生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系

亢 庆，姜德文，赵 院，李岚斌

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州510611； 2.水利部 水土保持监测中心，北京100053；3.珠江流域水土保持监测中心站，广东 广州510611)



生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系

亢 庆1，3，姜德文2，赵 院2，李岚斌3

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州510611； 2.水利部 水土保持监测中心，北京100053；3.珠江流域水土保持监测中心站，广东 广州510611)

生产建设项目；水土保持监管； “天地一体化”； 遥感技术； GIS技术

新形势下，生产建设项目水土保持监管工作急需提高技术支撑能力和信息化水平。基于当前生产建设项目水土保持监管工作对相关支撑技术的新需求，分析了遥感、GIS等技术的适用性，提出了基于多项技术集成的“天地一体化”动态监管关键技术体系，并对其在当前工作中的应用情况进行了初步分析总结，可为生产建设项目水土保持监管信息化工作思路提供有益参考。

近年来，全国各地各级水土保持管理机构不断加强能力建设，使得生产建设项目水土保持监管的力度、广度、深度和规范化程度等均有很大的强化和提高，但因为工作量日益繁重、新需求不断提出、新要求不断提高，以致监管工作效率和效能受到了技术支撑能力不足的限制[1]。

我们在探讨新形势下生产建设项目水土保持监管工作对支撑技术需求的基础上，提出了基于遥感、GIS、互联网等技术的生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系，并结合正在开展的全国生产建设项目监管示范工作，分析总结了其实际应用效果，对其技术推广思路和发展前景进行了展望分析，以期为提高生产建设项目水土保持监管工作的技术支撑能力提供参考。

1 生产建设项目水土保持监管工作现状及面临的新形势新要求

党的十八届四中全会提出了深化行政执法体制改革，加强和规范事中事后监管的要求。2015年7月，国务院《生态环境监测网络方案》(国办发〔2015〕56号)提出“监测与监管协同联动，初步建成陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络”，要求监测网络基本实现全覆盖、重要生态功能区实现全天候监测。2015年10月，国务院批复的《全国水土保持规划(2015—2030年)》要求建立健全综合监管体系，创新体制机制，强化水土保持动态监测与预警，提高信息化水平。

根据中国水土保持公报，2005—2014年，全国每年审批生产建设项目水土保持方案数量由2.29万个增加到3.06万个，每年新增水土流失防治责任范围1.5万km2。因为生产建设项目具有一定的建设期，所以每年需监管的在建项目(正在扰动)数量和规模预计为批复数量的数倍。目前，生产建设项目水土保持监管工作主要以分级管理、属地管理相结合的原则组织开展，流域机构负责部批项目监管，省、市、县水土保持机构除负责自身批复项目的监管外，还负责辖区内上级批复项目的协同监管。根据《水利部流域管理机构生产建设项目水土保持监督检查办法(试行)》(办水保〔2015〕132号)，监管的核心工作是对水土保持方案实施情况进行跟踪检查，主要包括10项内容(见表1)。目前，跟踪检查主要采取书面检查和现场检查两种方式，主要依靠传统的定位、记录、拍照等技术手段。新形势下，生产建设项目水土保持监管工作面临着工作量大、工作要求高、支撑技术落后、能力不足等问题，距“陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享”的目标还有很大差距。

2 技术支撑方面存在的具体问题和困难

新形势下的生产建设项目水土保持监管需做好两项基础工作：一是对水土保持措施落实情况进行准确、翔实、及时的调查；二是对调查数据和信息进行从宏观到微观、从定性到定量、从固定时态到多时态、从平面到立体等多尺度、多角度和多维度的专业分析。目前，这两项工作存在着以下问题和困难：

表1 生产建设项目水土保持方案实施情况跟踪检查主要内容

(1)项目数量多、空间分布零散，取土场、弃渣场等重点监管对象数量更多更分散。由于缺乏宏观调查手段，所以难以及时掌握大量监管对象整体的合规性情况，难以识别和抓住重点监管对象，难以有序、有计划、有重点地组织开展工作。

(2)项目类型多，建设周期不一致，扰动方式复杂，现场状况变化快。因缺乏高频次的动态调查技术支持，以致跟踪调查的时效性不高，对过程信息掌握不及时，难以实现过程监管。

