國產高分衛星遙感在生產建設項目水土保持監督中的應用
——以晉陜蒙接壤煤炭開發集中區為例

，，(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)

開展生產建設項目水土保持監督是水土保持法賦予水行政主管部門的一項重要工作。《水土保持法》第二十九條規定，“縣級以上人民政府水行政主管部門、流域管理機構，應當對生產建設項目水土保持方案的實施情況進行跟蹤檢查，發現問題及時處理”。自新水土保持法頒布實施以來，國家愈加重視生產建設項目水土保持預防監督工作[1]，《水利部水土保持司關于印發生產建設項目水土保持監測工作檢查要點的通知》(水保監便字〔2015〕第72號)中明確提出水行政主管部門需對生產建設項目的擾動土地情況、取(棄)土情況、水土流失及水土保持措施等進行檢查復核。根據中國水土保持公報，自2004—2013年，全國每年審批生產建設項目水土保持方案個數由2.1萬個增加到3.079 1萬個，平均每年增長5.18%。其中，水利部每年平均審批國家大型生產建設項目299個，涉及水土流失防治責任范圍4 404 km2；各省(自治區、直轄市)每年平均審批生產建設項目水土保持方案2.42萬個，涉及水土流失防治責任范圍10 673 km2。生產建設項目一般具有一定的建設周期，因此每年需要監督的在建項目數量通常為批復水土保持方案數量的幾倍。例如，2007年，水利部開展了生產建設項目水土保持監督執法專項行動，全國共計調查生產建設項目達到10.48萬個，開展執法調查合計3.56萬次。近年來，隨著各級水行政主管部門監督檢查和執法的力度和廣度不斷加大，監督檢查工作任務繁重。

與此同時，生產建設項目水土保持監督檢查主要采用現場調查的方法，越來越難以滿足當前水土保持預防監督工作的需求，主要體現在：①人力、經費有限，檢查覆蓋項目少、頻次低，難以全面掌握區域內生產建設項目水土流失的整體和動態情況；②缺少量化判別和評價的技術手段，人為擾動合規性判別和調查取證難度較大；③僅能針對已批復水土保持方案的項目開展監督檢查，對未批先建、私自開發的生產建設項目，缺乏及時發現的手段，導致預防監督工作缺乏深度和廣度[2]。因此，生產建設項目水土保持預防監督亟需新的技術方法和手段支撐。

1 高分辨率遙感在水土保持工作中的應用現狀

采用遙感與GIS技術能快速獲取區域地表植被變化情況，提取擾動范圍、面積、林草覆蓋率等指標，是區域水土流失調查和監測的重要手段。隨著高分辨率遙感技術的發展，針對工程尺度的水土保持遙感應用研究工作也大量開展。例如，徐豐[3]等人應用遙感技術開展了洪家渡水電站實施的各項水土保持措施監測，獲得了項目建設前和竣工驗收期水土流失的精確數據、地表擾動面積及其分布；劉憲春[4]等人提出，在生產建設項目水土保持監測中，以優于5 m分辨率的遙感影像為數據源，可實現對生產建設項目水土流失全過程、全方位監測。針對生產建設項目監督檢查工作而言，采用高分辨率遙感技術可快速獲取項目的擾動面積、水土流失情況、水土保持措施進度等指標[3]，提高工作效率，有助于水行政主管部門從宏觀上了解生產建設項目的總體情況。

但是，目前商用高分辨率遙感影像多為國外衛星提供，數據價格較高，1 km2的影像購置費往往高達上百元，且受到影像時相限制，造成了高分辨率遙感技術目前較難在水土保持監督工作中大范圍應用。同時，如何充分響應和滿足生產建設項目水土保持監督檢查業務化應用需求的技術方法，尚需要進一步探索研究。

國產高分1號衛星是中國2013年發射的高分辨率衛星，是高分辨率對地觀測系統國家科技重大專項的首發星，配置了2臺2 m分辨率全色、8 m分辨率多光譜相機，4臺16 m分辨率多光譜寬幅相機，衛星側擺時重訪周期為4 d，不側擺的覆蓋周期為41 d。與目前應用較廣的其他國內外高分辨率衛星相比，國產高分1號衛星具有價格低廉、重訪周期短的優勢，為滿足水土保持監督檢查工作需求提供了可能。本研究針對水土保持監督檢查工作中的需求，選擇典型研究區域，對國產高分遙感衛星在水土保持監督檢查中的適用性進行了探索性的研究。

