3S技术在生产建设项目水土保持“天地一体化”中的应用

李智勇，陈梦雪

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

近年来，随着我国经济的高速发展，城市化、基础设施建设的快速发展，生产建设活动导致的水土流失日益严重。根据中国水土保持公报统计显示，2016年全国共审批生产建设项目水土保持方案25197件，设计水土流失防治范围达11592.14 km2[1]。从多年对生产建设项目水土保持检查情况看，20%的建设项目仍然以主体工程监理代替水土保持监理，50%的建设项目聘请了水土保持监理，但现场监理只是调查和收集水土保持工程资料，几乎没有发挥监理作用，只有30%的建设项目聘请的水土保持监理真正发挥监理的作用[2]。对于大范围内生产建设项目水土保持监督管理，需要对调查数据和信息从宏观到微观、从定性到定量进行专业统计分析，利用传统的监测手段难以实现有效的监督和管理。

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。2017年3月，水利部《全国水土保持信息化工作2017 — 2018年实施计划》（办水保〔2017〕39号）明确提出了“天地一体化”监管分步实施。

2 3S关键技术

全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）是目前对地观测系统中空间信息获取、储存管理、更新、分析和应用的3大支持技术，通常称为3S技术[3]。GPS系统可以精确获取生产建设项目侵蚀量的调查、坡度量测工作和图斑的跟踪、补测、补绘和更新工作。通过DGPS精确定位，实时测量图斑面积，建立图上面积与实际面积的数学关系，提高遥感图像分类的精度。而基于RS技术的土地分类系统具有覆盖面广、宏观性强、快速、多时相等特点，能快速获取所需的空间地理要素（包括地貌、地形、水文、土壤、植被等）。GIS是对多种来源的数据综合处理、集成管理、动态存取，作为数据管理的基础平台。

生产建设项目“天地一体化”监督管理系统是空间信息获取、更新、处理和应用系统，包括数据获取和更新体系、数据库体系、网络体系等。

（1）数据获取和更新体系：数据获取包括基础数据和本底数据。其中，基础数据包括监测区域内遥感影像、无人机或航拍影像的收集；本底数据包括首次开展天地一体化监管工作时收集的已经批复水土保持方案等相关资料。

（2）数据库体系：数据库体系是生产建设项目“天地一体化”监督管理系统的核心，建立数据库是一项非常庞大的工作。包括卫星数据库集、防治范围数据库集、专题信息数据库集、解译标志数据库集、数据集元数据库等。建立应用数据库的内容包括：空间数据库、属性数据库、空间数据库和属性数据库的关联等。

（3）网络体系：网络体系是空间数据查询、交换和更新的基本途径。对获取海量的遥感影像数据处理、传输、分辨和压缩技术的要求也越来越高。监测图斑的空间数据和属性数据以及其他数据，由于存储容量的限制，在集中存储和管理的基础上，服务端可利用云计算技术提高存取及更新的速度。采用PDA移动终端设备，可在监测现场及时发送采集信息至管理系统，可大大提高信息共享能力及历史数据管理能力。

3 技术路线

生产建设项目水土保持“天地一体化”监管包括区域监管和项目监管。各级水行政主管部门根据实际需求综合运用2种监管模式。其主要工作内容：资料准备、遥感监管、资料整理与审核评价。技术路线见图2。

图2 天地一体化技术路线图

3.1 资料准备

生产建设项目水土保持方案报告书（报批稿）、报告表、登记表、批复文件、防治责任范围图等资料，每年批复的水土保持方案等资料。基准年份收集的高分遥感影像、中分遥感影像、无人机航拍影像。

收集的生产建设项目设计资料无电子图件的需进行空间化和图形化处理，水土流失防治责任范围图采用空间定位、地理配准、几何校正等方法，获得具有空间地理坐标信息和属性的矢量图。收集到的遥感影像，云量一般不超过5%，影像清晰、地物层次分明、色调均匀，尽可能保证数据源单一，优先选用蓝光、绿光、红光、近红外波段的遥感影像。

国内常用遥感卫星参数见表1，监测区域的调查频次理论上由卫星重复周期决定，1 a可4次全覆盖，但由于南方地区云雨天气因素影响，一般有2次覆盖，也可用中分遥感影像补充，对重大建设项目可用无人机获取监测区高精度正射影像图。

表1 常用高分遥感数据适用性表

3.2 遥感监管

3.2.1 遥感影像处理

由于获取多源数据传感器的因素，一些遥感图像中出现周期性的噪声，因此应首先进行预处理，消除或减弱周期性噪声和尖锐性噪声，除坏线和条带，对薄云减弱处理，同时由于太阳高度角的原因，有些图像出现山体阴影，采用比值法消除。对遥感影像进行正射校正、信息增强、融合、镶嵌等处理，并同时保留影像镶嵌线矢量文件。遥感影像处理流程见图3。

