生产建设项目水土保持“天地一体化”监管技术应用

黄颖伟，王岩松，张 野，刘建祥，陈发先，武 敏，范昊明(.沈阳农业大学 水利学院，辽宁 沈阳 0866； .松辽水利委员会，吉林 长春 0000；.辽宁省水土保持局，辽宁 沈阳 000)

在我国现代化进程和城镇化速度不断加快的背景下，各类生产建设活动日趋频繁，由此导致的土壤侵蚀日益严重，对生态安全构成了严重的威胁[1]。国家严禁各类环境违法违规行为，对在建设过程中造成水土流失的项目加大了监督执法力度[2]。目前，生产建设项目监督检查一般采用地面调查的手段进行实地勘测，外业工作量大、效率低、精度有限，特别是对一些监测人员难以到达的区域，无法获取数据，很难实现对生产建设项目进行全面监督检查。

随着现代空间技术的快速发展，“天地一体化”技术在资源环境等领域已经试验先行，为生产建设项目水土保持监管提供了借鉴。本文以RS和GIS为基础，采用遥感影像调查与现场复核相结合的手段，在千山区开展生产建设项目水土保持监管工作，掌握生产建设项目的数量、扰动状况及其动态变化情况，为水土保持监督检查工作提供必要的信息和基础数据，实现对区域内生产建设项目的快速调查和全面监管。

1 “天地一体化”技术及其在水土保持领域的应用

1.1 “天地一体化”技术

传统的陆地信息系统已难以满足现代社会纷繁复杂的信息需求，而空间信息系统在覆盖面积、接入速度、时效性、精度等方面都具有明显的优势[3]，因此必须充分利用空间信息传输的优势，建立起集信息获取、分析、管理、传输、存储、应用于一体的科学技术体系。随着遥感等空间信息技术的日益成熟，逐渐形成了能够满足多种应用需求的对地观测体系[4]，通过航天航空飞行器、卫星应用系统等多种平台对地球进行探测，能够获取地球表面的各种信息，为不同用户的数据提取与分析提供基本保证[5]。

“天地一体化”是综合利用多尺度遥感、GIS、空间定位、互联网、移动通信等技术的新型信息化技术[6]。该技术将天基信息系统中彼此独立或相关的各种空间信息系统与地面应用、控制系统等地面基础设施深度融合，充分发挥天、地信息技术各自的优势，根据不同用户的需求对天地采集、传输、处理的多源时空信息进行集中管理、分析、存储，使得原来封闭、孤立的信息能够进入通达的信息系统，实现复杂时空环境下信息资源的互联互通、综合处理和高效利用，更好地为用户服务。

1.2 “天地一体化”技术在水土保持领域的应用现状

随着航空航天及对地观测技术的发展，“天地一体化”技术结合了空间技术与地面技术的优势，具有实时性强、覆盖面积广、准确、快速、高效等特点，在资源环境等领域已经得到了广泛的应用[7]。目前该技术在水土保持领域的应用主要体现在土壤侵蚀普查、水土流失动态监测等方面。广东省先后三次运用遥感技术进行了土壤侵蚀现状调查，并对后两次的调查成果进行了对比分析，掌握了不同时期的土壤侵蚀状况及动态变化趋势，同时建立并完善了土壤侵蚀数据库[8]。李斌斌等[9]在定位监测的基础上采用遥感调查的方法，获取了监测对象施工前后的水土流失精确数据，并对土地利用及土壤侵蚀情况进行了分析。周乐群等[10]运用“3S”技术监测了三峡库区两期水土流失和水土保持的动态变化情况，并利用监测成果建立了水土保持数据库，同时开发了水土保持遥感动态监测系统，辅助水土保持监测监管工作。

RS与GIS技术结合应用于水土保持监测，极大地提高了监测水平。北京市将遥感等空间技术应用于水土保持执法，并构建了生产建设项目卫星遥感监察系统，实现了对生产建设项目的动态监测及监测数据一体化管理[11]。随着“3S”技术及计算机网络技术一体化的发展，不同空间尺度的生产建设项目水土保持监管有了新的技术支持。

2 生产建设项目水土保持监管现状及“天地一体化”监管技术

2.1 生产建设项目水土保持监管现状

据水利部发布的《中国水土保持公报》数据显示，2015年水利部及各省(自治区、直辖市)共审批生产建设项目水土保持方案29 635个，涉及水土流失防治责任范围13 533.72 km2。由此可知，我国生产建设项目数量繁多，扰动土地面积广阔，生产建设项目水土保持工作不容忽视。

生产建设项目水土流失具有时空不均衡性、突发性、强度高、危害大等特点。因此，加强生产建设项目监管已成为水土保持工作的重要内容。生产建设项目水土保持监管侧重于对生产建设项目水土保持方案批复情况、项目类型、扰动面积、防治责任范围等监管指标进行管理，监管工作涉及范围广、任务重，目前多采用查阅档案资料、实地测量、交谈询问等方式对各项目逐一开展具体调查，耗费人力、物力、财力多，时间周期长，工作的时效性不强[12]。