2 研究區概況

研究區位于晉陜蒙三省接壤煤炭開發集中區中部，面積2 681 km2，具體范圍見圖1。晉陜蒙三省接壤煤炭開發集中區是指晉西北黃土高原、陜北與鄂爾多斯高原的接壤地帶，包括山西、陜西、內蒙古3省(區)13個縣(旗、區)，總面積5.44萬km2，是黃河流域水土流失最嚴重的地區和黃河粗泥沙的主要產區。該區域氣候干旱、少雨多風，多年平均降水量310～490 mm，植被稀少，生態環境脆弱，自然水土流失較嚴重，水、旱、風沙、霜凍等自然災害頻繁。據不完全統計，該區域水土流失面積占比85.48%，年平均輸沙量4.9億t，平均侵蝕模數0.9萬t/(km2·a)，局部地區高達3～4萬t/(km2·a)。同時，該區域自然資源十分豐富，富含8類48種礦產資源，隨著區域經濟社會快速發展，生產建設活動日趨頻繁，據統計，截至2014年9月30日，該區域僅水利部累計批復各類大中型生產建設項目水土保持方案175個，批復水土流失防治責任范圍2 097.72 km2。

圖1 研究區位置

3 研究方法

3.1 數據及預處理

3.1.1遙感數據

本研究選擇高分一號衛星多光譜和全色影像作為數據源，多光譜數據空間分辨率為8 m，包含有藍、綠、紅、紅外四個常用的波段(具體的波段設置參見表1)，全色分辨率為2 m。遙感影像獲取時間為2013年8月、2014年4月，共獲取不同時間成像的2期影像。

表1 高分一號8 m分辨率數據信息

采用1∶50 000比例尺DEM對遙感影像進行正射校正和幾何校正，并進行增強融合處理，融合后遙感數據的分辨率達到2 m。

3.1.2其他數據

截至2014年8月已批復的生產建設項目水土保持方案，提取防治責任范圍圖，采用地理配準的方法進行空間矢量化處理。

3.2 研究技術路線和方法

3.2.1技術路線

技術路線見圖2。

圖2 生產建設項目水土保持遙感監督技術路線

3.2.2研究方法

3.2.2.1研究區擾動圖斑解譯

a) 建立分類體系。本研究根據水利部水土保持監測中心開展的生產建設項目水土保持準入條件研究[5]中提出的15類生產建設項目的建設特點，對生產建設項目類型進行劃分。除了以上類別，還有3種情況：①項目正在建設中，功能分區和設施沒有建成，不能區分具體的行業類型;②受遙感影像分辨率的限制，在實地雖能區分行業類型，但在遙感影像上無法辨識行業或擾動類型;③孤立的擾動地塊，如一個孤立的攪拌站，或取(棄)土場，無法將其歸于某個生產建設項目。對這3種情況的生產建設項目圖斑，將其統一歸為其他擾動地塊。因此，本研究將生產建設項目共劃分為16類。

b) 建立解譯標志。在建立項目分類體系和外業調查的基礎上，采用遙感圖像與實地對照的方法、同時結合解譯經驗及既有的遙感解譯成果等方法建立水土流失遙感解譯標志庫，保證同一信息源、不同時相的影像分別建立相應的解譯標志。

c) 擾動圖斑解譯。根據解譯標志對研究區所有生產建設項目擾動圖斑的邊界、類型進行確認勾繪，在完成野外驗證的基礎上，統計分析研究區生產建設項目擾動圖斑分布、類型、面積。

3.2.2.2研究區生產建設項目時空對比分析

a) 合規性空間分析。在研究區域選擇典型項目，將配準好的項目防治責任范圍圖與遙感影像進行疊加分析，對項目區實際擾動面積是否超出防治責任范圍進行合規性分析。

b) 動態對比分析。利用擾動圖斑解譯方法，對2014年研究區影像進行解譯分析，并與2013年解譯的成果進行對比分析，得到研究區擾動土地動態變化，對新增擾動圖斑的合規性進行分析。

3.2.2.3典型項目人為水土流失強度判別

a) 現場調查。選取典型生產建設項目，調查項目區典型地塊坡度、坡長、水土保持措施等水土流失因子，結合項目區監測資料及土壤侵蝕分類分級標準 (SL 190—2007)判定調查地塊的土壤侵蝕強度。

b) 建立侵蝕強度查找表。由于遙感影像的滯后性和現場交通情況的特殊性，因此，項目區部分地塊在野外調查時會出現與影像不對應或現場無法到達的情況。鑒于此類情況，本研究在野外調查的基礎上，針對2 m分辨率下遙感影像的特殊性，提出了生產建設項目土壤侵蝕強度查找表，對每種類型的擾動地塊的水土流失因子和土壤侵蝕強度分別建立解譯標志，用于判定和提取項目區所有地塊的水土流失因子和土壤侵蝕強度等專題信息。

