生產建設項目水土保持“天地一體化”監管技術應用

黃穎偉，王巖松，張 野，劉建祥，陳發先，武 敏，范昊明(.沈陽農業大學 水利學院，遼寧 沈陽 0866； .松遼水利委員會，吉林 長春 0000；.遼寧省水土保持局，遼寧 沈陽 000)

在我國現代化進程和城鎮化速度不斷加快的背景下，各類生產建設活動日趨頻繁，由此導致的土壤侵蝕日益嚴重，對生態安全構成了嚴重的威脅[1]。國家嚴禁各類環境違法違規行為，對在建設過程中造成水土流失的項目加大了監督執法力度[2]。目前，生產建設項目監督檢查一般采用地面調查的手段進行實地勘測，外業工作量大、效率低、精度有限，特別是對一些監測人員難以到達的區域，無法獲取數據，很難實現對生產建設項目進行全面監督檢查。

隨著現代空間技術的快速發展，“天地一體化”技術在資源環境等領域已經試驗先行，為生產建設項目水土保持監管提供了借鑒。本文以RS和GIS為基礎，采用遙感影像調查與現場復核相結合的手段，在千山區開展生產建設項目水土保持監管工作，掌握生產建設項目的數量、擾動狀況及其動態變化情況，為水土保持監督檢查工作提供必要的信息和基礎數據，實現對區域內生產建設項目的快速調查和全面監管。

1 “天地一體化”技術及其在水土保持領域的應用

1.1 “天地一體化”技術

傳統的陸地信息系統已難以滿足現代社會紛繁復雜的信息需求，而空間信息系統在覆蓋面積、接入速度、時效性、精度等方面都具有明顯的優勢[3]，因此必須充分利用空間信息傳輸的優勢，建立起集信息獲取、分析、管理、傳輸、存儲、應用于一體的科學技術體系。隨著遙感等空間信息技術的日益成熟，逐漸形成了能夠滿足多種應用需求的對地觀測體系[4]，通過航天航空飛行器、衛星應用系統等多種平臺對地球進行探測，能夠獲取地球表面的各種信息，為不同用戶的數據提取與分析提供基本保證[5]。

“天地一體化”是綜合利用多尺度遙感、GIS、空間定位、互聯網、移動通信等技術的新型信息化技術[6]。該技術將天基信息系統中彼此獨立或相關的各種空間信息系統與地面應用、控制系統等地面基礎設施深度融合，充分發揮天、地信息技術各自的優勢，根據不同用戶的需求對天地采集、傳輸、處理的多源時空信息進行集中管理、分析、存儲，使得原來封閉、孤立的信息能夠進入通達的信息系統，實現復雜時空環境下信息資源的互聯互通、綜合處理和高效利用，更好地為用戶服務。

1.2 “天地一體化”技術在水土保持領域的應用現狀

隨著航空航天及對地觀測技術的發展，“天地一體化”技術結合了空間技術與地面技術的優勢，具有實時性強、覆蓋面積廣、準確、快速、高效等特點，在資源環境等領域已經得到了廣泛的應用[7]。目前該技術在水土保持領域的應用主要體現在土壤侵蝕普查、水土流失動態監測等方面。廣東省先后三次運用遙感技術進行了土壤侵蝕現狀調查，并對后兩次的調查成果進行了對比分析，掌握了不同時期的土壤侵蝕狀況及動態變化趨勢，同時建立并完善了土壤侵蝕數據庫[8]。李斌斌等[9]在定位監測的基礎上采用遙感調查的方法，獲取了監測對象施工前后的水土流失精確數據，并對土地利用及土壤侵蝕情況進行了分析。周樂群等[10]運用“3S”技術監測了三峽庫區兩期水土流失和水土保持的動態變化情況，并利用監測成果建立了水土保持數據庫，同時開發了水土保持遙感動態監測系統，輔助水土保持監測監管工作。

RS與GIS技術結合應用于水土保持監測，極大地提高了監測水平。北京市將遙感等空間技術應用于水土保持執法，并構建了生產建設項目衛星遙感監察系統，實現了對生產建設項目的動態監測及監測數據一體化管理[11]。隨著“3S”技術及計算機網絡技術一體化的發展，不同空間尺度的生產建設項目水土保持監管有了新的技術支持。

2 生產建設項目水土保持監管現狀及“天地一體化”監管技術

2.1 生產建設項目水土保持監管現狀

據水利部發布的《中國水土保持公報》數據顯示，2015年水利部及各省(自治區、直轄市)共審批生產建設項目水土保持方案29 635個，涉及水土流失防治責任范圍13 533.72 km2。由此可知，我國生產建設項目數量繁多，擾動土地面積廣闊，生產建設項目水土保持工作不容忽視。

生產建設項目水土流失具有時空不均衡性、突發性、強度高、危害大等特點。因此，加強生產建設項目監管已成為水土保持工作的重要內容。生產建設項目水土保持監管側重于對生產建設項目水土保持方案批復情況、項目類型、擾動面積、防治責任范圍等監管指標進行管理，監管工作涉及范圍廣、任務重，目前多采用查閱檔案資料、實地測量、交談詢問等方式對各項目逐一開展具體調查，耗費人力、物力、財力多，時間周期長，工作的時效性不強[12]。

