卫星遥感与无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监管中的应用——以晋陕蒙接壤地区部批生产建设项目为例

王新星，刘 涛，董亚维，边 峰，李 昊

(1.黄河上中游管理局，陕西 西安 710021； 2.西北林业调查规划设计院，陕西 西安 710048；3.黄河流域水土保持生态环境监测中心，陕西 西安 710021)

随着社会经济的快速发展，各地生产建设活动愈加频繁，造成的人为水土流失也愈发严重[1]。当前人为水土流失防治能力与实际需求之间还存在明显差距，水土保持工作面临的主要矛盾已经转化为人民对水生态和生态环境的需求与水土保持监管能力不足之间的矛盾[2]。2018年，水利部鄂竟平部长明确提出了“把工作重心切实转变到监管上来，在监管上强手段，在治理上补短板”的水土保持工作总要求。目前，生产建设项目水土保持监管仍存在一定的不足和短板，传统的监管方式和技术已不能满足日益严格的“强监管、补短板”要求，加快信息技术与水土保持核心业务领域的充分应用与深度融合，利用遥感技术和部门信息共享机制，实现生产建设项目区域信息化监管全覆盖，是新时代水土保持工作的重点任务[3]。本研究以晋陕蒙接壤地区水利部批复水土保持方案的生产建设项目(以下简称“部批生产建设项目”)为例，尝试探索高分辨率卫星遥感和无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监管中的应用。

1 研究区概况

晋陕蒙接壤地区位于山西省西北部、陕西省北部和内蒙古南部的三省(自治区)接壤地带，总面积5.44万km2。研究区地貌以黄土丘陵沟壑和风沙滩地为主，为半干旱大陆性季风气候区，气候特点是干旱、少雨、多风、蒸发量大；地表植被稀疏，生态环境脆弱，自然灾害频发，水土流失严重，是黄河粗泥沙的主要来源区，属国家级水土流失重点治理区。区域内生产建设项目众多，资源开发与环境保护矛盾突出，是造成严重水土流失的重要原因之一。

2 技术路线与研究方法

2.1 技术路线

搜集晋陕蒙接壤地区在建部批生产建设项目水土保持方案，将防治责任范围图矢量化，并获取弃渣场选址信息；采用高分辨率卫星遥感影像，解译提取部批生产建设项目扰动图斑，将扰动图斑与防治责任范围图进行扰动合规性对比，判定扰动合规性，发现项目地点规模变化、超防治责任范围扰动、新设弃渣场未经原审批机关审批(以下简称“未批先弃”)等问题；选择重要弃渣场进行无人机遥感调查，提取弃渣场扰动范围、弃渣量、水土保持措施等信息；水土保持监管部门根据以上调查结果，对生产建设项目水土保持工作进行监管。技术路线如图1所示。

2.2 研究方法

2.2.1 遥感影像数据源

本研究遥感影像数据源为国产资源三号和高分一号全色、多光谱卫星影像，影像获取时间为2015年9—10月和2016年9—10月，资源三号全色影像空间分辨率为2.1 m、多光谱影像空间分辨率为5.8 m，高分一号全色影像空间分辨率为1 m、多光谱影像空间分辨率为4 m。原始遥感影像经几何处理、正射纠正、地理配准、融合处理、镶嵌和裁剪等流程，形成了清晰度、层次感、色彩饱和度、信息丰富度好的遥感影像，扰动图斑影像特征与其他地物差异明显。

图1 技术路线

2.2.2 防治责任范围矢量化

搜集晋陕蒙接壤地区在建部批生产建设项目水土保持方案和防治责任范围图，将防治责任范围图矢量化，经项目位置初步定位、防治责任范围图与遥感影像配准、防治责任范围边界勾绘、防治责任范围属性数据录入等环节，形成含空间信息和属性信息的矢量图。