c) 土壤侵蝕強度判別。根據土壤侵蝕強度查找表，判別項目區所有地塊土壤侵蝕強度，在完成野外驗證的基礎上，建立典型項目土壤侵蝕強度分布。

4 結果分析與討論

4.1 研究區生產建設項目擾動情況分析

研究區生產建設項目擾動土地解譯成果見圖3及表2。由圖3可知，研究區生產建設項目擾動圖斑集中分布于研究區中北部及中南部地區，主要項目類型為露天煤礦。由表2可知，研究區共解譯了11種項目類型，1 028個項目圖斑，26 777.22 hm2的擾動面積。除去其他擾動地塊后，共解譯了560個項目圖斑，10種項目類型，23 227.53 hm2的擾動面積。從項目圖斑個數上看，露天開采、 井采礦、城鎮開發建設類項目占比最大，從擾動面積看，露天開采、井采礦、公路鐵路工程占地面積最大，尤其是露天開采項目，占了所有項目占地面積的68.36%。露天開采項目屬建設生產類典型建設項目，基建期和生產運行期土石方挖填量都極大，建設和生產期間裸露場地數量多、面積大、高陡邊坡多，極易產生嚴重水土流失甚至危害事件。因此，建議水行政主管部門加強對該地區露天開采項目的監督管理，定期掌握工程進度及項目擾動土地情況。

圖3 研究區生產建設項目擾動土地分布

序號圖斑類型個數比例/%擾動面積/hm2比例/%1城鎮開發建設類項目555.35586.172.192輸變電90.8821.440.083火電廠20.1966.640.254公路、鐵路工程262.53644.962.415加工制造類項目282.72601.032.246露天開采28627.8218 309.2868.387井采礦11611.282 808.6210.498農林開發項目141.36122.50.469其他擾動地塊46845.533 549.6913.2610水利工程50.4934.680.1311油氣田開發工程191.8532.210.12合計1 02810026 777.22100

由研究區擾動圖斑解譯結果可知，通過該方法，可快速全面掌握區域內生產建設項目擾動圖斑的分布、類型、面積等情況，有助于水行政主管部門從宏觀角度掌握生產建設項目整體情況，并根據項目類型、分布制定年度監督檢查計劃、開展監督檢查工作，為區域水土保持預防監督宏觀決策提供支撐。

4.2 研究區生產建設項目時空對比分析

4.2.1合規性空間分析

圖4為生產建設項目水土保持方案防治責任范圍與實際擾動面積對比，圖中紅色線框為批復的項目防治責任范圍圖。由圖4a可知，該項目的建設地點及擾動面積與批復的水土保持方案防治責任范圍一致，未出現設計變更及擾動面積超出防治責任范圍的情況。由圖4b可知，該項目的建設地點發生變更，原設計的棄土場未使用，建設單位應盡早完善變更設計并報送原方案審批機關備案。由圖4c可知，該項目的建設規模發生變更，實際擾動面積超出批復的防治責任范圍，建設單位應當盡早補充或者修改水土保持方案并報原審機關批準。由圖4d可知，項目區目前尚未擾動，水行政主管部門近期安排監督檢查時可暫不予考慮該項目。

《水土保持法》第二十五條第三款規定：“水土保持方案經批準后，生產建設項目的地點、規模發生重大變化的，應當補充或者修改水土保持方案并報原審機關批準。水土保持方案實施過程中，水土保持措施需要做出重大變更的，應當經原審批機關批準。”因此，變更設計及其審批，也是水土保持行政許可的重要組成部分，應作為行政許可督察內容之一[6]。利用國產高分衛星遙感技術，可全面、客觀地調查出項目的建設地點、規模及擾動面積等信息，

a) 對比一

b) 對比二

c) 對比三

d) 對比四圖4 項目防治責任范圍與實際擾動面積對比

配合批復項目方案圖件的疊加分析可對批復項目是否存在擾動面積超出項目紅線及建設地點、規模發生變更等違法違規行為做出排查。

水土保持行政許可實行水土保持方案審批制度，因此生產建設項目水土保持監督，首先應檢查生產建設項目是否取得相應級別水行政主管部門審批水土保持方案的文件[6]。本次研究受收集批復方案資料不齊所致，未對研究區未批先建的項目進行篩選排查，在本次研究的基礎上，結合收集的所有批復的方案圖件，對擾動項目圖斑進行疊加分析，可排查出未批先建或私自開工的生產建設項目，有效地遏制違法違規行為。

