3S技术在公路环评中的应用

胡健波

(交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)

3S技术在公路环评中的应用

胡健波

(交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)

3S技术(遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS)作为3种空间高新技术系统，可满足快速高效的空间信息定位、提取和分析需要，已经在公路环评中得到广泛应用。在公路环评中应用3S技术的实践经验基础上，总结并通过具体案例展示了几个具有推广价值的用途，包括结合卫星遥感技术和全球定位系统的室内踏勘和现场导航、利用无人机航拍技术的环境敏感点详查与展示、利用地理信息系统的叠图分析、结合全球定位系统和地理信息系统的现场照片漫游展示，以供同行借鉴。

环境影响评价；公路；3S技术；现场踏勘；无人机

公路作为一种大型的线型基础设施，周边环境要素分布范围广、空间异质性高，其环境影响评价与空间位置密切相关(穿越或者邻近)。3S技术是遥感(RS)、地理信息系统(GIS)及全球定位系统(GPS)技术的总称，即RS的大面积获取地物信息的能力，GIS的空间查询、管理和分析能力，GPS快速精准定位的能力。这三种空间相关的高新技术系统可满足快速高效的空间信息定位、提取和分析的需要，已经在公路环评行业中得到广泛应用[1-3]。目前，比较专业的3S技术应用是利用卫星遥感技术制作公路沿线的土地利用和植被分布等大范围的小比例尺生态图件，而比较常见、简单的应用是利用手持GPS在现场踏勘时记录敏感点位置。随着技术的普及和大众化，3S技术应该在公路环评中发挥更大的作用。在参与公路环评项目的实践经验基础上，发掘了具有行业内推广价值的4种3S技术应用，并通过具体案例进行展示。

1 结合卫星RS和GPS的室内预踏勘和现场导航

传统的公路环评项目现场踏勘，尤其是在村镇密集、交通不便、高海拔、偏远等地区，面临着诸多困难[1]。由于踏勘区域范围大而且陌生，需要花费很大精力在定位和找路上，存在投入高、周期长、效率低等弊端。卫星遥感技术以其覆盖面广的优势被广泛应用到生态环境调查中，其优势在大型公路环评项目中得到了更好的体现[4]。现场踏勘前，通过卫星遥感影像可以在室内预踏勘，提前熟悉现场地形、植被、土地利用、噪声敏感点、河流等情况，减少现场踏勘的盲目性；识别地方公路、通村公路甚至田间小路，提前制定踏勘路线，避免因迷路而造成往返窝工；甚至可以在现场踏勘中途碰到交通意外堵塞时，及时调整路线。

最常用且免费的卫星遥感数据，主要来自以Google Earth为代表的数字地图或地球软件。Google Earth采用国际通用的WGS84坐标系，将数以TB计的亚米级分辨率卫星影像按照其地理位置贴在一个地球的三维地形上，以达到从卫星上俯瞰地球的逼真体验效果。虽然Google Earth不提供最新的卫星影像，但是用于帮助时效性要求不高的公路环评项目室内踏勘和现场导航已然足够。

结合卫星遥感技术和全球定位系统的室内踏勘和现场导航分三步：第一步是将公路线位文件(JPG等栅格图片或CAD矢量图形)转换成kml/kmz格式；第二步是在Google Earth中利用标注工具对感兴趣的目标和行车路线进行标注并保存；第三步是将公路线位和标注文件导入现场踏勘用的智能手机或平板电脑中(含有GPS定位模块并安装Google Earth等支持kml/kmz格式的地图软件)。

图1 Google Earth上的公路线位(红色线条)以及串联周边四处村庄的导航路线(黄色粗线)Fig.1 Road construction project (the red line), and navigation route (the bold yellow line) to four nearby villages

图1是利用卫星影像预先筛选声环境保护目标并制定现场踏勘路线的案例。根据经验，公路通车后的交通噪声影响范围一般不会超过200 m。经Google Earth卫星影像筛选，本案例的声环境保护目标包括程四淀村、小高庄村、小田庄村和小龙湾村，需要实地踏勘并做公众参与调查。程四淀村调查完毕后，去往小高庄村的交通十分不便，只有村间土路。最终通过卫星影像制定的导航路线，经过远离公路线位的A、B两个村庄，跨过津蓟高速的涵洞，再北上才能到达小高庄村。然后经过闫东渠的跨河小桥，方能到达小田庄村和小龙湾村。

2 利用UVA航拍技术的环境敏感点详查与展示

数码相机已经广泛应用于环评项目的现场踏勘中，然而受限于人的高度，无法用一张照片覆盖较大环境敏感点的全貌，只能拍摄一些重要特征以示其存在。例如，要表示公路设计线位距离某村庄很近，只能拍摄距离最近的几处房屋，表示线位附近有某学校这一噪声敏感点，只能拍摄学校的校门。卫星遥感技术则能够在非常高的位置俯瞰地球，然而也容易受云雾遮挡且分辨率有限。飞机是最佳的拍摄较大环境敏感点的平台，但是受到飞行场地、飞行条件和成本的严重制约。随着无人机技术(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)民用化进程的不断加快，低成本且高度自动化的航拍技术得以实现[5]，更具有体型小、机动灵活、方便快捷、易操控等诸多优点，应用于公路等线型工程周边环境调查十分可行[6-8]。例如，目前世界上最流行的DJI Phantom系列微型四旋翼航拍无人机，号称会飞的照相机，轴距35 cm，重量约1.4 kg，从起飞到百米高的空中拍照再降落这一完整过程耗时不超过5 min。在短暂的时间内，周边几百米范围内的景物瞬间全部被收入航拍照片中，效率高、成像分辨率高、无遮挡的优势突出。

