局，陜西 西安 710021； 2.西北林業調查規劃設計院，陜西 西安 710048；3.黃河流域水土保持生態環境監測中心，陜西 西安 710021)

隨著社會經濟的快速發展，各地生產建設活動愈加頻繁，造成的人為水土流失也愈發嚴重[1]。當前人為水土流失防治能力與實際需求之間還存在明顯差距，水土保持工作面臨的主要矛盾已經轉化為人民對水生態和生態環境的需求與水土保持監管能力不足之間的矛盾[2]。2018年，水利部鄂竟平部長明確提出了“把工作重心切實轉變到監管上來，在監管上強手段，在治理上補短板”的水土保持工作總要求。目前，生產建設項目水土保持監管仍存在一定的不足和短板，傳統的監管方式和技術已不能滿足日益嚴格的“強監管、補短板”要求，加快信息技術與水土保持核心業務領域的充分應用與深度融合，利用遙感技術和部門信息共享機制，實現生產建設項目區域信息化監管全覆蓋，是新時代水土保持工作的重點任務[3]。本研究以晉陜蒙接壤地區水利部批復水土保持方案的生產建設項目(以下簡稱“部批生產建設項目”)為例，嘗試探索高分辨率衛星遙感和無人機遙感技術在生產建設項目水土保持監管中的應用。

1 研究區概況

晉陜蒙接壤地區位于山西省西北部、陜西省北部和內蒙古南部的三省(自治區)接壤地帶，總面積5.44萬km2。研究區地貌以黃土丘陵溝壑和風沙灘地為主，為半干旱大陸性季風氣候區，氣候特點是干旱、少雨、多風、蒸發量大；地表植被稀疏，生態環境脆弱，自然災害頻發，水土流失嚴重，是黃河粗泥沙的主要來源區，屬國家級水土流失重點治理區。區域內生產建設項目眾多，資源開發與環境保護矛盾突出，是造成嚴重水土流失的重要原因之一。

2 技術路線與研究方法

2.1 技術路線

搜集晉陜蒙接壤地區在建部批生產建設項目水土保持方案，將防治責任范圍圖矢量化，并獲取棄渣場選址信息；采用高分辨率衛星遙感影像，解譯提取部批生產建設項目擾動圖斑，將擾動圖斑與防治責任范圍圖進行擾動合規性對比，判定擾動合規性，發現項目地點規模變化、超防治責任范圍擾動、新設棄渣場未經原審批機關審批(以下簡稱“未批先棄”)等問題；選擇重要棄渣場進行無人機遙感調查，提取棄渣場擾動范圍、棄渣量、水土保持措施等信息；水土保持監管部門根據以上調查結果，對生產建設項目水土保持工作進行監管。技術路線如圖1所示。

2.2 研究方法

2.2.1 遙感影像數據源

本研究遙感影像數據源為國產資源三號和高分一號全色、多光譜衛星影像，影像獲取時間為2015年9—10月和2016年9—10月，資源三號全色影像空間分辨率為2.1 m、多光譜影像空間分辨率為5.8 m，高分一號全色影像空間分辨率為1 m、多光譜影像空間分辨率為4 m。原始遙感影像經幾何處理、正射糾正、地理配準、融合處理、鑲嵌和裁剪等流程，形成了清晰度、層次感、色彩飽和度、信息豐富度好的遙感影像，擾動圖斑影像特征與其他地物差異明顯。

圖1 技術路線

2.2.2 防治責任范圍矢量化

搜集晉陜蒙接壤地區在建部批生產建設項目水土保持方案和防治責任范圍圖，將防治責任范圍圖矢量化，經項目位置初步定位、防治責任范圍圖與遙感影像配準、防治責任范圍邊界勾繪、防治責任范圍屬性數據錄入等環節，形成含空間信息和屬性信息的矢量圖。

2.2.3 擾動圖斑提取

(1)現場調查與解譯標準建立。選取不同類型典型生產建設項目，開展野外現場調查，根據遙感影像特征和現場調查結果，建立不同類型生產建設項目和棄渣場解譯標志，形成能夠反映各種地物類型的解譯標志體系。