4.2.2動態對比分析

圖5為研究區典型項目擾動土地動態對比圖，圖中紅色線框覆蓋區域為2014年新增擾動范圍。由圖5a可知，該擾動地塊屬新開工項目，2013年7月尚未開工，截至2014年4月，項目區正在大規模開挖擾動，鑒于雨季即將到來，項目區應加快水土保持防護措施的施工進度；由圖5b可知，該擾動地塊為原有項目擴建區域，該區域原地貌復雜，施工時應加強對高、陡開挖邊坡進行防護，避免水土流失事件的發生。將上述解譯成果與批復的方案防治責任范圍圖進行對比，即可對新增擾動圖斑的合規性進行分析，并作為執法的依據，對違規項目進行處罰。

根據《水利部辦公廳關于加強大型生產建設項目水土保持監督檢查工作的通知》，部批及重點生產建設項目每年需檢查至少一次，利用國產高分1號衛星多時相、周期短的特點，采用遙感手段每年對在建項目進行動態調查，可及時掌握項目的主體工程實施進度、擾動土地面積等動態變化情況，滿足監督檢查頻次要求。針對人為水土流失導致的突發水土流失事件等，開展國產高分衛星遙感調查，可與現場調查結合，作為執法的依據，便于水行政主管部門更快速、準確地開展工作。

a) 對比一

b) 對比二圖5 研究區典型項目擾動土地動態對比

4.3 典型生產建設項目人為水土流失強度判別

圖6為研究區典型項目土壤侵蝕強度分布，由圖6可知，該項目為露天煤礦，目前處于運行期，采坑、排土場等區域占地面積較大，陡坡較多，現場防護效果較差，強度以上侵蝕面積較大，建議水行政主管部門加強對項目重點區域的檢查，尤其是在雨季，應要求建設單位提交水土流失防護預案，避免水土流失災害事件的發生。

圖6 研究區典型項目土壤侵蝕強度分布

對于占地面積較廣、擾動類型復雜的大型生產建設項目，水行政主管部門在開展監督檢查工作時，受交通條件及時間限制，很難全面了解項目的水土流失情況，利用遙感調查可完成生產建設項目部分水土流失因子專題信息遙感提取，包括擾動土地面積、大型水土保持措施數量、林草覆蓋率、土壤侵蝕強度等指標，有助于水行政主管部門整體掌握項目的水土保持方案落實情況。

國產高分遙感影像分辨率為2 m，對排水溝及部分水土保持臨時措施尚無法準確提取。由于植物措施受時相影響較大，冬季及春季植被枯萎后，將影響解譯的精度。因此，建議在采用遙感影像對生產建設項目進行分析時，盡量采購5—10月份的影像，以7—8月的為最佳。

5 結論

本研究表明，應用國產高分衛星遙感是一種快速獲取空間動態信息的有效方式，是提高水土保持監督檢查工作效率、降低成本的一種重要信息源，可快速獲取生產建設項目水土保持相關信息。

目前，水行政主管部門在開展生產建設項目水土保持監督檢查時，亟需新的技術方法來快速掌握區域內項目的整體擾動情況、合規性、水土保持措施進度及水土流失情況。通過本研究可知，利用國產高分衛星遙感技術，可快速全面掌握區域內生產建設項目擾動圖斑的分布、類型、面積等情況，為區域水土保持預防監督宏觀決策提供技術支撐。利用已批復項目的防治責任范圍圖對項目影像進行疊加分析，可對項目的合規性和水土保持方案落實情況進行動態監管，有效地遏制違法違規行為。

中國“高分專項”是一個非常龐大的遙感技術項目，包含至少7顆衛星和其他觀測平臺，分別編號為“高分一號”到“高分七號”，在未來，國產高分辨率衛星在分辨率上將大大提升，并能提取影像區域的DEM數據，覆蓋周期也將大大縮短，將解決目前存在的水保措施、坡度等信息無法準確提取的問題，國產高分衛星在生產建設項目水土保持預防監督中的應用將越來越多。

隨著中國國民經濟的快速發展，工業化和城市化進程的加快，生產建設項目導致的水土流失已逐漸成為中國水土流失的主要來源之一，水土保持監督檢查的力度也將越來越大[7]。水行政主管部門將各級審批的方案進行集中的空間管理，每年對遙感影像進行更新解譯，對生產建設項目的違法違規行為進行排查，并利用重點項目的遙感解譯結果進行現場監督執法，必將成為未來水土保持預防監督工作的重要思路。