2.2.3 扰动图斑提取

(1)现场调查与解译标准建立。选取不同类型典型生产建设项目，开展野外现场调查，根据遥感影像特征和现场调查结果，建立不同类型生产建设项目和弃渣场解译标志，形成能够反映各种地物类型的解译标志体系。

(2)扰动图斑提取。采用面向对象的影像自动分类和人机交互目视解译相结合的方法，提取面积大于0.1 hm2的扰动图斑。基于eCognition 9.1平台，利用高分遥感影像特有的光谱、纹理、层次和形状特征，对遥感影像进行多尺度分割，生成影像多边形对象；基于影像对象特征建立类似人类思维的自动分类知识库，采用决策树分类算法开发自动分类规则集，对扰动图斑信息进行自动提取；基于ArcGIS软件平台，根据遥感影像特征和解译标志，采用人机交互目视解译方法，对面向对象自动分类过程中出现的错分、漏分图斑进行检查、修改和再提取，形成扰动图斑矢量数据图层。

(3)野外验证与扰动图斑修正。对扰动图斑的初判成果和疑难图斑进行野外验证，对解译标志进行补充，根据野外验证后的成果对扰动图斑进行边界完善，剔除非生产建设项目扰动地块的裸地、居民地、居民扰动等。

2.2.4 扰动分析

(1)动态对比分析。将2015年和2016年扰动图斑进行对比，分析扰动动态变化。若某个扰动图斑2015年不存在，在2016年扰动图斑中出现，则判定为“新增”，如图2所示；若某个扰动图斑2015年已经存在，2016年也存在且相连处有新扰动，则判定为“扩大”，如图3所示；若某个扰动图斑2015年已经存在，2016年也存在且未发生变化，则判定为“未变”，如图4所示。

(a)2015年无扰动 (b)2016年扰动图斑

图2 内蒙古某煤矿项目弃渣场扰动动态变化

(a)2015年扰动图斑 (b)2016年扰动图斑

图3 内蒙古某煤矿项目扰动动态变化

(a)2015年扰动图斑 (b)2016年扰动图斑

图4 内蒙古某煤矿项目扰动动态变化

(2)扰动合规性分析。将生产建设项目防治责任范围边界和扰动图斑进行叠加分析，判断扰动图斑是否超出防治责任范围，未超出防治责任范围的判断为“合规”，超出防治责任范围的判定为“超防治责任范围扰动”，并计算超出防治责任范围的扰动图斑面积占防治责任范围的比例。若超出防治责任范围面积大于20%，则按照规定应变更水土保持方案并报原审批机关审批；若某项目扰动图斑与防治责任范围地点不一致或扰动范围远超防治责任范围，则可初步认为项目地点或规模发生变更，需进一步调查确认。

根据扰动图斑提取结果，对比水土保持方案弃渣场选址，判定弃渣场合规性，凡弃渣场扰动图斑与水土保持方案中弃渣场选址不一致的判定为未批先弃。

2.2.5 弃渣场无人机遥感调查

(1)调查对象选取。根据水土保持方案资料和遥感影像解译成果，按照扰动面积广、弃渣量大、未批先弃或下游有居民区、重要基础设施等原则，选择15个弃渣场作为调查对象，其中6个井采煤矿排矸场、9个铁路工程弃渣场。

(2)调查任务。在降水量较多的7、8、9月，每月进行一次无人机遥感调查，获取弃渣场实景三维模型、正射遥感影像及数字地表模型，提取弃渣场的位置、面积、堆渣高度、边坡坡度、渣体方量、水土保持措施等相关数据。

(3)原始数据获取。采用大疆精灵3专业版无人机进行遥感影像数据获取，规划飞行高度100 m，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，根据相应比例尺要求的密度，测量地面的控制点，生成无人机航拍的原始数据。

