北京市生態清潔小流域遙感監管技術應用研究

關鍵詞：生態清潔小流域；遙感；監管；北京市 中圖分類號：S157 文獻標識碼：B DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.10.021

2003年以來，北京市水土保持工作以水源保護為中心，以山水林田湖草一體化保護和系統治理為基本工作方針，構筑生態修復、生態治理、生態保護三道防線，持續推進生態清潔小流域建設。截至2022年底，北京市的1085條小流域中，已實施生態清潔小流域建設工程的小流域達到508條，其中分布在山區的小流域有483條，建設工程覆蓋了除朝陽區、東城區、西城區外的13個區。

生態清潔小流域建設具有資金投入大、時間跨度長、覆蓋面廣、措施類型多等典型特點[]，水土保持監管工作難度較高。以2020年為例，北京市共在63條小流域實施了生態清潔小流域建設工程，治理面積達553.5km² ，工程范圍涉及門頭溝、房山、昌平、懷柔、平谷、密云、延慶7個區的50個鄉鎮94個村，工程措施類型多樣，包括修建樹盤、谷坊、垃圾處置設施等點狀工程，修建田間生產路、擋土墻、護坡及河溝道清理整治等線狀工程，梯田整修、經濟林營造、水土保持林營造、河岸帶治理、濕地恢復等面狀工程。遙感影像具有覆蓋面廣、周期長、獲取便捷等特點，基于生態清潔小流域建設特點，綜合利用無人機、高分衛星等遙感監管技術對生態清潔小流域實施精細化監管，是支撐生態清潔小流域建設工作高質量發展的重要保障，也是當前生態清潔小流域建設的迫切需求[2]。北京市結合生態清潔小流域建設現狀，探索遙感數據資源和相關技術應用，并將其擴展到項目建設全過程監管中。本研究總結北京市生態清潔小流域遙感監管現狀和技術方法，分析了當前存在的問題并提出針對性建議，以期進一步完善生態清潔小流域遙感監管技術，持續推動水土保持高質量發展。

1北京市生態清潔小流域遙感監管發展

遙感技術具有覆蓋范圍廣、獲取信息量大、便于進行長期動態監測等優勢，在生態清潔小流域建設項目水土保持監管領域發揮了重要作用，可有效解決監管對象量大面廣、信息繁雜的難題3，突破監管人員現場檢查難度大的瓶頸，相對于傳統水利監管工作更加高效、全面、及時、精確。隨著亞米級空間分辨率的衛星遙感數據越來越豐富，衛星遙感、無人機遙感等現代信息手段在快速獲取大范圍地表信息方面發揮出巨大的優勢，也為生態清潔小流域建設與管理工作提供了豐富、翔實的數據基礎[4]

2013年，北京市嘗試在項目前期工作中采用遙感影像輔助專家進行設計審查，開啟了將遙感技術應用于生態清潔小流域監管工作的先河。2013年至今，北京市應用遙感影像對生態清潔小流域設計進行輔助審查的范圍已覆蓋全市13個區314條小流域，面積達3 090km² 。將高分辨率遙感影像與工程治理措施疊加，判讀工程措施布設的合理性，輔助專家技術審查，在加強前期工作質量的同時提高了設計審查的工作效率。

隨著高分衛星資源的普及，以及無人機和移動終端技術的發展，北京市開始在生態清潔小流域建設與管理的各個環節中探索應用遙感技術，包括項目初步設計編制與審查、項目管理、工程核查、竣工驗收、效果評估等。從2017年開始，北京市利用無人機技術對國家水土保持重點工程進行核查，共核查了25條小流域的建設情況，并利用遙感影像分析、無人機航測、移動終端技術對36條生態清潔小流域的治理成效、運行管護、植被覆蓋率變化及水土流失消長情況等進行評估。結果表明：國家水土保持重點工程的工程措施保存情況較好，工程實施后小流域內水土流失得到有效控制，植被覆蓋率得到明顯提升，小流域內人居環境、農業生產條件和生態環境得到改善