图2 某设计公路(红色线条)附近的环境保护目标无人机航拍照片Fig.2 An UAV photo of the target that needs to be protected near a road construction project (the red line)

图2是青海民和(甘青界)至小峡(平安)段公路建设项目在工可阶段设计线位穿越的一处藏族村庄，社会影响十分敏感。该村以位于村北半崖上的白马寺(省级文物保护单位)命名，村民世世代代守护白马寺，补偿拆迁的难度极大；而且设计线位离寺庙较近，通车后交通噪声会对佛事活动产生较严重的影响。本案例中，无人机起飞和降落的地点是在白塔西侧约20 m处的空地上。从无人机航拍照片中可以清晰地辨认出白马寺的金顶和白墙，甚至台阶、立柱、帷帐等都清晰可见，根据以上特征能够确认该建筑是寺庙或者宫殿，足以引起现场踏勘人员的重视。另外，从照片中也可以判断在此处公路线位摆动余地不大，建议调整到既有高速公路南侧。如果不采用无人机航拍技术，很难用简短的文字准确描述本案例中寺庙、村庄、设计线位、既有高速公路之间的位置关系。

3 利用GIS的叠图分析

公路建设对环境的影响程度与空间位置密切相关，而空间分析是地理信息系统(GIS)的长项。将公路线位和环境图件叠合在一起，是常用的生态影响预测与评价方法——图形叠置法。该方法适用于具有区域性影响的特大型建设项目的环境影响评价[9]。叠图分析实用、简便，且非常直观，特别适合无界桩和围栏但有图纸的环境敏感区域的穿越、邻近程度分析[10]。目前，GIS已经成为了公路环境影响评价的常规手段之一[11-13]。

叠图分析的过程分两步：第一步是从公路设计图纸中提取出带有地理信息的公路线位，舍弃等高线、标注等要素；第二步是对环境图件进行几何纠正和坐标转换，使其与公路线位处于相同的坐标系之下。完成这两步之后，先后在GIS中加载并导出即完成叠图。由于两者均具有地理信息，可以直接利用GIS的测量工具对公路穿越或者邻近敏感区域的位置桩号、长度等进行测量，比较不同比选方案对敏感区域的穿越或者邻近程度，为公路线位环境比选提供依据。

图3 天津某公路(红色细线)与天津市域供水水源工程规划图叠加Fig.3 A road construction project (the red line) in Tianjin overlapped with Tianjin water source engineering planning

图3是天津武宁公路(宝坻宁河界—九园公路)与天津市域供水水源工程规划图叠加案例。现场踏勘前，通过叠图发现工程跨越引滦入港输水管线(K8至K9+500之间)和引滦入津明渠(终点)。然而，规划图仅用于示意，水渠的位置大致正确但宽度明显不准确，叠图可以确认工程跨越引滦入港输水管线，但具体桩号需要现场踏勘并走访主管部门后方能确定(实际位置是K9+200)，不能确认工程是否跨越引滦入津明渠，需要去现场核实(实际上并不跨越)。叠图分析可以用于公路穿越和邻近敏感区域的初步识别，但是准确程度取决于环境图件的比例尺及其准确性，具体细节需要核实。

图4 某公路沿线植被类型分布Fig.4 Vegetation type distribution along a road construction project

当环境图件是矢量图形而非栅格图片时，GIS还能在叠图后实现自动统计。图4为某公路沿线植被类型分布图。该案例中，公路线位存在4处比选方案，以卫星遥感解译得到的植被类型分布图为底图，叠图并自动统计得到不同比选方案占用的植被类型组成和面积。结果表明，A、B、C路线方案中，虽然推荐方案更长，占用更多土地资源，但是重要的耕地资源和针叶林占用得较少；E路线方案中，推线方案更短，而且占用更少的耕地。

4 结合GPS和GIS的现场照片漫游展示

公路环评中往往需要拍摄大量现场图片，记录邻近的居民住宅、学校，跨越的河流、植被等，同时记下拍摄位置、拍摄对象属性等信息，经挑选后作为报告书和评审汇报的佐证材料。然而，绝大多数最终用不上的照片，在挑选舍弃之前都经历了归类整理，造成较大浪费。另外，“桩号+方位+距离”的位置记录方式并不方便按图索骥，因为该设计公路尚不存在于现实世界中。

拍摄时利用全球定位系统(GPS)记录经纬度位置信息能够部分解决以上问题。现今，使用智能手机(含GPS模块和摄像头)或者GPS相机就能够保证拍摄和定位同步，照片文件中自动插入经纬度信息，但是经纬度信息仍然十分抽象，普通人不可能通过枯燥的经纬度数字对应地回忆起拍摄照片时的情景。结合GPS和GIS能够实现现场照片的自动归类整理和漫游展示，软件的高度自动化不用再为照片的数量而发愁。