(3)项目现场复杂，缺乏准确、高效、多角度、定量的调查取证手段，难以发现具体问题，对发现问题的描述和记录不规范、不完整、不量化，证据缺乏法律效力。

(4)缺乏数据和信息共享手段，多级监管难以实现合理分工、分级负责的高效协同，容易出现重叠、重复，监管效率低；上级对下级缺乏监督手段，容易出现遗漏，特别是缺乏对未批先建行为及时发现的手段，监管效能低。

3 生产建设项目水土保持监管的技术需求分析

对生产建设项目水土保持监管中跟踪检查内容进行的技术需求分析(表1)表明，水土保持组织管理、补偿费缴纳及后续设计等几项内容外的其他大部分基础调查内容和指标均与调查对象的空间特征相关。而当前沿用的传统调查和分析方法，恰恰针对易于调查的属性特征，往往忽视空间特征。近年来，有部分地区应用了遥感、无人机、GPS、测绘等技术，但大多属小范围试验[2-3]，缺乏成体系的业务化应用。因此，要满足生产建设项目水土保持监管的新需求，首先应当以空间数据管理技术为基础，即应用GIS(地理信息系统)技术成为必然选择；其次，要满足“全覆盖、高频次、空天一体”，需要遥感、无人机技术的支撑；再者，要实现内外业协同作业的“精细化、定量化、信息化”，需要空间定位、多源数据采集、移动通信、互联网等技术的支撑。此外，各项新技术的应用必然涉及海量空间数据和信息的专业处理分析工作，为实现“上下协同”，不仅需要各级水保监管机构之间的数据、技术、管理模式的充分共享和高度兼容，还需要监管业务与技术支撑的高度协同。因此，需要基于互联网、云服务等技术的软硬件集成开发来为生产建设项目水土保持监管提供信息管理工具。

4 生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系

生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管技术是根据监管信息采集、分析、管理的需求，基于多尺度遥感、GIS、空间定位、无人机、移动通信、快速测绘、互联网、多媒体等技术应用的信息化集成技术。其中：“天”主要指基于多种航天、航空平台的多尺度遥感技术，为区域扰动宏观调查提供时空信息采集、分析的手段；“地”主要指基于GIS、空间定位、快速测绘、多媒体等技术集成的移动信息采集技术，为生产建设项目现场调查提供信息采集、管理、分析的手段；“一体化”主要指在GIS、互联网、移动通信等技术的支持下，对“天”“地”采集、处理的多源时空信息进行集中管理、分析、传输等，以实现各监管主体之间、多角度调查手段之间、内外业各工作环节之间的信息实时交互、共享、协同操作，为区域生产建设项目水土保持动态监管工作提供一体化支持。

图1结合监管工作主要流程，分析了“天地一体化”动态监管的基本技术路线和关键技术体系。关键技术体系可分为空天调查分析技术和地面调查分析技术两部分。

图1 生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管技术路线及关键技术体系

4.1 空天调查分析技术

4.1.1 遥感数据源

目前监管适用的国内外卫星遥感数据参数、特点和适用范围见表2。由表2可以看出，不同数据源有不同的适用范围，可根据需要选择合适的数据源组合。遥感调查频次由重访周期、幅宽及天气等因素决定，实际应用中很难按理论重访周期获取数据。根据经验，在县域尺度内，云雨天气影响较大的南方地区，一般每年可重复获取4次以上中分辨率遥感影像，高分辨率遥感影像一般仅能保证获取2次。因此，在“天地一体化”技术路线中，为兼顾区域调查的高频次和项目调查的精细化，采用了中分辨率与高分辨率组合使用的方式。

4.1.2 基于遥感处理技术应用的关键技术

(1)多光谱遥感影像真彩色融合增强技术。利用植被光谱信息丰富的近红外波段和红、绿、蓝波段，采用多光谱融合算法，实现影像真彩色增强。融合增强处理能够减少冗余、增加有效信息量、突出影像层次和细节信息，增强植被、建筑物、水域、土壤、岩石、扰动地表等目标对象的影像特征，并削弱因时相、传感器等造成的影像解译标志特征差异，提高后续目视解译或自动识别的准确率。