(4)数据提取和处理。使用Pix4D mapper软件处理原始数据，形成数字表面模型(DSM)、数字正射影像图(DOM)和三维模型等成果，如图5、6、7所示。在ArcGIS中，利用DSM和DOM成果，获取经纬度、高程等位置信息；在Pix4D mapper软件中，利DOM成果，勾绘出弃渣场的范围，获取弃渣场面积；利用DSM成果，量算堆渣高度、坡度，勾绘弃渣场的范围，通过已知控制点与设计方案中的地形数据进行挖填方计算，获取弃渣量。弃渣场土地整治面积、截排水沟长度、拦挡工程长度、路基工程护坡面积等水土保持工程措施指标从三维模型上测量；林草面积、临时排水沟长度、临时拦挡长度、苫盖面积等临时防护措施，利用DOM成果，在 ArcGIS中量算。

图5 某煤矿排矸场DSM影像

图6 某煤矿排矸场DOM影像

图7 某煤矿排矸场三维模型

3 结果分析

3.1 卫星遥感

本研究共搜集24个在建部批生产建设项目水土保持方案资料，其中公路项目1个、铁路项目2个、输变电项目1个、水工程项目1个、矿产和石油天然气开采及冶炼项目19个，获取防治责任范围矢量图24个，建立遥感解译标志21套，提取了24个项目的扰动图斑。结果显示，16个项目扰动图斑超出防治责任范围，但超出防治责任范围面积小于20%，不需变更水土保持方案；发现弃渣场23个，其中未批先弃弃渣场12个，主要为铁路和煤矿弃渣场。监管部门根据调查结果下达整改意见，要求超防治责任范围扰动项目严格控制作业范围，减少地表扰动破坏，并对超防治责任范围扰动区域进行治理恢复，要求未批先弃项目清理弃渣或履行弃渣场变更手续。

3.2 无人机遥感

本研究从卫星遥感影像发现的23个弃渣场中选择15个弃渣场作为调查对象，其中12个为未批先弃弃渣场、3个为水土保持方案确定的弃渣场。调查了弃渣场弃渣面积、弃渣量、渣体边坡坡度、堆渣高度及动态变化。以某煤矿排矸场为例(表1)，该排矸场设计面积为13.91 hm2，实际弃渣面积16.24 hm2，超出设计面积2.33 hm2；设计弃渣量135.5万m3，实际弃渣量50.0万m3，未超设计弃渣；渣体边坡坡度30°，堆渣高度52.0 m。水土保持措施调查结果如表2所示，工程措施中拦矸坝、陡坡排水沟、下游排水明渠、消力池、土地整治等措施落实较好，表面排水沟相比设计少修建了573 m；植物措施沟道防护林落实到位，排矸场绿化面积少了4.93 hm2；临时措施落实较差，表土剥离、防护网基本未实施。

表1 某煤矿项目排矸场扰动情况调查结果

注：对比值为调查结果和设计值的差值，下同。

总体上看，3个水土保持方案确定的弃渣场弃渣面积、弃渣量均未超过水土保持方案设计(其中1个在调查期间产生了新的弃渣)，基本按照水土保持方案实施了防治措施。未批先弃的12个弃渣场(其中1个在调查期间产生了新的弃渣)水土保持措施整体实施较差，其中6个基本未实施水土保持措施，6个部分实施了拦挡、截排水、边坡防护措施。

表2 某煤矿项目排矸场水土保持措施调查结果

4 讨 论

4.1 卫星遥感技术在生产建设项目监管中的应用

传统的生产建设项目水土保持监管方式主要为现场检查，存在较多限制和缺陷。一是效率低，成本高，需耗费大量时间和人力、物力，要赶赴各个项目施工现场；二是不全面，线型分布的生产建设项目扰动范围广、跨度大，如铁路、公路项目可长达数百公里，且部分路段交通不便、难以到达，不可能实现全面检查，往往产生监管漏洞；三是不及时，现场检查一般一年检查一次，对随时可能产生的水土流失无法快速、及时发现，如输油气管线等项目扰动面积大、线路长，可能产生严重的水土流失，但其施工期短，现场检查时可能已经完工，对施工期的水土流失问题难以发现；四是不精确，现场检查对扰动面积、扰动区域，以及弃渣场位置、面积等只能有直观定性而不是精确的测量和定位，无法确定扰动是否超出防治责任范围、超出部分面积、弃渣场位置是否与水土保持方案设计一致、是否需要变更水土保持方案等。