(2)擾動圖斑提取。采用面向對象的影像自動分類和人機交互目視解譯相結合的方法，提取面積大于0.1 hm2的擾動圖斑。基于eCognition 9.1平臺，利用高分遙感影像特有的光譜、紋理、層次和形狀特征，對遙感影像進行多尺度分割，生成影像多邊形對象；基于影像對象特征建立類似人類思維的自動分類知識庫，采用決策樹分類算法開發自動分類規則集，對擾動圖斑信息進行自動提取；基于ArcGIS軟件平臺，根據遙感影像特征和解譯標志，采用人機交互目視解譯方法，對面向對象自動分類過程中出現的錯分、漏分圖斑進行檢查、修改和再提取，形成擾動圖斑矢量數據圖層。

(3)野外驗證與擾動圖斑修正。對擾動圖斑的初判成果和疑難圖斑進行野外驗證，對解譯標志進行補充，根據野外驗證后的成果對擾動圖斑進行邊界完善，剔除非生產建設項目擾動地塊的裸地、居民地、居民擾動等。

2.2.4 擾動分析

(1)動態對比分析。將2015年和2016年擾動圖斑進行對比，分析擾動動態變化。若某個擾動圖斑2015年不存在，在2016年擾動圖斑中出現，則判定為“新增”，如圖2所示；若某個擾動圖斑2015年已經存在，2016年也存在且相連處有新擾動，則判定為“擴大”，如圖3所示；若某個擾動圖斑2015年已經存在，2016年也存在且未發生變化，則判定為“未變”，如圖4所示。

(a)2015年無擾動 (b)2016年擾動圖斑

圖2 內蒙古某煤礦項目棄渣場擾動動態變化

(a)2015年擾動圖斑 (b)2016年擾動圖斑

圖3 內蒙古某煤礦項目擾動動態變化

(a)2015年擾動圖斑 (b)2016年擾動圖斑

圖4 內蒙古某煤礦項目擾動動態變化

(2)擾動合規性分析。將生產建設項目防治責任范圍邊界和擾動圖斑進行疊加分析，判斷擾動圖斑是否超出防治責任范圍，未超出防治責任范圍的判斷為“合規”，超出防治責任范圍的判定為“超防治責任范圍擾動”，并計算超出防治責任范圍的擾動圖斑面積占防治責任范圍的比例。若超出防治責任范圍面積大于20%，則按照規定應變更水土保持方案并報原審批機關審批；若某項目擾動圖斑與防治責任范圍地點不一致或擾動范圍遠超防治責任范圍，則可初步認為項目地點或規模發生變更，需進一步調查確認。

根據擾動圖斑提取結果，對比水土保持方案棄渣場選址，判定棄渣場合規性，凡棄渣場擾動圖斑與水土保持方案中棄渣場選址不一致的判定為未批先棄。

2.2.5 棄渣場無人機遙感調查

(1)調查對象選取。根據水土保持方案資料和遙感影像解譯成果，按照擾動面積廣、棄渣量大、未批先棄或下游有居民區、重要基礎設施等原則，選擇15個棄渣場作為調查對象，其中6個井采煤礦排矸場、9個鐵路工程棄渣場。

(2)調查任務。在降水量較多的7、8、9月，每月進行一次無人機遙感調查，獲取棄渣場實景三維模型、正射遙感影像及數字地表模型，提取棄渣場的位置、面積、堆渣高度、邊坡坡度、渣體方量、水土保持措施等相關數據。

(3)原始數據獲取。采用大疆精靈3專業版無人機進行遙感影像數據獲取，規劃飛行高度100 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，根據相應比例尺要求的密度，測量地面的控制點，生成無人機航拍的原始數據。

