基于不同分辨率遙感影像的生產建設項目水土保持動態變化監管技術研究

鄺高明，吳光艷，金平偉，趙 敏

(1.珠江水利科學研究院，廣東 廣州510611；2.珠江水利委員會 珠江流域水土保持監測中心站，廣東 廣州510611)

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基于不同分辨率遙感影像的生產建設項目水土保持動態變化監管技術研究

鄺高明1，吳光艷1，金平偉2，趙 敏1

(1.珠江水利科學研究院，廣東 廣州510611；2.珠江水利委員會 珠江流域水土保持監測中心站，廣東 廣州510611)

生產建設項目；水土保持；動態變化監管；遙感調查

生產建設項目水土保持動態變化監管是水行政主管部門的一項重要日常工作。針對動態變化監管需求，結合不同分辨率遙感影像特點，研究了不同分辨率遙感影像在動態變化監管中的應用技術體系：基于中等分辨率遙感影像不同時期植被覆蓋度變化情況，研究了區域新增擾動動態變化監測和合規性動態變化監管技術；利用高分辨率影像，分析了重點項目擾動動態變化、合規性動態變化和項目分類管理等內容；分別采用Landsat 8影像和高分一號高分辨率影像進行了應用示范；對區域生產建設項目水土保持動態變化監管頻次和不同類型項目或重點水土流失部位動態變化監管頻次進行了探討，以期提高生產建設項目水土保持動態變化監管的針對性和工作效率。

為了提高全國水土保持監管工作信息化水平，2015年水利部水土保持監測中心編制了《生產建設項目監管示范實施方案》，要求在2015年第一次生產建設項目遙感監管示范的基礎上，2016年更新遙感影像完成各示范縣生產建設項目的動態變化監管[1]。生產建設項目施工土地擾動大、變化快，要更好地完成生產建設項目監督檢查工作需要在一年內開展擾動動態變化監管，但動態變化監管也意味著水行政主管部門工作量和成本的大量增加。隨著遙感技術的發展和在水土保持領域應用的深入，遙感調查技術已成為生產建設項目水土保持動態變化監管(以下簡稱“動態變化監管”)可持續開展的重要支撐。本研究在分析生產建設項目動態變化監管需求的基礎上，提出了基于中等分辨率遙感影像和高分辨率遙感影像的生產建設項目動態變化監管技術體系，并介紹了實際應用案例。

1 動態變化監管需求分析

日常動態變化監管工作主要有以下幾方面的需求：①區域動態變化快速監測需求。通常情況下，一定時間一定區域內不斷會有新項目開工建設，也有部分項目建設完成，因此對于水行政主管部門而言，管理的生產建設項目數量和空間分布在不斷變化，其中新開工建設項目多處于場平或開挖期，相比施工即將結束項目的水土流失風險更大，是水土保持監管的重點對象。因此，想要實現區域生產建設項目動態變化情況快速、高頻次監測，發現新建項目或新增擾動以確定重點監管對象是前提。②重點項目動態變化監測需求。單個項目的擾動也是一個動態變化的過程，常見的有：在原有擾動的基礎上擾動范圍擴大；原有擾動結束或范圍縮小，而新增其他擾動區域；整個項目建設完成，擾動結束。對于范圍較大或交通不便的項目施工場地，現場監管不能對項目區進行全面調查，因此確定現場監管的重點區域是保證現場監管效果的關鍵。③已批生產建設項目施工狀態動態變化監管需求。在日常水土保持監督檢查工作中，經常遇到對已報批項目現場進行檢查時項目還未開工的情況，因此結合報批項目設計資料確定項目實際開工時間，是避免無效監管的一項重要基礎工作。

