基于无人机遥感技术的水利规划实施监督管理与后评价研究

王冬梅,高士佩,吴 杰

(1.江苏省水利科学研究院,江苏 南京 210017; 2.南京市长江河道管理处,江苏 南京 210000)



基于无人机遥感技术的水利规划实施监督管理与后评价研究

王冬梅1,高士佩1,吴 杰2

(1.江苏省水利科学研究院,江苏 南京 210017; 2.南京市长江河道管理处,江苏 南京 210000)

以大纵湖(盐城市域)退圩(围)还湖规划实施为试点,开展无人机航拍动态监测,结合该规划实施前ALOS卫星影像,对比原规划方案内容,利用目视解译法监测规划已实施11处变化点,进行大纵湖退圩还湖规划符合性分析和实施效果后评价,针对不同性质的问题提出整改建议和方案。结果表明:利用无人机遥感技术进行规划实施监督管理和后评价,不仅可以定性分析规划实施情况,还可以定量给出实施项目详细位置、面积差异,并跟据分析总体规划方案能否实现原定目标或存在的差距,研究该方案有无必要修正或补充。无人机遥感技术适合有动态跟踪监测需求、较大范围的区域水利规划或重点水利工程建设项目的监测和管理。

无人机;水利规划;实施监督管理;后评价

水利规划是一个特定时期内,根据经济和社会发展需要,对某一范围内的水事活动进行的部署和安排[1]， 在规划指导下,实现水资源的合理开发、综合利用、配置、保护和管理[2]。规划具有前瞻性、全局性、指导性,并经政府批准,具有法律效应。在规划实施过程中,县级以上水行政主管部门应加强规划实施过程的跟踪、管理和监督检查。违反水利规划组织实施的,应依法制止和查处[3]。

长期以来,水利规划特别是区域性的水利专项规划在实施过程中,各级政府随意修改和突破规划的现象普遍,在土地资源有限的情况下,违法违规占用水域的情况有不断增加的趋势。而对于规划实施监督管理的单位,一方面由于地形比较复杂,传统的监测手段和监测方法难以直观、动态地全面监测;另一方面规划实施涉及当地多方利益,不严格按照审批规划要求建设,规划验收时形成事实,整改涉及经费等各种原因造成工作很难继续,而这种不按要求实施的规划又可能造成示范效应,影响类似规划的实施。所以加强规划实施和后评价的实时动态监督管理尤为重要。

相对于传统人工巡查为主的水域管理模式,卫星遥感技术、无人机遥感技术是当前水域空间监测的主要信息化手段。卫星遥感技术具有监测范围广、不受地面限制、全天候运行的优点,被广泛应用于国土、水域监测中,成为人工巡查的辅助监测手段。但由于卫星遥感技术高分辨率卫星影像获取周期较长、受云层和雾霾影响较大等缺点,造成其无法满足规划实施过程中的动态监测需求。无人机遥感技术虽然没有卫星遥感技术监测范围广,但其优势在于机动灵活、云层下飞行、分辨率高,可以根据规划实施需要和进度在较短时间内多次获取规划范围内地表影像进行动态监测,数据时效性高,相比卫星遥感技术在区域规划监测和管理中拥有较大优势,可以为水利规划前期调研、测绘,实施过程监测，后期验收、评价等各阶段提供直观的影像和决策参考。

本文以2011年通过江苏省政府审批的、目前正在实施的“大纵湖(盐城市域)退圩(围)还湖规划”(简称大纵湖规划)为试点,探讨应用无人机遥感技术进行水利规划实施监督管理与后评价的可行性。

1 研究现状

无人机摄影测量在美国、日本、我国的一些减灾、应急、测绘领域应用已取得可观成果,由于其周期短、灵活、真实、直观、准确率高等特点,无人机低空遥感技术在水利管理上具有巨大的应用前景[4]。2004年马轮基等[5]利用无人机对洪涝灾害进行遥感监测;日本减灾组织使用无人机携带高精度数码摄像机和雷达扫描仪对正在喷发的火山进行调查,快速获取现场实况,对灾情进行评估[6]。2010年在墨西哥湾钻井平台溢油事故中,利用无人机多孔径合成雷达对海上溢油分布等情况进行监测,取得了良好效果[7]。李翔[8]针对卫星及传统航空器、其他类型无人机的不足,对复杂水域、面积相对小且污染类型多样的区域,利用多旋翼无人机通过搭载不同类型的传感器,直观、全面地掌握了水域环境动态,且实时追踪和监测突发环境事件的发展。2016年1月，浙江省首次利用无人机航拍正射技术服务于钱塘江堤防加固工程[9]。无人机遥感技术已成功应用于多个领域,但在水利规划实施方面的应用较为少见。