近年來，水利部對國家水土保持重點工程信息化監管的要求越來越高。北京市響應水利部工作要求，安排專項財政資金應用于遙感監管技術研究，并將高分衛星遙感、無人機遙感、GIS等技術應用于國家水土保持重點工程、京津風沙源治理項目小流域綜合治理工程、生態清潔小流域綜合治理工程、小流域水毀修復等項目的信息化監管工作中，大幅提高了行政部門對項目全過程的監管力度，顯著提升了監管能力和水平。

2生態清潔小流域遙感監管技術方法

在項目建設不同階段采用適宜的數據源和技術手段進行監管，可實現生態清潔小流域建設全過程遙感監管。首先是基礎數據處理時，可依據監管內容和對象選取適合的遙感數據源并進行解譯，為遙感監管做好數據準備；然后是在項目建設前期，可借助遙感數據輔助進行項目實施方案技術審查；接著是在項目建設期，利用無人機結合移動終端可實現現場監管，核查工程建設進度和措施質量；最后是在項目竣工后，通過項目建設前、后遙感影像的對比分析，可評估生態清潔小流域實施效果。

2.1遙感數據選取與解譯

1）遙感數據源選取。按照水利部要求，遙感監管的影像數據源應優先選擇空間分辨率優于 2.5m ，具有藍、綠、紅、近紅外多光譜波段的高分一號（GF1）、資源三號（ZY3）、高分二號（GF2）等國產遙感影像。北京市在實際應用中，通常采用立項當年3—6月市轄區范圍空間分辨率為 0.8m 的高分影像數據，以高分二號衛星數據為主，北京2號及其他亞米級衛星數據作為補充。

2）遙感數據質量要求。在影像質量方面，應選擇沒有壞行、缺帶，沒有條帶、斑點噪聲和耀斑的影像，優先采用晴空影像，總云量不超過 5% ；圖像清晰，地物層次分明，色調均一，覆蓋全項目區，數據源盡可能單一；頭文件應齊全，包括影像拍攝時間、傳感器類型、太陽高度角、太陽輻照度、中心點經緯度等。

3）遙感數據預處理。原始影像不具備地理空間信息，同時受成像投影方式、傳感器外方位元素變化，以及傳感介質的不均勻、地球曲率、地形起伏、地球旋轉等因素影響，原始影像相對于地表目標存在一定的變形、像元移位等問題，需通過正射校正等方式對這些幾何變形和投影差進行校正。獲取的遙感影像通常定位不準確，為使其定位精準，在使用遙感影像前需對其進行幾何校正。遙感數據預處理主要包括幾何校正、正射校正、圖像增強、影像融合、勻色鑲嵌、掩膜裁剪等環節。

4）遙感數據解譯?；陬A處理后的影像，采用人機交互的解譯方法，開展項目區水土保持措施圖斑解譯工作，重點獲取生態清潔小流域建設各階段的措施數量、長度、面積、位置和屬性等信息。在遙感解譯前，利用高分辨率遙感影像，結合資料進行室內預判并建立初步解譯標志，明確易混淆或解譯有困難的土地利用和水土保持措施類型，再選取典型地塊和路線進行野外實地調查，對解譯標志進行補充、修正，結合相關的解譯經驗建立解譯標志庫。解譯過程中，勾繪措施圖斑的邊界要參考小流域初步設計矢量圖和竣工圖，面積大于 0.1hm² 的措施圖斑應全部解譯。

2.2遙感數據輔助項目建設前期設計和審查

1）基礎數據準備。在生態清潔小流域項目建設前期，應綜合利用高分辨率遙感數據、溝道河流、地形地貌、土壤侵蝕、王地利用、植被類型、村莊分布、人口經濟、專項規劃、基本農田、生態紅線等基礎空間數據，分析小流域的整體地理和人文特征，為小流域調查評價和設計提供參考依據；參考水土流失動態監測成果中的中度、強烈侵蝕分布，可明確重點治理范圍。