(4)數據提取和處理。使用Pix4D mapper軟件處理原始數據，形成數字表面模型(DSM)、數字正射影像圖(DOM)和三維模型等成果，如圖5、6、7所示。在ArcGIS中，利用DSM和DOM成果，獲取經緯度、高程等位置信息；在Pix4D mapper軟件中，利DOM成果，勾繪出棄渣場的范圍，獲取棄渣場面積；利用DSM成果，量算堆渣高度、坡度，勾繪棄渣場的范圍，通過已知控制點與設計方案中的地形數據進行挖填方計算，獲取棄渣量。棄渣場土地整治面積、截排水溝長度、攔擋工程長度、路基工程護坡面積等水土保持工程措施指標從三維模型上測量；林草面積、臨時排水溝長度、臨時攔擋長度、苫蓋面積等臨時防護措施，利用DOM成果，在 ArcGIS中量算。

圖5 某煤礦排矸場DSM影像

圖6 某煤礦排矸場DOM影像

圖7 某煤礦排矸場三維模型

3 結果分析

3.1 衛星遙感

本研究共搜集24個在建部批生產建設項目水土保持方案資料，其中公路項目1個、鐵路項目2個、輸變電項目1個、水工程項目1個、礦產和石油天然氣開采及冶煉項目19個，獲取防治責任范圍矢量圖24個，建立遙感解譯標志21套，提取了24個項目的擾動圖斑。結果顯示，16個項目擾動圖斑超出防治責任范圍，但超出防治責任范圍面積小于20%，不需變更水土保持方案；發現棄渣場23個，其中未批先棄棄渣場12個，主要為鐵路和煤礦棄渣場。監管部門根據調查結果下達整改意見，要求超防治責任范圍擾動項目嚴格控制作業范圍，減少地表擾動破壞，并對超防治責任范圍擾動區域進行治理恢復，要求未批先棄項目清理棄渣或履行棄渣場變更手續。

3.2 無人機遙感

本研究從衛星遙感影像發現的23個棄渣場中選擇15個棄渣場作為調查對象，其中12個為未批先棄棄渣場、3個為水土保持方案確定的棄渣場。調查了棄渣場棄渣面積、棄渣量、渣體邊坡坡度、堆渣高度及動態變化。以某煤礦排矸場為例(表1)，該排矸場設計面積為13.91 hm2，實際棄渣面積16.24 hm2，超出設計面積2.33 hm2；設計棄渣量135.5萬m3，實際棄渣量50.0萬m3，未超設計棄渣；渣體邊坡坡度30°，堆渣高度52.0 m。水土保持措施調查結果如表2所示，工程措施中攔矸壩、陡坡排水溝、下游排水明渠、消力池、土地整治等措施落實較好，表面排水溝相比設計少修建了573 m；植物措施溝道防護林落實到位，排矸場綠化面積少了4.93 hm2；臨時措施落實較差，表土剝離、防護網基本未實施。

表1 某煤礦項目排矸場擾動情況調查結果

注：對比值為調查結果和設計值的差值，下同。

總體上看，3個水土保持方案確定的棄渣場棄渣面積、棄渣量均未超過水土保持方案設計(其中1個在調查期間產生了新的棄渣)，基本按照水土保持方案實施了防治措施。未批先棄的12個棄渣場(其中1個在調查期間產生了新的棄渣)水土保持措施整體實施較差，其中6個基本未實施水土保持措施，6個部分實施了攔擋、截排水、邊坡防護措施。

表2 某煤礦項目排矸場水土保持措施調查結果

4 討 論

4.1 衛星遙感技術在生產建設項目監管中的應用

傳統的生產建設項目水土保持監管方式主要為現場檢查，存在較多限制和缺陷。一是效率低，成本高，需耗費大量時間和人力、物力，要趕赴各個項目施工現場；二是不全面，線型分布的生產建設項目擾動范圍廣、跨度大，如鐵路、公路項目可長達數百公里，且部分路段交通不便、難以到達，不可能實現全面檢查，往往產生監管漏洞；三是不及時，現場檢查一般一年檢查一次，對隨時可能產生的水土流失無法快速、及時發現，如輸油氣管線等項目擾動面積大、線路長，可能產生嚴重的水土流失，但其施工期短，現場檢查時可能已經完工，對施工期的水土流失問題難以發現；四是不精確，現場檢查對擾動面積、擾動區域，以及棄渣場位置、面積等只能有直觀定性而不是精確的測量和定位，無法確定擾動是否超出防治責任范圍、超出部分面積、棄渣場位置是否與水土保持方案設計一致、是否需要變更水土保持方案等。