2 基于遙感影像的動態變化監管技術體系

2.1 監管內容與遙感影像

生產建設項目類型多樣。結合姜德文等[2-3]的研究成果，《生產建設項目監管示范實施方案》將監管的生產建設項目類型分為公路、鐵路、涉水交通、機場等36類，但不同類型生產建設項目的擾動面積、擾動強度、挖填方等特征差異較大，造成的水土流失危害程度和因素也各不相同[4]。比如：露天礦、水利工程等占地面積、土石方挖填量較大，工期多在60個月以上，在建設過程中會產生大量的挖填坡，造成的人為水土流失風險突出；房地產工程和加工制造類項目等占地面積有限、工期較短，人為水土流失相對容易防治。因此，應根據可能造成的水土流失風險程度確定不同類型項目的監管頻次。同時，在生產建設項目建設過程中，受施工時段、材料質量、標段劃分、運距等諸多因素的影響，很難做到土石方平衡，不可避免地會產生借方與棄方，由于失去了原有土壤結構，且在堆放過程中一般有較陡的松散堆積面，因此棄方的土壤侵蝕明顯大于原地貌[5]，屬于水土保持監管的重點對象。鐵路、公路、水利水電工程等大型生產建設項目占地面積大，土石方挖填量大，在缺少影像而不能對項目區全面監管的情況下，可在施工期對棄渣(土)場、陡填坡等重點水土流失部位進行每季度1次的動態變化監管，以及時了解堆填方變化及水土流失變化情況，在施工結束后進行1次遙感調查，了解后續治理措施的實施效果。

目前市場上遙感影像數據類型繁多，獲取相對容易和使用較多的遙感影像包括中等分辨率的Landsat 8和高分一號(大幅寬)數據，以及高分辨率的資源三號、高分一號和SPOT 6數據。中等分辨率遙感影像覆蓋面廣，價格便宜，數據量小且處理快捷；高分辨率遙感影像空間分辨率高，能夠監管項目擾動的更多細節，但價格較高，數據量大，處理速度慢。因此，高分辨率遙感影像適用于各尺度生產建設項目擾動的動態變化監管，中等分辨率遙感影像只適用于大尺度生產建設項目擾動的動態變化監管；中等分辨率遙感影像適用于省、市級范圍的大區域動態變化監管工作，高分辨率數據適用于縣(區)級范圍的動態變化監管。區域動態變化監管頻次可以定為全區域每年至少2次，生產建設項目集中區每個季度至少1次。動態變化監管頻次和監管內容見表1。

表1 生產建設項目動態變化監管頻次和監管內容

2.2 動態變化監管技術路線

2.2.1 基于中等分辨率影像的動態變化監管

基于中等分辨率遙感影像的生產建設項目動態變化監管主要包括數據預處理、新增擾動動態變化自動監測和合規性動態變化監管等內容，技術路線見圖1。

圖1 基于中等分辨率遙感影像的動態變化監管技術路線

(1)數據預處理。對不同時期遙感影像分別做大氣校正、正射校正和融合增強等預處理工作，不同時期遙感影像正射校正后相對誤差不大于1個像元。

(2)新增擾動動態變化自動監測。生產建設項目新增擾動意味著原有地表覆蓋的破壞，開工前后的區域植被覆蓋度會發生劇烈的變化，可利用這一變化發現區域新增擾動的分布情況。通過歸一化植被指數(NDVI)分別計算兩期影像的植被覆蓋度并得到相互間的差值，統計差值集中區域并確定由生產建設項目新增擾動引起的閾值，最后得到生產建設項目新增擾動區域。新增擾動區域較大的項目屬于重點監督檢查的對象。歸一化植被指數(NDVI)計算公式為

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

VFC=(NDVI-NDVImin)/ (NDVI-NDVImax)

(2)

式中：NDVI為歸一化植被指數；NIR為近紅外波段發射率；R為紅光波段反射率；VFC為植被覆蓋度；NDVImin為區域NDVI最小值；NDVImax為區域NDVI最大值。

(3)施工狀態和合規性動態變化監管。將已報批項目的防治責任范圍圖和預處理后的遙感影像疊加，如果防治責任范圍內有擾動，則說明項目已開工，可以開展監督檢查工作；如果防治責任范圍內沒有擾動，則說明項目還未開工。另外，防治責任范圍外的擾動屬于未批先建項目或者部分擾動在防治責任范圍外為超出批復范圍的項目，都屬于重點監督檢查的對象。