2 区域概况及规划主要内容

大纵湖是江苏省政府公布的《湖泊保护名录》中里下河腹部地区湖泊湖荡之一,位于江苏省盐城市和泰州市兴化市交界处,湖泊保护总面积36.783 km2。其中盐城市盐都区大纵湖湖泊保护面积为19.772 km2,占大纵湖总面积的53.75%,目前是向盐城市区供水的主要水源地、里下河中部地区向新洋港排水入海的行洪通道、里下河地区现存自由水面最大的雨洪调蓄区、盐城市最大的淡水渔业养殖区、盐城市著名的大纵湖旅游度假区。该湖区目前自由水面为8.21 km2,其余均是以大大小小养殖鱼塘和耕地形式存在的滞涝圩,基本失去湖泊天然形态、生态功能和滞蓄洪水的功能(图1)。

依据大纵湖规划批文,对盐城市盐都区大纵湖内滞涝圩、违章圩实施清退,还湖面积5.226 km2;对湖区围网养殖清退4.8 km2。退圩还湖后,水域面积由8.21 km2扩大到13.436 km2,利用2.5 km2的原滞涝圩面积作为弃土区。

3 无人机遥感技术监测方法

3.1 大纵湖规划实施监测及后评价思路

以2011年大纵湖规划实施前大纵湖ALOS卫星影像为参考资料,对大纵湖规划实施过程现状进行无人机航拍,按照大纵湖规划批文要求和原大纵湖规划方案,分析大纵湖规划实际完成情况,与原大纵湖规划方案预期的目标与目的进行比较,将定性分析与定量分析相结合,总结实际效果与预测效果偏离的程度及原因,提出大纵湖规划修订的意见和建议。

3.2 航拍方案

采用固定翼无人机Gatewing航拍作业,范围以大纵湖保护范围线为界,面积约37 km2。为满足精度要求设置地面像素分辨率为0.15 m,影像航向为70% 、旁向40%,飞行高度150 m,无人机起飞架次为18次(图2),外业时间4天,内业影像处理拼接5天。

图2 航拍计划

地形条件:测区为平原,无较大地形起伏,以养殖圩区为主,有少量农作物种植,无高大建筑物。起降方式:弹射起飞、滑翔降落,要求起降点周边没有树木、房屋、电力线等,起飞地点选择在一条乡村道路,降落地点选择在比较空旷的麦田,与养殖水塘保持一定距离,避免落入水中。

3.3 数据处理

利用无人机后处理软件进行航拍影像的处理和拼接,以2011年ALOS影像为参考,在arcgis软件中进行几何校正,统一两期影像的坐标系统。利用目视解译法进行原大纵湖规划方案和无人机航片的对比分析工作,不符合大纵湖规划内容的部分进行位置标记和矢量信息提取,制作变化点分布图。为防止误判,逐个进行现场核实调查。

3.4 监测结果

根据图3和图4,发现11处已实施的点中(表1),与大纵湖规划完全符合的有第1、3、7、8、9等处,分别位于退圩还湖区、弃土区、围网生态养殖区。不符的有2、4、5、6、10、11等处。第2处原方案为切滩还湖,现建设了道路;第4、5处位于保留的Ⅰ64号圩内,原大纵湖规划方案中没有这两项内容;第6处原方案为生态湿地修复区,现为弃土区(图5)。

图3 大纵湖退圩还湖原设计方案

①挖深取土;②建设道路;③④⑤⑥弃土区;⑦清退圩区;⑧⑨生态养殖区;⑩筑埂打桩筑土埂图4 无人机监测到的大纵湖规划实施变化点

图5 大纵湖规划实施前后影像对比

编号面积/hm2规划实施后面积原规划面积原规划方案已实施内容与原规划符合性111.8611.86弃土区弃土区符合232.16153.36平堤切滩道路不符合316.6816.68弃土区弃土区符合45.83无此内容风景区建设不符合56.16无此内容风景区建设不符合629.4829.48生态湿地修复区弃土区不符合7157.32157.32退圩还湖,行洪通道退圩还湖,行洪通道符合8154.23154.23围网生态养殖区围网生态养殖区符合972.9672.96围网生态养殖区围网生态养殖区符合101.001.00围网清退区筑土埂打桩不符合111.14无此内容筑土埂不符合

整改方案:①大纵湖规划实施前应编制大纵湖规划的实施方案,对大纵湖规划进行目标和任务分解、细化和整体设计。②对湖区环境影响较大的如湖中心修建的土埂和桩,应予以拆除,恢复湖泊水面。③对于有建设需求的如道路、占用的湖泊水域应在湖泊范围外予以等面积补偿。④对于改变规划类型的项目,如原为生态湿地修复区现改为弃土区,在不改变湖区规划水域总面积和弃土区总面积以及保护水环境的条件下,可以进行局部位置置换调整。⑤不在原大纵湖规划方案内的建设如景区等,应按照涉湖项目申报批准。⑥规划监督管理部门应加强大纵湖规划实施过程中的跟踪和监督管理。