表2 多分辨率遥感数据的适用性

(2)多期遥感影像变化检测技术。不同分辨率影像采用不同的方法。对中分辨率影像，采用多期影像的NDVI、土壤指数产品等进行检测计算，可自动获取大范围区域扰动图斑的新增、减少等变化信息。对高分辨率影像，可通过扰动特征自动提取后的矢量图层空间计算，获取项目扰动图斑的精确变化信息，并对图斑距离、面积等进行空间量算。

(3)生产建设项目扰动特征自动提取技术。对融合增强后的高分辨率影像，以具有生产建设项目扰动特征的像元集合为分类对象，采用“面向对象”方法自动提取扰动图斑，可以有效减少因光谱信息丰富而产生的“椒盐效应”。

4.1.3 基于GIS技术应用的关键技术

(1)生产建设项目空间矢量化(水土流失防治责任范围上图)技术。应用GIS 软件的矢量化功能，在统一的坐标系统下，以遥感影像、防治责任范围图件(纸质或电子)的要素特征为参考，通过初步定位、地理配准、边界勾绘及属性数据录入等操作步骤，将生产建设项目防治责任范围进行空间矢量化[2,4]。该技术也可用于水土保持措施设计、渣场设计图件的空间矢量化。

(2)生产建设项目扰动合规性判别和预警技术。使用GIS空间分析技术，对防治责任范围、扰动图斑(由中分辨率遥感影像变化检测、高分辨率遥感扰动特征自动提取)矢量数据进行叠加分析，根据两类对象的空间位置关系判别扰动的合规性，量算相关图斑的面积、距离等指标，用于定量描述合规性状况，并对违规图斑进行属性标识和预警展示。

4.2 地面调查分析技术

地面调查分析技术主要包括：基于移动互联网等技术集成的生产建设项目水土保持监管信息移动采集关键技术、多源数据管理和无人机调查等几项关键技术。

(1)水土保持监管信息移动采集技术。基于移动平台，集成GIS、卫星定位与导航、激光测距仪、陀螺仪、音视频采集、移动通信、互联网、便携打印机等技术和设备，开发水土保持监管信息移动采集系统，可以实现现场多源空间信息采集、定位、导航、快速测量、现场办公、存储管理和分析等功能，为生产建设项目水土保持现场调查提供专业工具。

(2)多源数据管理技术。针对监管涉及的多期遥感影像、设计数据、遥感和现场调查数据、业务分析数据等海量、多结构、多时间版本的空间数据和属性数据，应用GIS、互联网和云计算技术，通过集群应用、网络技术或分布式文件系统等技术，构建从移动采集到云端存储的一体化平台，实现云端与移动采集端实时交互、监管数据库与各业务管理系统之间的数据共享。

(3)无人机调查技术。无人机调查主要是利用摄影测量技术，按照相关测绘规范，对高空连续拍摄一定量重叠度的照片，利用无人机遥感图像处理软件，通过几何处理、多视匹配、三角网(TIN)构建、自动赋予纹理等处理，获取1∶500、1∶1 000、1∶2 000等比例尺的三维模型、正射影像和DEM数据。对空间数据进行量测、分析，可准确、高效地获取扰动土地情况、取土(石、料)场和弃土(石、渣)场情况、水土流失情况、水土保持措施情况等相关监管指标。

5 “天地一体化”技术在生产建设项目水土保持监管示范工作中的应用

根据水利部的部署，2015—2016年在全国38个县开展了以“天地一体化”技术为支撑的生产建设项目监管示范工作。 该工作利用国产高分一号卫星遥感影像，在38个示范县开展了两次生产建设项目扰动状况调查，并在移动采集系统的支持下，对遥感调查成果进行了现场复核，之后将相关数据入库，对空间信息和属性信息进行全面管理，用于支撑生产建设项目水土保持协同监管[4]。考虑到新技术应用对业务人员操作要求较高，为便于开展示范，该工作对图1的技术路线进行了简化，详见图2。

