高分遙感和無人機技術在水土保持監管中的應用

姜德文

（水利部水土保持監測中心，100053，北京）

高分遙感和無人機技術在水土保持監管中的應用

姜德文

（水利部水土保持監測中心，100053，北京）

高分遙感和無人機技術為水土保持監管提供了及時、快捷、有效的技術手段和方法，在分析水土保持監管工作技術需求的基礎上，介紹了高分遙感和無人機技術在水土保持重點治理工程以及生產建設項目水土保持監管中的應用，目前上下協同一致、數據互聯共享的全國監管系統開始建立，極大地推進了水土保持管理的現代化。關鍵詞：水土保持；高分遙感；無人機；監管；應用

開展水土流失治理工程檢查、監督、驗收，生產建設項目檢查、驗收是各級水行政主管部門法定性、經常性的工作，而且工作量十分繁重，迫切需要利用信息化手段和方法，提高工作效率，更好地服務于政府、社會和公眾。水利部2014年印發了《全國水土保持信息化實施方案》，2015年印發了 《全國水土保持信息化工作2015—2016年實施計劃》，啟動了生產建設項目水土保持“天地一體化”監管示范、國家水土保持重點治理工程“圖斑化”精細管理示范。這一工作推動了高分遙感、無人機、信息系統技術在水土保持工作中的應用，取得了初步成效。

一、高分遙感和無人機技術的應用有利于加強水土保持監管工作

1.水土保持監管工作的技術需求

水土流失綜合治理和水土保持監督管理是各級水行政主管部門的重要職責，也是長期性的基本工作，點多、面廣、量大是監管工作的最大特點。在水土流失綜合治理方面，根據國務院批復的 《全國水土保持規劃》，劃定為國家級重點治理區的區域有17個，涉及631個縣級行政單位，涉及區域面積163．3萬km2，其中需重點治理面積49．44萬km2。目前，正在實施國家水土流失重點治理工程的縣就有760多個，分布在各流域、各侵蝕類型區，每年開展治理的重點小流域就有1 000多條，全國每年完成綜合治理面積5萬km2左右，涉及面如此廣、分布點如此分散、工程量如此巨大，對水土保持管理提出了極大挑戰。以水利部流域管理機構為例，近年對國家水土保持重點工程的檢查監督（進度督查），到每個省只能抽取20%的縣對當年實施的工程進行巡視式檢查，難以做到對每個項目區的全面核查。而在生產建設項目水土保持監督管理方面，根據近5年統計（2010—2014年），全國各級水行政主管部門審批的水土保持方案有14.39萬個，其中中央級審批項目1 300個、省級審批1.95萬個、市縣級審批12.31萬個，涉及的水土流失防治責任范圍達78 859 km2。對生產建設項目履行防治水土流失義務的情況進行跟蹤檢查監督是水土保持法賦予各級水行政主管部門的法定職責，這些項目有鐵路、公路、輸油輸氣管線、輸變電線路等線形工程，也有露天礦、機場等土石方量巨大的工程，從流域管理機構監督檢查實際情況看，水利部審批項目每年監督一次都很難做到，實時、準確的檢查更是遙不可及。

2.高分遙感及無人機技術對監督管理工作的技術支撐

（1）國產高分遙感技術的推進和應用

高分遙感技術具有大范圍、多頻次、高清晰的優勢，特別是近年發射的國產高分1號、2號覆蓋周期分別為41天、69天，分辨率可達2 m、0.8 m，可以實現一年多次監測。水利部水土保持監測中心作為國家重大科技專項—高分遙感在水土保持應用的支撐單位，在國防科工委的主持下，近年連續開展了高分遙感應用的示范研究，選擇陜西省橫山縣進行了水土保持綜合治理、生產建設項目識別與監測評價等應用性前瞻研究。水利部全國水土流失動態監測與公告項目近兩年全面使用了國產高分遙感數據，開展了土壤侵蝕因子解譯和調查（如土地利用類型、植被覆蓋度、水土保持措施、生產建設項目監測等）和水土流失動態變化監測，對促進高新技術國產化、推動高分遙感在水土保持領域的應用起到了很大作用。目前，高分1號、2號等遙感數據在中央部委、各省均可免費使用，隨時向相關部門推送遙感數據，為全國水土保持監管工作中廣泛使用高分遙感提供了基本條件。