衛星遙感技術可以提供高精度、寬范圍的空間觀測服務，在地理測繪、國土資源調查、水利林業資源監測[4]、城市和交通精細化管理[5]、地球系統科學研究[6]等領域發揮了重要作用。目前，衛星遙感技術在水土保持監測[7]、監管[8]中已廣泛應用，相對于傳統監管方式具有高效、快速、全面、精確等優勢，特別在全面掌握生產建設項目擾動情況方面，能夠在很大程度上解決現場檢查存在的問題和不足：一是衛星遙感技術具有高效性，本研究僅用數天時間即可解譯提取24個部批生產建設項目擾動圖斑，節省大量人力物力財力；二是具有全面性，可以實現對各個生產建設項目各個防治區、各個施工段全面查看，尤其是擾動范圍廣、跨度大的線型項目，克服了現場檢查不能到達所有擾動現場、不能全面發現水土流失問題的局限性；三是具有及時性，以資源三號衛星為例，其重訪周期為5天，可以在短時間內多次對地表擾動情況進行觀測，監管部門可以根據需要選擇任意時段的遙感影像實現對生產建設項目的及時監管，避免了部分項目因施工期短而難以及時監管的問題；四是具有精確性，可以精確測量擾動面積、水土流失面積，精準定位擾動區域、棄渣場位置等，發現和確定生產建設項目地點規模變化、超防治責任范圍擾動、未批先棄等問題，為監管提供科學、準確的依據。衛星遙感覆蓋范圍廣、觀測周期短、使用成本低，可以為生產建設項目監管提供高效、快速、全面、精確的技術支撐，能夠滿足監管工作對掌握生產建設項目擾動區域、位置、面積、植被覆蓋度、水土流失及動態變化等信息的需求，大大提高了監管的時效性、精準性，降低了監管成本，在未來的水土保持監管中可以廣泛應用。

4.2 無人機遙感在生產建設項目監管中的應用

無人機攜帶方便，使用、保管、維護成本低，適應性好，不受云層遮擋，相對于衛星遙感具有更高的精度[9]，在小范圍應用中是衛星遙感的重要補充，在水土保持監管中有諸多優勢，實際應用也越來越廣泛[10-11]：一是可以生成高精度正射影像圖和三維立體模型，直觀、真實地呈現生產建設項目施工現場實際情況，監管部門通過察看正射影像圖和三維立體模型，足不出戶即可達到與現場檢查一樣的效果；二是可以對棄渣場進行精確、快速調查，相對傳統測量技術測定棄渣量更加快捷、高效，相對衛星遙感技術精度更高、使用更靈活，在大量降水、大風或重大水土流失事件發生后可快速進場調查，精確、快速掌握水土流失情況，如本研究利用無人機遙感對15個棄渣場實際棄渣面積、棄渣量、渣體邊坡坡度、堆渣高度及動態變化短期內實現了3次高精度測定，為監管工作提供了大量依據；三是可以實現對水土保持措施的監管，目前衛星遙感技術尚無法清晰辨認水土保持措施，尤其是截排水溝、臨時攔擋、邊坡防護等措施尺度較小的地物[12]，而無人機遙感更高的精度可以實現對水土保持措施的辨認和測量，可以作為衛星遙感的重要補充。

實踐表明，在大范圍區域，利用衛星遙感技術快速、高效地發現生產建設項目擾動，掌握擾動位置、擾動面積、棄渣場位置等基本信息，排查項目地點規模變化未變更水土保持方案、超防治責任范圍擾動、未批先棄等違法違規問題，在小范圍區域，利用無人機遙感精確測定棄渣面積、棄渣量、渣體高度，以及水土保持措施量，結合重點區域現場檢查，實現生產建設項目高效、全面、精準監管，將是未來水土保持監管工作的重要發展方向。