為了解決生產建設項目監管困難的問題，使水土保持監管工作時效性更強、監管更精準、成效更顯著，需要創新監管思路和方法，將遙感技術與地面監督檢查相結合，形成“天地一體化”的監管模式[7]，從而實現對所有生產建設項目的水土保持狀況進行實時、準確、全面的監督檢查。

2.2 生產建設項目水土保持“天地一體化”監管技術

生產建設項目水土保持“天地一體化”監管技術是在GIS技術支持下，通過對高分辨率遙感影像進行解譯得到區域生產建設項目擾動圖斑，將擾動圖斑與矢量化的水土流失防治責任范圍圖進行空間疊加分析，根據二者的空間位置關系對生產建設項目擾動狀況進行合規性判別，即判斷是否存在未批先建、擾動圖斑超出防治責任范圍等違法行為，從而獲取相關基礎數據，為水土保持監督管理處罰提供證據[13]。

將RS與GIS技術相結合用于生產建設項目監管，可以快速高效地獲取生產建設項目的數量、空間分布、占地面積及周邊環境的基礎信息，實現對生產建設項目的全面監管，能有效提高水土保持監管工作的技術水平和工作效率。

3 千山區生產建設項目“天地一體化”監管工作

3.1 監管方法及技術路線

選取遼寧省鞍山市千山區為監管示范試點，千山區行政區劃調整前總面積為542.96 km2。以經過專題信息增強、影像融合、影像鑲嵌等預處理的高分一號影像(空間分辨率為2 m)、資源三號影像(空間分辨率為2.1 m)為數據源，提取研究區內擾動地面，結合擾動圖斑樣本數據，通過人工判讀篩選出研究區范圍內生產建設項目擾動圖斑。將防治責任范圍與之疊加，判斷生產建設項目的合規性，并對合規性分析的結果進行現場復核。技術路線如圖1所示。

3.2 遙感調查主要過程

千山區于2015年和2016年分別進行了一次生產建設項目擾動狀況遙感調查工作，主要包括解譯標志建立、擾動圖斑解譯、防治責任范圍上圖、合規性分析、現場復核、擾動圖斑動態更新等方面。

3.2.1 擾動圖斑解譯

采用目視解譯的方法對生產建設項目擾動圖斑進行遙感解譯，在通過野外調查建立不同類型生產建設項目解譯標志的基礎上，根據遙感影像特征并參照Google Earth對擾動面積在0.1 hm2以上的擾動地塊進行全部勾繪。

3.2.2 防治責任范圍上圖

通過水保方案等資料獲取項目位置、經緯度坐標等信息，結合Google Earth等商用地圖軟件，初步確定項目在遙感影像上的大致位置。通過掃描將紙質防治責任范圍圖件轉為電子圖件，利用ArcGIS軟件，在統一的坐標系下，以遙感影像為參考進行地理配準，勾繪防治責任范圍邊界、錄入屬性數據，完成防治責任范圍的矢量化。由于收集的防治責任范圍資料技術標準不統一，可針對不同的資料采取不同的配準方法：

(1)帶有準確坐標信息或者拐點坐標明確的防治責任范圍圖，直接通過坐標轉換，提取防治責任范圍矢量數據。

(2)具有公里網的防治責任范圍圖，直接以公里網格交點的X、Y坐標作為校正基準點進行配準，然后再勾繪防治責任范圍矢量邊界。

(3)對無法獲取坐標信息的防治責任范圍圖，采用基于特征點的配準技術。在防治責任范圍圖和遙感影像上找到同名地物點或者特征點(如道路、河流交叉點，建筑物角點等)作為控制點，通過建立控制點之間一一對應關系，將防治責任范圍圖配準到遙感影像中。

3.2.3 合規性分析

運用ArcGIS軟件的空間疊加分析功能，根據擾動圖斑與防治責任范圍的空間位置關系判別生產建設項目擾動狀況的合規性，并將各圖斑的合規性錄入到擾動圖斑矢量圖層的合規性屬性字段。其技術流程及疊加分析結果見圖2。

3.2.4 現場復核

在完成合規性分析等工作的基礎上，開展生產建設項目擾動狀況現場復核工作。通過現場調查對千山區所有需要復核的生產建設項目的位置、面積、邊界等指標進行現場采集。主要工作流程及要求如下：

(1)制作現場復核工作底圖和復核信息表，準備相機、GPS等設備；

(2)在現場復核過程中，需要了解項目基本情況和建設情況，復核項目水土保持工作及存在的問題，收集項目水土保持相關資料和證明材料；

(3)復核擾動圖斑邊界，對于存在問題的擾動圖斑在現場復核工作底圖上進行標注；

(4)填寫生產建設項目監管示范復核信息表，拍攝現場照片。

現場復核結束后需要根據調查資料對室內的初步解譯結果進行修正，主要是合并屬于同一個生產建設項目且地理位置相鄰的擾動圖斑，對位置相連但屬于不同生產建設項目的擾動圖斑進行邊界分割，由此得到千山區擾動圖斑分布圖。