2）設計圖斑合規性審查。根據小流域治理設計方案中具體措施位置，結合高分辨率遙感影像和生態紅線、基本農田數據，可以輔助專家技術審查。以技術規范為依據，對小流域現狀基礎信息、遙感影像、治理工程設計措施空間分布進行疊加分析，對措施設計布局進行合理性判斷，分析擬建設措施的空間布局是否依法依規、是否符合規劃原則；與生態保護紅線、基本農田等矢量數據進行疊加分析，評價設計方案措施布局是否滿足生態空間要求；與土地利用數據進行疊加分析，評價措施布局是否滿足土地利用性質要求。

3）設計圖斑合理性審查。在生態清潔小流域初步設計階段，要求各項措施應落實到地塊、村莊或溝道，并明確反映在措施布局圖中，對高分遙感影像與治理措施空間分布進行疊加，對治理措施的設計范圍與地塊實際走向進行對比，可及時發現是否存在措施規劃范圍過大、未按原有地塊走向設計等問題，如田間生產道路是否按原有道路走向設計，溝道治理措施與現有河溝道分布是否符合，灌溉工程是否具備水源條件等。綜合上述審查結果，編制輔助審查報告，提交生態清潔小流域設計專家審查會，可有效支撐審查專家發現設計中的不合理現象，保障前期設計質量。

以南山村小流域為例，分析高分遙感影像輔助審查小流域設計情況。南山村小流域位于平谷區東部南獨樂河鎮，屬于淺山區完整型小流域，流域面積16.48km² ，森林覆蓋率高，土壤侵蝕類型為水力侵蝕，以微度為主，有部分輕度、極少量中度，無強烈及以上土壤侵蝕。南山村小流域生態治理區設計措施為梯田整修、經濟林營造、林下生態間種、村莊綠化美化；生態保護區設計措施為溝道清理整治、溝道生態修復、河濱岸帶治理；生態修復區設計措施為封育保護。采用亞米級遙感影像，對南山村小流域各治理分區水土保持措施的設計情況進行遙感復核。審查結果（見表1、圖1）表明：各項措施均在小流域邊界內；措施布設與現狀地塊的土地利用類型、坡度基本相符；梯田整修、經濟林營造、林下生態間種、村莊綠化美化、溝道清理整治、溝道生態修復等措施遙感復核量基本等于設計量（河濱岸帶治理和封育保護未進行遙感復核）；各類措施分布未涉及基本農田范圍。

表1高分遙感影像輔助審查南山村小流域設計措施量情況

2.3 建設期遙感現場核查

工程建設期遙感核查的主要內容包括措施圖斑類型、面積、實施進度和實施質量。在項目建設過程中核實施工與設計在建設內容、規模、地點上的一致性，可加強建設過程監管，完善項目管理。

圖1南山村小流域圖斑核查情況

1）現場核查內容。利用遙感技術和移動終端，現場核查措施圖斑的位置、長度、面積等，逐圖斑獲取措施數量、質量、植物措施成活率等信息，拍攝現場照片和視頻，同時采用無人機影像輔助進行線狀、面狀措施的核查。受現場檢查時間及工作條件所限，在現場檢查過程中需要選取具有典型代表性的圖斑進行檢查，其中面狀圖斑和線狀圖斑檢查數量不低于該類圖斑總數量的 30% ，點狀圖斑檢查數量不低于點狀圖斑數量的 40% 。對于重點措施，要結合實際適當增加檢查比例；發現建設變更情況，以及溝道措施存在垃圾、植物措施成活率低等現場問題，及時通知各相關單位和人員。

2）無人機現場核查。通過收集的小流域治理措施位置及分布信息、生態清潔小流域范圍及項目目標任務，確定無人機航飛范圍，結合周圍地形、地物，以及軍事禁區、機場等特殊區域，劃定無人機測區范圍，并進行空域申請和飛行測量。項目現場通常在山區，地勢起伏較大，植被茂密，為保證數據分辨率，設定實際航飛時相對航高 500m ，旁向重疊度 50% ，航向重疊度 80% ，航線間距 250m ，拍照間隔 85m 。為獲取影像的地面坐標，在采集時需同步進行像控點的布設與量測工作。將無人機拍攝的照片進行拼接處理后加載至GIS軟件，根據無人機影像特征，以先驗知識、解譯標志及現場調研結果作為參考，利用GIS軟件人工勾繪項目區水土保持措施現狀圖斑，計算每個核查圖斑的措施數量，依據水土保持措施類型建立點、線、面狀措施矢量文件，對比小流域設計和批復文件，分析施工與設計圖斑的一致性。