（2）無人機技術的快速進步與應用

無人機技術具有低空高分辨率、航拍和測圖效率高、外業成本低、快速、隨時可操作的特點，并且不受交通條件的限制。近年，國產無人機性能提升及成本降低為水土保持應用提供了良好條件。同時，無人機遙感數據的分析軟件開發應用加快，為各行業的推廣應用提供了技術支撐。特別是在生產建設項目水土保持監測、監督工作中的應用得到了快速發展，水利部松遼水利委員會在沈丹鐵路等項目的水土保持檢查監督中隨隊攜帶無人機，發現違規設置棄渣場等行為時，及時向建設單位提出整改要求。水利部長江水利委員會水土保持監測中心站在金沙江干流大型水電站水土保持監測中引進了無人機技術，及時、快速地開展監測工作。水利部海河水利委員會海河流域水土保持監測中心站在公路項目監測中使用無人機，在重點地段、重點時段進行了無人機監測，及時發現問題并反饋建設單位。目前，水利部及七大流域機構水土保持監測機構均擁有無人機，并陸續開展了相關工作。

（3）信息系統技術的開發與應用

與遙感、無人機信息采集技術相應的信息傳輸、處理、存貯、發布等技術也同步快速發展，使得原來封閉、孤立的信息能夠快速進入通達的信息系統，實現互聯互通，在信息平臺上實現互聯共享。水利部開發了水土保持信息管理系統，并經過幾次升級，在中央、流域機構、省級水行政主管部門進行了三級部署，實現了中央、流域機構、省、地市、縣級五級應用，系統包括生產建設項目監督管理、水土保持重點治理工程管理、水土流失動態監測數據管理、水土保持政策法規等四個部分，基本涵蓋了水土保持主要業務領域，通過該系統的應用可以使中央到基層實現信息快速交流，工作及時跟蹤，為提高工作效率提供了良好平臺。

二、高分遙感與無人機技術應用于水土保持重點治理工程管理

1.目標與技術創新

總體目標是對國家水土保持重點治理工程實施全過程精準管理，從中央下達治理任務與計劃、省確定重點區域，到縣級實施的綜合治理工程，全過程跟蹤管理。

創新的技術手段主要是以高分辨率衛星遙感數據作前期和后期支撐，使用無人機進行抽查檢驗，配套研制了野外信息移動采集端（平板），并開發了“國家水土保持重點工程項目管理信息系統”V6.0版本，在中央、流域機構、省級進行了三級部署，實現了中央、流域、省、市、縣五級應用，并在實踐中逐步改進提高。

2.重點監管工程基礎信息入庫

2015年水利部印發實施計劃后，在全國進行了工作部署，將全國坡耕地水土流失綜合治理工程、丹江口庫區及上游水土保持工程、中央預算內小流域綜合治理項目、國家農業綜合開發水土保持項目、國家水土保持重點建設工程（革命老區）等5類重點治理項目的資料收集、整理、審核、入庫。以763個國家水土保持重點治理項目縣為重點，按年度將國家水土保持重點治理項目前期工作、計劃實施、檢查驗收等資料錄入國家信息系統。2015年已完成“十二五”以來歷史數據的錄入，2016完成本年度數據和2015年新增數據入庫。

水利部統一了信息系統業務流程及數據錄入范圍、格式、要求，形成全國統一的數據入庫標準。兩年來，水利部對各流域機構、各省級單位（包括項目管理人員、系統應用技術支撐單位技術人員）進行了實際操作培訓，各省對重點縣人員進行培訓。錄入數據庫的內容主要有：重點項目前期（國家級、省級規劃的治理任務、投資、起始年、項目區邊界、典型措施配置等，項目實施方案的項目區基本信息、投資、資金安排、年度及資金籌措，建設內容的分圖斑錄入等），項目計劃（下達的治理面積、投資、任務復核確認等），項目實施（施工合同中的承建單位、每月進度信息等），檢查驗收（檢查中的通知、意見，自驗工作的年度總結、監理報告、驗收報告、審計信息、財務結算、措施實施、資金使用、項目效益，省級抽驗的竣工驗收等），還包括基礎圖件（項目區土地利用現狀圖、措施布置圖、竣工驗收圖，施工、檢查、驗收的圖片等）。對空間數據提出了明確的要求，項目區（小流域或片區）及措施圖斑邊界使用坐標文件錄入，為高分遙感和無人機監測監管提供基礎信息。對一個具體工程，要實現項目區規劃治理措施的上圖、年度實施措施的圖斑（地塊）化管理、規劃與實施措施的動態對照。