2.2.2 基于高分辨率影像的動態變化監管

高分辨率遙感影像不僅能完成中等分辨率遙感影像監管的各項內容，而且能夠監管更多細節，因此對于中等分辨率遙感影像確定的新增擾動面積大、未批先建等重點監管項目，可利用高分辨率遙感影像進行進一步的調查。技術路線詳見圖2。

圖2 基于高分辨率遙感影像的動態變化監管技術路線

(1)項目動態變化結果分類。將兩期擾動圖斑解譯結果空間疊加后，把疊加結果分為擾動結束區域、新增擾動區域和延續擾動區域，其中擾動結束區域一般包括綠化措施區和主體工程區，在高分辨率遙感影像上可以通過面向對象或人工交互式解譯的方法，獲取不同時期綠化措施及主體工程分布區域和面積。

(2)擾動合規性變化監管。將防治責任范圍圖與擾動圖斑解譯結果疊加，可將疊加結果分為三類：一是有擾動圖斑、無防治責任范圍圖，表明項目尚未批復水土保持方案，但已開工建設，屬未批先建項目；二是擾動圖斑完全包含防治責任范圍圖或與防治責任范圍圖空間相交，表明生產建設擾動超出防治責任范圍，判定為超出防治責任范圍；三是擾動圖斑完全包含于防治責任范圍圖內，為合規項目。其中，前兩類屬于水行政部門現場監管的重點。

2.3 基于動態變化監管結果的項目分類

為便于日常管理，根據動態監管結果，可將項目分為續建、新增、停工和完結4種類型，其中新增和續建項目是現場監管的重點。若某個生產建設項目在前一次遙感調查結果中不存在，而在最新一次調查結果中出現，表明是兩次遙感調查期間開工建設的項目，判定為“新增”項目。若某個生產建設項目在前一次遙感調查結果中已經存在，而且在最新一次調查結果中還存在，表明該生產建設擾動還在繼續，則判定為“續建”項目。“續建”項目包含3種不同的情況：一是兩次遙感調查結果擾動范圍沒有發生變化，但經現場復核或其他證據表明已經發生擾動的區域還在進行生產建設活動；二是隨著施工的開展，項目最新一次擾動范圍超出上次調查的擾動范圍；三是部分項目由于各項水土保持措施的實施，最新一次擾動范圍比上次調查擾動范圍有所縮小。若某個生產建設項目在前后兩次遙感調查結果中擾動范圍沒有發生變化，而且經過現場復核或有其他證據表明項目已經停工的，則判定為“停工”項目。若某個項目在前一次遙感調查結果中存在擾動，但在最新一次遙感調查結果中不存在擾動的，表明該生產建設擾動已經結束，則判定為“完工”項目。

3 應用案例

3.1 中等分辨率遙感影像動態變化監管案例

選擇“珠三角”地區某區域作為示范區，利用Landsat 8影像作為數據源，分辨率15 m。共使用了3期，時相分別為2013年11月29日、2014年12月16日和2015年10月24日，見圖3。從圖中可以看出，2013年11月29日項目區內擾動沒有超出防治責任范圍，2014年12月16日圖中左側部分擾動超出，2015年10月24日超出范圍繼續擴大。另外，前后兩期中等分辨率遙感影像的植被覆蓋度的前后變化能較好地反映出區域內新增擾動的位置，2014年相比2013年新增擾動面積較小，而2015年相比2014年新增擾動面積大大增加。根據動態變化監管結果，水行政部門可以根據變化區域面積大小確定重點監管對象，但這一方法不能發現動態變化期間持續擾動項目或項目的原有擾動區域。另外，由于遙感影像分辨率較低，因此對新增的小尺度項目擾動發現效果較差。