4 实施后评价

盐城市域大纵湖湖区具有调蓄洪水、行洪和向下游地区供水、渔业养殖、生态环境、旅游等综合功能。原大纵湖规划目标是通过退圩(围)还湖工程,恢复大纵湖的行、蓄洪能力,改善水源水质;逐步修复和提升湖荡生态服务功能;建立优化的湖泊资源保护和开发模式,使大纵湖成为寓行洪、蓄洪、水源供应、生态养殖与休闲娱乐为一体的健康湖泊。

总体评价:目前已实施部分,清退了部分圩区,恢复了部分湖区以及行蓄洪水能力和供水能力。恢复的行洪通道增加了水体流动性,对水质和水生态恢复有一定的提升作用;清退湖区围网,形成生态养殖区,提高了湖区水产品的质量,湖泊水环境得到一定提升,创造了社会效益、经济效益以及生态效益。

过程后评价:项目施工前未编制详细的实施方案,建设缺少统一规划,具有随意性,而未按原规划方案实施建成的道路、土埂等项目不仅占用了水域,缩小了湖泊面积,而且对水体流动性形成阻碍,也破坏了湖泊的自然环境。在大纵湖退圩还湖规划实施的同时,一些未履行手续的项目也开始建设,占用了湖泊岸线,破坏了湖泊整体规划和自然景观。为了规范管理、维护大纵湖规划的严肃性,应及时整改,在开始建设前依据大纵湖规划编制详细的实施方案,为大纵湖规划实施提供指导。

经济效益后评价:湖泊清淤和退圩形成的弃土区为沿湖发展提供了土地资源,具有巨大的经济效益,目前已有部分区域吸引投资打造了一些湖泊旅游景观、影视基地等,为沿岸土地升值和投资创造了良好的环境,经济效益显著。

影响后评价:清退圩区形成自由水面,恢复水体流动性,打造良好的水环境,湖泊开发利用方式从粗放转变为统一规划利用,为其他湖泊退圩还湖提供示范。但是湖区道路等由于位置设计不合理会对退圩后湖泊水体的流动性、岸线形态有一些影响。

可持续性评价:湖泊退圩恢复自由水面,有利于湖泊水资源的长期可持续利用和汛期洪水调蓄,优美的水环境和岸线资源也为沿岸地区发展提供了土地资源,打造出良好的投资环境,为居民旅游休闲提供更多选择,为涉湖地区社会经济可持续发展提供动力。

5 结 语

利用无人机遥感技术进行规划实施监督管理和后评价,不仅可以定性分析规划实施情况,还可以定量给出规划详细的位置、面积差异,分析已实施项目的效果,并分析总体规划方案能否实现原定目标或存在的差距,研究有无必要对水利工程进行修正或补充,适合有动态跟踪监测需求的、较大范围的区域水利规划或者重点水利工程建设项目的监测和管理。

随着信息技术和无人机遥感技术的发展,无人机的续航能力、信息采集能力以及多架同时监控能力都将得到进一步提升,除了影像和视频的拍摄外,也将具备快速生成地表三维影像的能力,为水利规划及其他领域提供更好的支撑。

[1] 刘海江.新时期水利规划的地位和作用[J].陕西水利水电技术,2007(2):1-4.

[2] 王新才.长江流域水利规划回顾与展望[J].人民长江,2008,39(20):1-4

[3] 江苏省水利规划管理办法[R].南京:江苏省水利厅,2008.

[4] 王新,陈武,汪荣胜,等.浅论低空无人机遥感技术在水利相关领域中的应用前景[J].浙江水利科技,2010,38(6):27-29.

[5] 马轮基,马瑞升,林宗桂,等.微型无人机遥感应用初探[J].广西气象,2005,26(增刊1):180-181.

[6] 金伟,葛宏立,杜华强,等.无人机遥感发展与应用概况[J].遥感信息,2009,24(1):88-92.

[7] 孟庆志.无人机在水环境监测中的航迹规划研究[D].杭州:浙江大学,2012.

[8] 李翔.多旋翼无人机在库区水域环境监测中的应用[J].科技传播,2016,8(1):73-74.

[9] 无人机航拍正射技术首次服务浙江省重点水利工程[J].中国水利,2016(4):70.

江苏省水利科技项目(2013001;2013019)

王冬梅(1978—),女,江苏徐州人,高级工程师,主要从事3S技术在江苏水利中的研究与应用。E-mail:dong_1212sks@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.06.005

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1003-9511(2016)06-0017-04

2016-04-19 编辑：胡新宇)