为了解决生产建设项目监管困难的问题，使水土保持监管工作时效性更强、监管更精准、成效更显著，需要创新监管思路和方法，将遥感技术与地面监督检查相结合，形成“天地一体化”的监管模式[7]，从而实现对所有生产建设项目的水土保持状况进行实时、准确、全面的监督检查。

2.2 生产建设项目水土保持“天地一体化”监管技术

生产建设项目水土保持“天地一体化”监管技术是在GIS技术支持下，通过对高分辨率遥感影像进行解译得到区域生产建设项目扰动图斑，将扰动图斑与矢量化的水土流失防治责任范围图进行空间叠加分析，根据二者的空间位置关系对生产建设项目扰动状况进行合规性判别，即判断是否存在未批先建、扰动图斑超出防治责任范围等违法行为，从而获取相关基础数据，为水土保持监督管理处罚提供证据[13]。

将RS与GIS技术相结合用于生产建设项目监管，可以快速高效地获取生产建设项目的数量、空间分布、占地面积及周边环境的基础信息，实现对生产建设项目的全面监管，能有效提高水土保持监管工作的技术水平和工作效率。

3 千山区生产建设项目“天地一体化”监管工作

3.1 监管方法及技术路线

选取辽宁省鞍山市千山区为监管示范试点，千山区行政区划调整前总面积为542.96 km2。以经过专题信息增强、影像融合、影像镶嵌等预处理的高分一号影像(空间分辨率为2 m)、资源三号影像(空间分辨率为2.1 m)为数据源，提取研究区内扰动地面，结合扰动图斑样本数据，通过人工判读筛选出研究区范围内生产建设项目扰动图斑。将防治责任范围与之叠加，判断生产建设项目的合规性，并对合规性分析的结果进行现场复核。技术路线如图1所示。

3.2 遥感调查主要过程

千山区于2015年和2016年分别进行了一次生产建设项目扰动状况遥感调查工作，主要包括解译标志建立、扰动图斑解译、防治责任范围上图、合规性分析、现场复核、扰动图斑动态更新等方面。

3.2.1 扰动图斑解译

采用目视解译的方法对生产建设项目扰动图斑进行遥感解译，在通过野外调查建立不同类型生产建设项目解译标志的基础上，根据遥感影像特征并参照Google Earth对扰动面积在0.1 hm2以上的扰动地块进行全部勾绘。

3.2.2 防治责任范围上图

通过水保方案等资料获取项目位置、经纬度坐标等信息，结合Google Earth等商用地图软件，初步确定项目在遥感影像上的大致位置。通过扫描将纸质防治责任范围图件转为电子图件，利用ArcGIS软件，在统一的坐标系下，以遥感影像为参考进行地理配准，勾绘防治责任范围边界、录入属性数据，完成防治责任范围的矢量化。由于收集的防治责任范围资料技术标准不统一，可针对不同的资料采取不同的配准方法：

(1)带有准确坐标信息或者拐点坐标明确的防治责任范围图，直接通过坐标转换，提取防治责任范围矢量数据。

(2)具有公里网的防治责任范围图，直接以公里网格交点的X、Y坐标作为校正基准点进行配准，然后再勾绘防治责任范围矢量边界。

(3)对无法获取坐标信息的防治责任范围图，采用基于特征点的配准技术。在防治责任范围图和遥感影像上找到同名地物点或者特征点(如道路、河流交叉点，建筑物角点等)作为控制点，通过建立控制点之间一一对应关系，将防治责任范围图配准到遥感影像中。

3.2.3 合规性分析

运用ArcGIS软件的空间叠加分析功能，根据扰动图斑与防治责任范围的空间位置关系判别生产建设项目扰动状况的合规性，并将各图斑的合规性录入到扰动图斑矢量图层的合规性属性字段。其技术流程及叠加分析结果见图2。

3.2.4 现场复核

在完成合规性分析等工作的基础上，开展生产建设项目扰动状况现场复核工作。通过现场调查对千山区所有需要复核的生产建设项目的位置、面积、边界等指标进行现场采集。主要工作流程及要求如下：

(1)制作现场复核工作底图和复核信息表，准备相机、GPS等设备；

(2)在现场复核过程中，需要了解项目基本情况和建设情况，复核项目水土保持工作及存在的问题，收集项目水土保持相关资料和证明材料；

(3)复核扰动图斑边界，对于存在问题的扰动图斑在现场复核工作底图上进行标注；

(4)填写生产建设项目监管示范复核信息表，拍摄现场照片。

现场复核结束后需要根据调查资料对室内的初步解译结果进行修正，主要是合并属于同一个生产建设项目且地理位置相邻的扰动图斑，对位置相连但属于不同生产建设项目的扰动图斑进行边界分割，由此得到千山区扰动图斑分布图。