3.2.5 擾動圖斑動態更新

基于千山區2015年遙感調查結果和2016年遙感影像對2016年發生變化的擾動圖斑(擴大、縮小、新增、消失)進行更新和完善，主要包括調整原圖斑邊界、勾繪新出現的擾動圖斑、刪除已經建成不存在擾動的圖斑。動態更新后對變化的擾動圖斑再次進行合規性分析、現場復核等工作，并根據現場復核結果修正2016年遙感調查結果，形成2016年擾動圖斑矢量數據。

3.3 調查結果及分析

(1)千山區2015、2016年生產建設項目涉及的擾動圖斑數量分別為160個和153個，涉及面積分別為6 317.97和6 322.41 hm2。與2015年相比，2016年千山區生產建設項目擾動圖斑的數量減少了7個，但擾動面積總體上呈現增加趨勢(增加了4.44 hm2)。兩年間，千山區生產建設項目擾動圖斑的數量及面積變化不大(如圖3所示)，有9個圖斑的擾動范圍發生擴大或縮小；沒有新增的擾動圖斑；有7個圖斑已經進行地表恢復不存在擾動。2015、2016年圖斑變化較小的原因是：①兩次調查影像時間間隔較短，地物變化不明顯。②一般情況下，礦山開采達到一定范圍后不會進行擴界開采，而是向地下深處開采，因此地面擾動范圍不會明顯變化。圖斑擾動范圍擴大、縮小的原因可能是：①項目開工后，施工范圍逐漸擴大，造成擾動面積增加，而選礦過程中排泄的尾礦在尾礦庫中積累，造成庫區擾動面積增加；②項目接近完工，逐步進行恢復，擾動范圍相應減小。

(2)千山區擾動圖斑包含的項目類型有露天金屬礦、露天非金屬礦、加工制造類項目、房地產工程、堤防工程、社會事業類項目等。造成土地的擾動主要集中在露天金屬礦、 露天非金屬礦這些礦產資源開采類項目，該類型項目擾動土地面積占總擾動面積的比例最大，2015、2016年分別為82.42%、82.96%。這種現象與千山區所處的大地構造有關，區域內礦產資源儲量豐富，藏有大量的鐵礦石、花崗巖、石灰石、硅石、頁巖石等金屬和非金屬礦藏，使得礦產資源開采類項目在千山區生產建設項目中占有較大的比重。

(a)擾動圖斑數量

(b)擾動圖斑面積

(3)按照合規性分析方法，對千山區生產建設項目擾動范圍合規性進行判別，對生產建設項目擾動圖斑進行統計，發現該區域2016年調查階段共有153個擾動圖斑，其中合規4個，超出防治責任范圍11個，未批先建138個。對千山區2015、2016年擾動圖斑調查成果矢量數據進行疊加對比分析，從而根據圖斑擴大縮小、未批先建等情況有針對性地對生產建設項目進行現場監督檢查。

4 結論與討論

采取“天地一體化”技術對千山區生產建設項目進行監管，準確獲取了該地區生產建設項目的擾動狀況、數量及分布情況。同時，運用GIS技術提取生產建設項目擾動圖斑并判斷其合規性情況的可靠性，通過野外調查得到了驗證。

綜合利用遙感及地面調查技術對生產建設項目進行動態監測監管，不僅能夠對區域生產建設項目進行全面調查，解決由于生產建設項目數量和類型繁多而造成水土保持監管信息缺失的問題，而且能夠從各類生產建設項目中確定疑似違規的項目或重點部位，然后有針對性地對造成嚴重水土流失的違規項目進行現場督查、動態追蹤。遙感監測為生產建設項目監管提供了客觀、真實的數據，對地面調查結果起輔助驗證作用；地面調查可以對遙感監測能力的不足之處加以彌補，同時也能對遙感識別與提取的信息起到驗證作用。兩者優勢互補，降低了監督檢查的難度，提高了監管工作的效率和準確性。

在實際工作中，由于水土流失防治責任范圍圖沒有統一的制圖標準、缺乏規范性要求，造成防治責任范圍圖制圖不規范，難以滿足生產建設項目“天地一體化”監管工作的上圖要求，建議相關部門制定規范性制圖標準，以保證防治責任范圍上圖工作順利開展。限于當前技術條件，土地利用信息提取仍主要采用人工目視判讀的方法，不僅工作量較大，而且難以判斷造成擾動的生產建設項目的類型，特別是對礦產資源開采類項目，若要識別礦區的開采狀態及是何種礦物開采造成的土地擾動還存在一定的難度，技術手段還有待進一步提高，這也是今后研究的重要方向。

生產建設項目水土保持“天地一體化”監管技術已經開始探索性應用，未來結合更加細化的行業需求，需要開發定制配套的應用軟件，未來的水土保持監管工作也需要更多的專業技術人員。隨著相關技術的發展和完善，“天地一體化”技術將逐步走向成熟，生產建設項目水土保持監管工作將得到更好的技術支撐。

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