卫星遥感技术可以提供高精度、宽范围的空间观测服务，在地理测绘、国土资源调查、水利林业资源监测[4]、城市和交通精细化管理[5]、地球系统科学研究[6]等领域发挥了重要作用。目前，卫星遥感技术在水土保持监测[7]、监管[8]中已广泛应用，相对于传统监管方式具有高效、快速、全面、精确等优势，特别在全面掌握生产建设项目扰动情况方面，能够在很大程度上解决现场检查存在的问题和不足：一是卫星遥感技术具有高效性，本研究仅用数天时间即可解译提取24个部批生产建设项目扰动图斑，节省大量人力物力财力；二是具有全面性，可以实现对各个生产建设项目各个防治区、各个施工段全面查看，尤其是扰动范围广、跨度大的线型项目，克服了现场检查不能到达所有扰动现场、不能全面发现水土流失问题的局限性；三是具有及时性，以资源三号卫星为例，其重访周期为5天，可以在短时间内多次对地表扰动情况进行观测，监管部门可以根据需要选择任意时段的遥感影像实现对生产建设项目的及时监管，避免了部分项目因施工期短而难以及时监管的问题；四是具有精确性，可以精确测量扰动面积、水土流失面积，精准定位扰动区域、弃渣场位置等，发现和确定生产建设项目地点规模变化、超防治责任范围扰动、未批先弃等问题，为监管提供科学、准确的依据。卫星遥感覆盖范围广、观测周期短、使用成本低，可以为生产建设项目监管提供高效、快速、全面、精确的技术支撑，能够满足监管工作对掌握生产建设项目扰动区域、位置、面积、植被覆盖度、水土流失及动态变化等信息的需求，大大提高了监管的时效性、精准性，降低了监管成本，在未来的水土保持监管中可以广泛应用。

4.2 无人机遥感在生产建设项目监管中的应用

无人机携带方便，使用、保管、维护成本低，适应性好，不受云层遮挡，相对于卫星遥感具有更高的精度[9]，在小范围应用中是卫星遥感的重要补充，在水土保持监管中有诸多优势，实际应用也越来越广泛[10-11]：一是可以生成高精度正射影像图和三维立体模型，直观、真实地呈现生产建设项目施工现场实际情况，监管部门通过察看正射影像图和三维立体模型，足不出户即可达到与现场检查一样的效果；二是可以对弃渣场进行精确、快速调查，相对传统测量技术测定弃渣量更加快捷、高效，相对卫星遥感技术精度更高、使用更灵活，在大量降水、大风或重大水土流失事件发生后可快速进场调查，精确、快速掌握水土流失情况，如本研究利用无人机遥感对15个弃渣场实际弃渣面积、弃渣量、渣体边坡坡度、堆渣高度及动态变化短期内实现了3次高精度测定，为监管工作提供了大量依据；三是可以实现对水土保持措施的监管，目前卫星遥感技术尚无法清晰辨认水土保持措施，尤其是截排水沟、临时拦挡、边坡防护等措施尺度较小的地物[12]，而无人机遥感更高的精度可以实现对水土保持措施的辨认和测量，可以作为卫星遥感的重要补充。

实践表明，在大范围区域，利用卫星遥感技术快速、高效地发现生产建设项目扰动，掌握扰动位置、扰动面积、弃渣场位置等基本信息，排查项目地点规模变化未变更水土保持方案、超防治责任范围扰动、未批先弃等违法违规问题，在小范围区域，利用无人机遥感精确测定弃渣面积、弃渣量、渣体高度，以及水土保持措施量，结合重点区域现场检查，实现生产建设项目高效、全面、精准监管，将是未来水土保持监管工作的重要发展方向。