仍然以Google Earth作为GIS的案例软件，因为Google Earth不仅具有支持照片定位展示的地理信息系统能力，还集成了大量高清卫星影像作为底图，起到印证现场照片的作用。过程只有一步，即利用Google公司的Picasa软件将所有含有经纬度信息的照片批量转换成kml/kmz格式文件，并在Google Earth中打开[14]。

图5是利用Google Earth对某敏感路段涉及的文物和旅游景点照片定位展示的案例。一处是洛哇邦卡摩崖造像,位于公路K4368+700处右侧60 m山体山脚下，为县级文物保护单位，是唐代石刻类遗迹；另一处是公路K4368+775处穿越的唐蕃古道(近代旅游建筑，无文物保护级别与要求)，公路建设可能涉及部分围栏和观景台的拆迁。此种展示方式，同时向浏览者提供了俯瞰和平视的效果，现场体验感很强。

图5 在Google Earth中定位展示现场照片Fig.5 Locate and demonstrate filed photos on Google Earth

5 结语

遥感技术是“天空之眼”，卫星或者飞机上的视角极大地拓展了大范围、远程观测现场的能力；地理信息系统是“智能地图”，轻松管理并分析海量的空间信息；全球定位系统是“虚拟向导”，时刻告知精准位置拒绝迷途。3S技术不能完全替代野外实地调查，但是能够极大地提高效率。公路环评项目中存在非常多的与空间相关的调查和分析工作，而这恰恰是3S技术的专长。本文通过4种具体案例总结并展示了3S技术在公路环评中的应用，旨在共同探讨和挖掘更多的应用潜力，以使3S技术更好地服务于公路环评以及其他非污染生态类环评项目。

[1] 苟亚青, 刘昕, 李思远, 等. 基于3S技术的青藏公路改建工程环境影响评价方法[J]. 中国环境科学, 2012, 32(10): 1914- 1920.

[2] 王召海, 刘建军. 基于3S的高速公路生态环境影响与评价[J]. 北方交通, 2008(2): 85- 88.

[3] 彭士涛. 基于3S技术的公路建设生态环境质量评价研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2006.

[4] 杨树文, 冯光胜, 高山. 宁武高速公路断裂构造遥感解译与评价研究[J]. 国土资源遥感, 2010(2): 73- 76.

[5] 董国忠, 王省书, 胡春生. 无人机的应用及发展趋势[J]. 国防科技, 2006(10): 34- 38.

[6] 吴东国. 基于四旋翼飞行器平台的低空遥感技术在公路环境调查中的应用[J]. 公路交通技术, 2012(6): 137- 138.

[7] 王文兵, 曹文勤, 李立, 等. 四旋翼无人机在输变电工程环评中的应用[J]. 环境影响评价, 2017, 39(2): 48- 51.

[8] 王晓臣, 朱京海, 梁婷, 等. 无人机遥感技术在生态环境影响评价中的应用研究[J]. 环境影响评价, 2015, 37(2): 70- 74.

[9] 环境保护部. HJ 19—2011 环境影响评价技术导则 生态影响[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2011.

[10] 交通部. JTG B03—2006 公路建设项目环境影响评价规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

[11] 沈寒, 唐平英. GIS技术在公路环境影响评价中的应用[J]. 公路与汽运, 2006(3): 50- 52.

[12] 张晓峰, 王洁. 公路网规划环境影响评价方法研究[C]//全国规划环境影响评价技术与管理优秀论文集, 2007.

[13] 胡孟春, 马荣华, 唐晓燕, 等. 江苏规划高速公路网生态环境影响研究[J]. 农村生态环境, 2005, 21(4): 1-5.

[14] 王泽泉. 利用Google Earth标示图片位置[J]. 中国西部科技, 2008, 7(33): 89- 90, 94.

Application of 3S Technology in Road EIA Projects

HU Jian-bo

(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Laboratory of Environmental Protection in Water Transport Engineering, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China)

3S technology, as an abbreviation of three high-tech space technologies (Remote Sensing, Geographic Information System, and Global Positioning System), is used to fulfill rapid and efficient spatial information positioning, extraction and analysis needs, and has been widely used in road EIA projects. Based on rich practical experience of 3S technology application in road EIA projects, this paper summarized and showed several useful case studies, including using satellite imagery and GPS to survey indoor and navigate outdoor, using unmanned aerial vehicle for detailed surveys of environmentally sensitive areas, using GIS for overlay analysis, and combining GPS and GIS into field photos roaming. The 3S technology application cases above do not represent all, and we hope they can be used as references for the industry.

environmental impact assessment; road; 3S technology; field survey; unmanned aerial vehicle

2016-11-28

胡健波(1982—)，男，浙江宁海人，高级工程师，博士，主要研究方向为遥感技术在交通环保领域中的应用，E-mail：whogamble@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.03.015

X820.3

A

2095-6444(2017)03-0056-05