3.重點治理工程“圖斑化”精細管理示范

根據水利部要求，每個省選1個典型縣，再從中選取1~2條典型小流域，將圖斑上圖 （治理措施的設計圖斑、驗收圖斑的矢量圖），小流域前期工作、計劃實施、檢查驗收等資料入庫，利用信息系統對治理圖斑復核。系統提供了導入RM和導入shp兩種文件格式圖斑，將圖斑導入坐標圖。水利部及省級部門為地方提供典型小流域高分遙感影像資料。2015年完成以往治理措施的對照、復核，2016年完成當年治理措施的對照、檢查和復核。

2016年5月水利部水土保持監測中心組織對全國22個省（自治區）的坡耕地水土流失綜合治理工程進行檢查、評估，5個檢查組全部配備了無人機，由專業技術人員操控，在每個省（自治區）抽取的小流域檢查時，使用無人機航飛，實拍近年坡耕地治理措施的位置、分布、規模等信息，與已錄入平板中的信息對比，核實坡改梯工程的建設情況。

三、高分遙感與無人機技術應用于生產建設項目水土保持監管

1.目標與技術創新

目標是對生產建設項目實行全過程、全方位監管。從水土保持方案上報、審查、審批，到水土保持施工監理、水土保持監測，最后的驗收評估和水土保持驗收，全過程信息化管理。流域機構、地方各級水土保持部門可以查詢、下載水利部批復的水土保持方案，可以上傳監督檢查意見、現場影像；水利部可以查看地方水土保持方案信息；方案編制、監理、監測單位可以上傳方案文本和圖件、監理報告、監測季報和總結報告。每一個生產建設項目都有動態信息，各級水土保持管理部門可以隨時了解和掌握工程進展、水土保持工作開展情況、存在問題等，以及時作出決定和采取措施。

創新的技術手段是實現現代空間技術、信息技術與水土保持監管業務的深度融合，主要是利用高分遙感和無人機技術對生產建設項目水土流失防治責任范圍，擾動地表面積，取土場及棄渣場的設置、水土保持措施實施等情況適時監控。配套研制了基于安卓系統的野外信息移動采集端。生產建設項目開工前衛星遙感定位、定邊界，開工后衛星對照監控，發現未編制方案、邊界變化等情況時自動報警，警示地方水土保持部門進行現場核實和監督。

2.監督管理信息系統及生產建設項目基礎信息入庫

結合生產建設項目“天地一體化”監管示范，水利部將“水土保持監督管理系統”升級為V3.0，并在中央、流域機構、省級進行了三級部署。為促進地市級信息化管理，新開發了地市級應用系統，構建上下協同一致、信息互通共享的監管系統。升級版的系統增加了矢量數據錄入、存貯等功能，使得高分遙感和無人機遙感信息可以互通。此外，系統的運行環境也從原來利用水利防汛專網改進為利用公網，實現了系統運行的重大突破，極大地方便了各相關用戶使用該系統。根據水利部總體部署和要求，2014年全面完成系統安裝與連通，完成系統所需數據的錄入，完成與水利部管理系統的數據交換，及時發布水土保持監督管理信息，開始用信息系統管理生產建設項目。要求各省推進市縣級水土保持部門的應用，實現水土保持監督管理相關信息的查詢、統計、瀏覽和下載。

水利部審批的生產建設項目基礎信息經過水利部水土保持監測中心連續幾年的工作，已基本完成入庫。近兩三年來，由水利部審批的水土保持方案的特性表數據、報告書PDF文本、相關圖件已實現審批前全部入庫，批復文件已全部錄入系統，流域機構、地方水土保持機構可下載、查閱，監督檢查過程中可以隨時查閱文件和圖表。同時，各省水行政主管部門已開始錄入本省水土保持方案的基礎信息，這些基礎數據是今后信息化管理的基礎條件。