以羅班小流域遙感現場核查為例，分析建設期遙感現場核查情況。羅班小流域位于門頭溝區清水鎮，流域面積 9.77km² ，其中 15.66% 的面積位于生態保護紅線范圍內。流域內植被覆蓋較好，以微度侵蝕為主，占小流域面積的 91.30% 。羅班生態清潔小流域建設工程主要治理村莊為張家莊村，治理面積約為2km² 。治理措施主要位于生態治理區，具體包括低矮干砌石谷坊1座、擋土墻 282m 、村莊美化面積204m² 。遙感現場核查結果（見表2、圖2）表明：截至核查日期2022年8月13日，門頭溝羅班小流域所有治理措施完成率為 100% ；發現問題為村莊美化僅種植了中華地錦，未栽植其他苗木;整改要求為當年12月前完成補植工作。

表2羅班小流域設計措施量上圖與遙感監管復核情況

圖2羅班小流域遙感核查影像

2.4生態清潔小流域實施效果評估

生態清潔小流域實施效果評估是對小流域治理后產生的效益進行評估。選擇工程實施前1a和竣工后1a的植物生長季（6—9月）的高分遙感影像，通過解譯，獲取工程實施前與評估年的水土保持措施保存情況以及土地利用類型、植被覆蓋度和土壤侵蝕等數據，結合措施布局、措施變更圖及竣工圖中的水土保持措施規模，評估生態清潔小流域的實施效果。

1）基礎數據準備。選定參與實施效果評估的小流域，獲取工程實施前和竣工后的高分遙感數據和土壤侵蝕、主溝道、水文形態、土地利用類型等基礎空間數據；收集實施方案及批復文件、設計圖冊、變更文件、竣工驗收材料及竣工圖矢量文件。

2）實施效果現場調查。利用無人機拍攝現場照片和視頻，現場核查措施圖斑的位置、長度、面積、實施年份等，獲取措施保存率等信息；現場調查主溝道水文形態分級變化及村莊污水、垃圾集中收置、農藥化肥施用情況；現場采集主溝道水樣，交由專業機構檢測水質。

3）實施效果評估。利用基礎數據和現場調查數據，對生態清潔小流域工程實施前、后的水土流失治理情況、林草植被覆蓋情況、單項措施保存情況、水土流失消長情況、主溝道形態變化情況、主溝道水質情況、化肥施用情況、生活垃圾處置情況等內容進行分析評估。

4）評估指標。水土流失治理情況的指標為評估年水土流失治理度，即評估年水土流失治理面積與項目實施前項目區水土流失面積的比值；林草植被覆蓋情況的指標為評估年林草覆蓋率和林草覆蓋率變化程度，分別是評估年林草覆蓋面積與項目區總面積的比值、評估年林草覆蓋面積和實施前林草覆蓋面積差值與項目區總面積的比值；單項措施保存情況的指標為措施保存率，為評估年各項措施圖斑的實測措施數量與竣工驗收時數量的比值；水土流失消長情況為項自實施前和評估年土壤侵蝕強度變化；主溝道形態變化情況為項目實施前與評估年的主溝道水文形態對比分析；主溝道水質情況測試指標主要有總磷、總氮、化學需氧量（COD）含量；化肥施用情況的指標為化肥施用污染物產生量，包括氨氮、總氮、總磷污染物排放（流失）量；還包括調查得到的生活垃圾處置情況和污水處理情況。