图3 遥感影像处理流程图

经过正射校正的遥感数据产品，特征地物点相对于基础控制数据上同名地物点的点位中误差平地、丘陵地区不大于1个像元，山地和高山地区不大于2个像元。特殊地区可放宽0.5倍，取中误差的2.0倍为其限差[4]。

3.2.2 解译标志建立

为了统一解译标准、提高解译精度，以影像上所反映出来的目标的形状、大小、色调（或色彩）、阴影、纹形图案、位置布局及活动等特征，结合野外调绘，建立监测区的遥感影像判读标志。通过遥感影像解译样本采集、光谱及特征信息、遥感影像信息提取特征知识及规则集构建技术，建立遥感影像解译样本及专家知识数据库，实现基于遥感影像的地表覆盖和变化检测信息流程化、自动化、快速提取，提高遥感影像专题信息的提取的工作效率和成果精度。

选取面向对象的分类方法，利用多尺度分割，将影像分为若干个满足拓扑关系的影像对象，参考已有的其他信息，对影像对象进行分类。每种生产建设项目的解译标志不少于2套，弃渣场解译标志不少于3套。解译扰动图斑边界相对于处理后的遥感影像上的同名地物点位移不大于1个像素。

3.2.3 遥感图斑勾绘

根据处理后的遥感影像采用人机交互解译或面向对象分类解译后，在ARCGIS中对监测区域的生产建设项目扰动图斑进行勾绘。原则上，最小成图面积≥4.0 mm2的扰动图斑均要开展遥感解译工作。遥感影像空间分辨率与扰动图斑最小面积对应关系见表2。

表2 遥感影像空间分辨率与扰动图斑最小面积对应关系表

3.2.4 现场复核及扰动图斑更新

对面积大于1 hm2（可根据需要调整大小）的“疑似未批先建”“疑似超出防治责任范围”和“疑似建设地点变更”的图斑，抽取一定数量重点现场复核。县级抽查不少于总图斑的10‰，省级扰动图斑现场复核不少于总图斑5‰ ～10‰，流域性复核数量不少于5‰。复核内容包括项目基本信息、位置、水土保持工作信息、图斑信息。准备好生产建设项目监管复核信息表和现场复核工作底图，辅助达到生产建设项目现场扰动图斑边界的现场复核，并用相机拍摄生产建设项目现场照片，以及利用GPS记录经纬度信息。

根据现场复核成果，对遥感调查结果进行修正，主要包括：完善扰动图斑和防治责任范围属性信息、删除误判的生产建设项目扰动图斑、合并属于同一个生产建设项目的相邻扰动图斑、分割包含不同生产建设项目的扰动图斑。

3.2.5 合规性分析

利用GIS强大的空间分析优势，对防治责任范围、扰动图斑矢量数据进行叠加分析，根据2类对象的空间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，并对图斑进行属性标识和预警展示。并结合防治责任范围、水土保持措施布局、水土流失防治分区等矢量图文件，进行合规性详查。合规性分析主要设计扰动范围矢量文件（红线表示）和防治责任范围（蓝线表示）矢量文件空间拓扑关系见图3[4]。

图3 合规性分析图

4 3S技术优势分析

3S 技术在生产建设项目水土保持“天地一体化”中的应用具有以下优势：

（1）GPS采集数据精度高。GNSS 网络RTK 拥有的多卫星数据源、强信号、快定位的测量技术有效克服了常规RTK 的不足，在CORS 网覆盖范围内均可获得差分信息，对用地区域进行精确、快捷、实时定位。网络RTK 技术既能实时测定界线坐标，又能根据防治责任区坐标快速实地放样。

（2）RS 信息获取量大。资源三号卫星、高分一号、高分二号等高分卫星可快速获取大范围监测区域影像，其分辨率高、实时性强、易判别地物等特点。重点项目可利用无人机航测技术或倾斜摄影技术，可获取正射影像图或建立监测区域三维模型，对弃土量进行计算。

（3）GIS数据空间分析功能强大。空间分析是地理信息系统的核心和关键功能之一。空间分析中叠加分析和缓冲区分析，可快速完成对地理数据的检索、查询，对地理数据的长度、面积、体积等的量算和统计。

5 结 语

采用传统的水土保持监测，由于覆盖范围广，耗费人力、物力，工作时效性也不强。水土保持“天地一体化”技术是基于多尺度遥感数据、GIS技术、GPS定位技术、无人机、互联网等技术应用的信息化集成技术。通过采用高分辨率影像解译、无人机遥测、移动采集系统和现场调查等技术手段，可快速获取扰动地块边界、扰动地块面积、渣场位置等重点部位，为生产建设项目水土保持动态监管工作提供了强有力的技术支持。