3.生產建設項目“天地一體化”監管示范

根據水利部2015年工作部署，七大流域機構各選取一個生產建設項目集中縣，每個省各選取一個生產建設項目監管示范縣，全國共選取了38個縣域，開展了水土保持監管試點。水利部對各流域機構、各省技術支撐單位進行了監管技術培訓，特別是基于高分遙感影像的生產建設活動水土保持監管調查、現場復核、調查數據入庫以及監督管理系統應用等，同時省級對試點縣工作人員進行培訓。通過水利部接收的國產高分遙感數據免費向各省提供試點縣的基礎數據，2015年完成生產建設項目擾動地表情況的遙感調查和復核工作，對面積大于0.1 hm2的生產建設擾動地塊（2 m分辨率遙感影像對應 250個像元范圍）全部進行解譯，勾繪擾動圖斑邊界，

根據生產建設項目水土保持方案批復責任范圍（簡稱“紅線”）與實際擾動范圍（簡稱“黃線”）的對照，將擾動地塊篩分為合規、疑似違規等情況。對面積大于1 hm2的生產建設擾動地塊全部進行現場復核，確認是否為生產建設項目擾動，以及建設單位、項目類別、擾動面積等信息，確認生產建設項目屬合規 （已批準水土保持方案且黃線在紅線范圍內）、違規（未批準水土保持方案已擾動，即有黃線無紅線、黃線超出紅線）狀態，據此提出監管意見。目前，大部分單位已完成2015年的工作任務。2016年水利部將推出新一輪的高分遙感影像，對一年來新出現的擾動地塊進行監測、跟蹤和監督。

為了使高分遙感和無人機遙感信息更好地服務于生產建設項目的全程監督管理，水利部開發了現場檢查、復核的移動終端。將生產建設項目責任范圍 （紅線）疊加在高分影像上，并裝入移動終端，現場復核時可直接導航至項目地點，開展實地檢查，邊界上圖，現場錄入相關信息，并且可以將現場檢查情況隨時上網回傳于信息系統，各有關管理部門可快速、準確地掌握現場信息，做出處置決策。

4.無人機技術在生產建設項目監管中的應用

除上述水利部統一部署的監督管理工作外，一些機構也在水土保持相關工作中積極使用了無人機。如在生產建設項目水土保持方案編制階段，現場查勘、預選棄渣場、繪制DEM地形圖等，為編制水土保持方案提供了快速、準確的基礎信息。在水土保持設施驗收的技術評估工作中，采用無人機進行全面航飛，檢查水土保持措施實施范圍、面積，檢查有無新設取土場、棄渣場，檢查有無造成較大的水土流失危害影響等。目前，有許多水土保持方案編制單位、水土保持監測單位均配備了無人機，參加了操作人員培訓，積極在工作實踐中使用。

[1]水利部水土保持監測中心.生產建設項目水土保持分類管理研究[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2]姜德文.加快水保信息系統建設適應現代管理新要求[J].中國水土保持，2015（1）.

[3]曹雪娟，王森.無人機遙感影像在水利監測領域的應用 [J].中國水利，2015（4）.

責任編輯 韋鳳年

Application of high resolution remote sensing and UAV in soil conservation monitoring and supervision

// Jiang Dewen

High resolution remote sensing and unmanned aerial vehicles (UAV)provide technical means which enable timely,fast and effective monitoring and supervision for soil and water conservation.Based on analysis of technical dimensions in terms of soil conservation monitoring and supervision,an introduction is made on the application of high resolution remote sensing and UAV in erosion control and basic construction schemes.Until present,a national monitoring and supervision system that is well-coordinated,integrated and information sharing has been formed,which helps to modernize management system for soil and water conservation.

soil and water conservation;high resolution remote sensing;unmanned aerial vehicles(UAV); regulation;application

S157+TP7

B

1000-1123（2016）16-0045-03

2016-07-22

姜德文，副主任，教授級高級工程師，長期從事水土保持項目管理、監測和技術咨詢工作。

國家重大科技專項項目：高分水利遙感應用示范（水土保持）；水利部綜合事業局拔尖人才專項資金項目：生產建設項目“天地一體化”監控。