以張家墳生態清潔小流域建設項目實施效果評估為例。張家墳小流域位于密云區石城鎮，屬于密云水庫二級水源保護區，主溝道為白河，流域面積17.51km² ，整體地形坡度較大，大部分區域為山地。張家墳小流域建設項目實施年為2019年，評估年為2023年，主要治理措施為生態治理區梯田整修 26.65hm² ，修建村莊排洪溝 55m 、生產道路 1 118m 及生態保護區防護壩 3389m ，溝道清理整治 1 125m 。基于遙感技術評估張家墳小流域建設項目實施效果，評估結果表明：項目區中度土壤侵蝕面積從實施前的 11.46hm² 減少到評估年的 3.16hm² ，強烈侵蝕面積從 2.26hm² 減少到0，水土流失控制效果較好（見圖3）；評估年水土流失治理度為 100% ，林草覆蓋率為 92.35% ，林草覆蓋率與實施前相比提高了1.98個百分點；與驗收報告的措施數量相比，評估年小流域治理措施保存完整（見表3），小流域主溝道I級溝道長 10.57km Ⅲ級溝道長 0.31km ，水質采樣點的COD、總磷、總氮含量分別為 13.00，0.02，0.87mg/L ，水質為Ⅲ類（不考慮總氮為I類）；化肥施用情況為實施前氨氮、總氮、總磷污染物排放（流失）量分別為1.99、75.67和2.59kg ，評估年氨氮、總氮、總磷污染物排放（流失）量分別為 2.00，71.03 和 2.53kg ；小流域內部村莊整體完成了垃圾集中收置，大部分村莊完成了生活垃圾清理轉運和污水收集處理

圖3張家墳小流域項目實施前和評估年的土壤侵蝕強度空間分布

表3張家墳小流域措施保存情況

3存在的問題及建議

1）缺乏統一的水土保持遙感監管應用系統。北京市水土保持信息化工作起步較早，開發了一批應用系統用以支撐水土保持監管工作。水利部對國家水土保持重點建設工程的信息化監管非常重視，開發了包括全國水土保持數據上報系統、全國水土保持規劃評估系統、水土保持圖斑精細化管理平臺等多個應用系統。各應用系統的監管對象有重復，但系統之間并不兼容，填報數據標準和功能模塊的設計均不相同，且這些應用系統都需要按要求定期填報，給日常管理工作帶來了負擔。此外，由于各應用系統間數據并不兼容，各級行政管理部門、項目建設單位、項目設計單位需要重復采集不同分辨率的數據，導致數據成果精度不統一、判定標準不一致，影響監管精度。

建議優化各水土保持監管應用系統的兼容性，開發相關的應用中間件實現不同應用系統間的數據傳輸，構建數據資源共享機制，避免重復填報、工作交叉或重復問題，使水土保持遙感監管工作更加高效、便捷。此外，遙感數據是水土保持遙感監管的重要基礎，北京市水土保持遙感監管工作由水利部、市、區三級共同完成，項目建設、設計、施工、監理等參建各方均參與到數據采集、填報、審核的過程中，應加強從業人員的業務培訓和工作指導，全面開展無人機操作、GIS軟件應用、遙感影像判讀等方面的技術指導，確保遙感數據的準確性，為水土保持遙感監管奠定扎實基礎。

2）生態清潔小流域實施效果評估有待完善。目前，生態清潔小流域實施效果評估內容主要包括水土流失治理、林草植被覆蓋、單項措施保存、主溝道形態和水質變化、生活垃圾處置等。隨著生態文明建設的持續深化和水土保持高質量發展，我國對生態清潔小流域建設也提出了新的更高要求，當前的評估內容還需進一步完善。

建議在現有評估內容的基礎上，結合北京市生態文明建設整體要求和近年來生態清潔小流域建設工作經驗，研究增加小流域主溝道自然岸線保護情況、生物多樣性保護情況、生境指數變化，以及特色產業培育和發展等評估內容，同時進一步明確和完善各評估內容的指標體系及其權重，推動生態清潔小流域實施效果評估定量化發展

參考文獻：

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（責任編輯 李佳星）