3.2.5 扰动图斑动态更新

基于千山区2015年遥感调查结果和2016年遥感影像对2016年发生变化的扰动图斑(扩大、缩小、新增、消失)进行更新和完善，主要包括调整原图斑边界、勾绘新出现的扰动图斑、删除已经建成不存在扰动的图斑。动态更新后对变化的扰动图斑再次进行合规性分析、现场复核等工作，并根据现场复核结果修正2016年遥感调查结果，形成2016年扰动图斑矢量数据。

3.3 调查结果及分析

(1)千山区2015、2016年生产建设项目涉及的扰动图斑数量分别为160个和153个，涉及面积分别为6 317.97和6 322.41 hm2。与2015年相比，2016年千山区生产建设项目扰动图斑的数量减少了7个，但扰动面积总体上呈现增加趋势(增加了4.44 hm2)。两年间，千山区生产建设项目扰动图斑的数量及面积变化不大(如图3所示)，有9个图斑的扰动范围发生扩大或缩小；没有新增的扰动图斑；有7个图斑已经进行地表恢复不存在扰动。2015、2016年图斑变化较小的原因是：①两次调查影像时间间隔较短，地物变化不明显。②一般情况下，矿山开采达到一定范围后不会进行扩界开采，而是向地下深处开采，因此地面扰动范围不会明显变化。图斑扰动范围扩大、缩小的原因可能是：①项目开工后，施工范围逐渐扩大，造成扰动面积增加，而选矿过程中排泄的尾矿在尾矿库中积累，造成库区扰动面积增加；②项目接近完工，逐步进行恢复，扰动范围相应减小。

(2)千山区扰动图斑包含的项目类型有露天金属矿、露天非金属矿、加工制造类项目、房地产工程、堤防工程、社会事业类项目等。造成土地的扰动主要集中在露天金属矿、 露天非金属矿这些矿产资源开采类项目，该类型项目扰动土地面积占总扰动面积的比例最大，2015、2016年分别为82.42%、82.96%。这种现象与千山区所处的大地构造有关，区域内矿产资源储量丰富，藏有大量的铁矿石、花岗岩、石灰石、硅石、页岩石等金属和非金属矿藏，使得矿产资源开采类项目在千山区生产建设项目中占有较大的比重。

(a)扰动图斑数量

(b)扰动图斑面积

(3)按照合规性分析方法，对千山区生产建设项目扰动范围合规性进行判别，对生产建设项目扰动图斑进行统计，发现该区域2016年调查阶段共有153个扰动图斑，其中合规4个，超出防治责任范围11个，未批先建138个。对千山区2015、2016年扰动图斑调查成果矢量数据进行叠加对比分析，从而根据图斑扩大缩小、未批先建等情况有针对性地对生产建设项目进行现场监督检查。

4 结论与讨论

采取“天地一体化”技术对千山区生产建设项目进行监管，准确获取了该地区生产建设项目的扰动状况、数量及分布情况。同时，运用GIS技术提取生产建设项目扰动图斑并判断其合规性情况的可靠性，通过野外调查得到了验证。

综合利用遥感及地面调查技术对生产建设项目进行动态监测监管，不仅能够对区域生产建设项目进行全面调查，解决由于生产建设项目数量和类型繁多而造成水土保持监管信息缺失的问题，而且能够从各类生产建设项目中确定疑似违规的项目或重点部位，然后有针对性地对造成严重水土流失的违规项目进行现场督查、动态追踪。遥感监测为生产建设项目监管提供了客观、真实的数据，对地面调查结果起辅助验证作用；地面调查可以对遥感监测能力的不足之处加以弥补，同时也能对遥感识别与提取的信息起到验证作用。两者优势互补，降低了监督检查的难度，提高了监管工作的效率和准确性。

在实际工作中，由于水土流失防治责任范围图没有统一的制图标准、缺乏规范性要求，造成防治责任范围图制图不规范，难以满足生产建设项目“天地一体化”监管工作的上图要求，建议相关部门制定规范性制图标准，以保证防治责任范围上图工作顺利开展。限于当前技术条件，土地利用信息提取仍主要采用人工目视判读的方法，不仅工作量较大，而且难以判断造成扰动的生产建设项目的类型，特别是对矿产资源开采类项目，若要识别矿区的开采状态及是何种矿物开采造成的土地扰动还存在一定的难度，技术手段还有待进一步提高，这也是今后研究的重要方向。

生产建设项目水土保持“天地一体化”监管技术已经开始探索性应用，未来结合更加细化的行业需求，需要开发定制配套的应用软件，未来的水土保持监管工作也需要更多的专业技术人员。随着相关技术的发展和完善，“天地一体化”技术将逐步走向成熟，生产建设项目水土保持监管工作将得到更好的技术支撑。

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