3.2 高分辨率遙感影像動態變化監管實例

選擇某項工程作為示范項目，利用高分一號高分辨率影像作為數據源，全色分辨率2 m，多光譜分辨率8 m。共使用了兩期，時相分別為2014年11月26日和2015年10月20日。兩期項目擾動范圍全部位于項目防治責任范圍內，為合規項目。將兩期高分辨率遙感影像解譯的擾動范圍疊加結果分為擾動結束區域、新增擾動區域和延續擾動區域，統計不同區域的面積，見圖4。2014年11月26日此項目擾動面積7.39 hm2，截至2015年10月20日，原有擾動區域中繼續擾動區域4.92 hm2、擾動結束區域2.48 hm2、新增擾動區域2.51 hm2，因此2015年11月20日此項目擾動面積為7.43 hm2。另外，擾動結束區域一般包括實施綠化措施和硬化的區域。本項目擾動結束區域中采取綠化措施面積1.25 hm2，硬化或水域面積1.23 hm2。

圖3 基于中等分辨率影像新增項目擾動自動監測實例

圖4 基于高分辨率影像的單個項目擾動動態變化監測實例

4 結 論

利用遙感影像開展生產建設項目動態變化監管，能全面、快速地了解區域內生產建設項目空間分布和數量的動態變化情況，目前已在一些地區得到了很好的應用[6]。本研究對不同分辨率遙感影像生產建設項目動態變化監管技術進行了研究，并選擇項目區進行了應用實踐，主要結論如下：

(1)基于中等分辨率遙感影像不同時期的植被覆蓋度變化能夠很好地反映區域擾動動態變化情況，具有快速、高頻次的優勢；中等分辨率遙感影像能對大尺度生產建設項目擾動動態變化情況進行監管，結合已報批項目的防治責任范圍圖，可以初步判斷項目擾動的合規性。

(2)高分辨率遙感影像能夠完成中等分辨率遙感影像監管的各項內容，但由于幅寬小、價格高、數據量大、處理速度慢，更適合于單個項目或重點部位擾動動態變化監管；高分辨率遙感影像主要用于項目合規性、植物措施實施情況和擾動部位的動態變化監管。

(3)根據動態變化監管結果，可將項目分為續建、新增、停工和完結4種類型，其中新增和續建項目是現場監管的重點。

(4)在物力和技術條件好的地區，可以選擇高分辨率遙感影像或加密動態變化監管頻次以加強建設項目動態變化監管工作的效果。由于生產建設項目擾動大、變化快，因此在獲取不到合適時相遙感影像的情況下，可利用無人機技術對重點項目或重點水土流失部位進行動態監管，提高監管工作的時效性。另外，關于適用范圍，在我國南方地區利用植被覆蓋度變化發現新增擾動項目較為合適，在北方植被生態較差的地區由于原有植被較少，因此應用效果尚待探討。

[1] 李智廣,王敬貴.生產建設項目“天地一體化”監管示范總體實施方案[J].中國水土保持,2012(2):14-17.

[2] 姜德文,田穎超,郝捷,等.生產建設項目水土保持分類與分類管理對策[J].水土保持通報,2015,35(3):116-120.

[3] 趙輝,王克勤,杜春利,等.生產建設項目水土保持方案的分類管理[J].水土保持通報,2015,35(3):121-125.

[4] 姜德文.開發建設項目水土保持損益分析研究[M].北京:中國水利水電出版社,2008:83-154.

[5] 柳小強.工程棄土土壤侵蝕人工模擬降雨試驗研究[J].亞熱帶水土保持,2009,21(2):1-5.

[6] 鄺高明,吳光艷,劉超群,等.遙感技術在廣州市水土保持監督檢查中的應用[J].中國水土保持,2016(6):74-76.

(責任編輯 李楊楊)

水利部科技推廣項目(SF-201606)；水利部綜合事業局拔尖人才培養專項資金研究項目(20150608-01)

S157

C

1000-0941(2016)11-0024-04

鄺高明(1987—)，男，河南駐馬店市人，工程師，碩士，主要從事水土保持遙感調查。

2016-09-26