图2 生产建设项目“天地一体化”动态监管技术简化方案

就2015年度监管示范工作实施情况来看，通过遥感调查，有效掌握了示范县区域扰动整体状况和已批项目的建设状态，发现了一批扰动超出防治责任范围、违规未批先建、建设方案重大变更等项目，对常规方法难以发现的影响较大的违规行为进行了调查取证等。“天地一体化”技术的应用，有效提高了示范县生产建设项目监管信息的获取效率，加强了事中监管的力度和监督检查的工作效能。但同时也存在一些技术应用方面的问题，例如：遥感调查频次少、精度低，对渣场、措施等重点对象的监管支撑不足；水土保持方案图件要素不足，难以矢量化；现场复核工作量大；技术工作专业性强，难以掌握等。主要原因为：一方面，简化的技术方案和遥感调查频次未能提供足够的业务需求信息量，也没有得到移动采集设备的支持等；另一方面，也与现有水土保持方案图件技术要求不高、业务人员短时期难以适应新技术带来的业务模式及要求有关。在2016年的示范及今后的应用中，随着技术方案优化更加贴近业务需求，以及信息化建设、业务模式创新和能力建设的不断加强，“天地一体化”技术的支撑能力越来越强，效益越来越明显。

6 “天地一体化”技术应用推广思路和发展前景

6.1 推广思路

考虑到全国各级水土保持监管机构的能力水平和需求不尽相同，“天地一体化”技术的推广应用应统一规划、分步推进。

首先，水利部应当大力推进“天地一体化”技术相关标准、规程、规范的制定及相应业务创新管理制度建设，有计划地在不同区域、不同级别监管机构中开展技术应用和管理模式的试验和示范。其次，根据当前的迫切需求，推进该技术在各级监管机构对本级负责的已批生产建设项目监管中的应用。在各级监管部门基本掌握监管模式并具备技术应用基础的条件下，推进“天地一体化”技术在各级监管部门协同监管上的应用。

6.2 发展前景

目前，我国的卫星遥感技术正在向“多尺度、多频率、高精度、高效率”的目标快速发展。随着高分系列三号、四号卫星相继发射升空，大范围、高频次、高分辨率(包括雷达)的对地观测数据将能够以海量、低成本方式获取。同时，随着民用级无人机平台的不断丰富，使用成本的逐年降低，激光雷达、高光谱成像仪等机载设备的逐步小型化，近地面航拍技术正快速普及。我国自主研制的北斗卫星导航定位系统的民用开发与推广已进入加速启动阶段，并开始规模化进入应用市场[5]。天地图等空间数据服务目前已广泛应用于手机、便携式手持终端、车载导航仪等载体[6]。此外，我国正在开展5G网络技术试验，一旦推出，高速移动通信将迎来跨越式的发展。国内大数据/云计算技术得到了政府等公共部门的大力推动，诸多互联网、大数据/云计算服务厂商纷纷加大研发与推广力度，并不断地推出各类大数据/云计算新产品与服务[7]。

未来，随着以上各相关基础技术的发展，“天地一体化”技术也将不断发展和完善，生产建设项目水土保持动态监管工作将得到更加强有力的技术支撑。

[1] 刘震.总结经验 开拓创新 不断推进水土保持监督管理工作新发展[J].中国水土保持,2010(3)：1-3.

[2] 邝高明,亢庆,刘超群.基于高分辨率遥感和GIS的生产建设项目监管技术及示范[J].人民珠江,2016(4):97-101.

[3] 王旭,徐永花,李莉.遥感技术在环境科学领域的应用及其发展趋势[J].地下水,2007(3):69-71.

[4] 李智广,王敬贵.生产建设项目“天地一体化”监管示范总体实施方案[J].中国水土保持，2016(2):14-17.

[5] 李中良.北斗卫星定位导航系统态势与发展简述[J].商场现代化,2010(4):1-2.

[6] 杨洪泉.大众电子地图的应用现状及发展趋势[J].测绘通报,2014(11):37-41.

[7] 郭敏杰.大数据和云计算平台应用研究[J].现代电信科技,2014(8):7-11.

(责任编辑 张培虎)

水利部科技推广项目(SF-201606)；水利部综合事业局拔尖人才培养专项资金研究项目(20150608-01)

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1000-0941(2016)11-0004-05

亢庆(1973—)，男，河南济源市人，高级工程师，博士，主要从事水土保持监测、遥感应用研究工作。

2016-09-27