“空-天-地”一體化技術在水土保持規劃評估中的應用

孫 娜，王治國，張 超，胡 影，王永勝，樊 華，李小芳

(1.北京地拓科技發展有限公司，北京 100085；2.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120)

隨著遙感技術的飛速發展，衛星遙感影像空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率不斷提高，高分辨率衛星遙感已經進入全面發展和廣泛應用階段[1]。除了美國Geoeye、 WorldView、法國Pleiades、SPOT系列等外，我國高分系列衛星、資源系列衛星、高景系列衛星也成功發射。尤其是高分系列衛星在中央部委、各省可免費推送的特點[2]，為航天衛星遙感廣泛應用提供了數據支撐。無人機遙感因其成本低廉、快捷高效，操作簡單、機動靈活，分辨率高的特點，在近幾年也得到快速發展。隨著衛星和無人機的日益普及，數據量的激增，衛星和無人機數據如何在行業得到有效的利用變得更為緊迫。近年來，水土保持行業連續開展了高分遙感應用示范研究、全國水土流失動態監測與公告項目、生產建設項目遙感監管工作等，這些也推動了高分遙感和無人機技術在水土保持行業的廣泛應用。

我國是水土流失最為嚴重的國家之一，一直以來國家非常重視水土保持工作，1991年《中華人民共和國水土保持法》頒布實施；1993年國務院印發《關于加強水土保持工作的通知》，把水土保持確定為“我國必須長期堅持的一項基本國策”[3]；黨的十八大更是將水土保持為重要組成部分的生態文明建設納入中國特色社會主義事業“五位一體”總體布局[4]。2015年國務院發布《關于全國水土保持規劃(2015—2030年)的批復》文件[5](以下稱《文件》)，要求水利部牽要頭做好《規劃》的組織實施工作，加強跟蹤監測、督促檢查和考核評估，認真研究解決《規劃》實施中出現的問題，工作進展情況每年向國務院報告。

為全面貫徹落實黨的十九大和全國生態環境保護大會精神，推進水土流失綜合治理的戰略部署，進一步夯實省級人民政府水土保持工作主體責任[6]，保障《規劃》確定的水土流失防治目標任務如期實現，按照《文件》要求，水利部等七部委聯合發布了《水利部 發展改革委 財政部 自然資源部 生態環境部 農業農村部 林草局關于開展全國水土保持規劃實施情況考核評估工作的通知》(水保〔2018〕192號)[6](以下簡稱《通知》)。《通知》對考核評估的程序、方法、時間節點等提出明確要求，為確保考核評估工作的效率和質量，其中，水土流失治理目標完成情況和水土流失治理工程實施情況兩項指標，由水利部根據省級自評情況，在內業復核基礎上，應用遙感影像和無人機等信息技術手段開展，采用定量分析與定性分析相結合的方式進行評分。

目前，規劃評估工作已經開展兩年，本文主要結合近兩年在水土流失治理目標和治理工程任務完成情況評估過程中，遙感、無人機和地面勘查技術在水土保持措施核查中的應用進行探討。

1 技術體系

根據考核評估賦分細則[6]，基于遙感和無人機主要考核評估新增水土流失治理面積和重點工程完成情況。基于目前水保行業主要實施的工作及當前技術水平和可實現的程度，經過分析，主要通過對水土流失治理和重點工程水土流失治理新增水土流失治理措施面積進行考核評估。因此，通過核查是否新增或改造水土保持治理措施，核定措施和工程任務的完成情況。

我國疆域遼闊，水土保持措施分布范圍廣。僅使用傳統的實地調查方法成本高、效率低，僅使用遙感或無人機也很難核查所有措施。因此充分利用遙感、無人機、傳統調查方法優勢，將三者融合并相互補充，建立“空-天-地”一體化立體監測體系。“空”即利用高分辨率(分辨率優于2.5m)衛星遙感技術對水保措施進行通查，“天”即利用無人機搭載可見光傳感器對高分遙感影像不能有效核查的水保措施進行詳查，“地”即利用手持移動終端或其他測量設備，采用人工輔助手段進行實地補充勘查。

1.1 水土保持措施分類方案

水土保持治理措施類型多樣，為了保證考核的客觀公正，盡量涵蓋所有面狀治理措施，參考基于水土保持功能的水土流失防治措施體系[7]、高分遙感水土保持應用研究[8]的措施分類體系，結合國標GB/T 16453《水土保持綜合治理 技術規范》[9]中綜合治理措施、第一次全國水利普查水土保持措施普查指標[10]、中國水土保持公報[11]中的水土流失治理措施，同時考慮治理措施在遙感影像的特點及可識別性，制定適用于考核評估的治理措施分類方案。見表1。

1.2 基于衛星遙感的水土保持治理措施通查

按照不同的分類方式梯田可分為陡坡梯田和緩坡梯田[7]，水平梯田、坡式梯田、隔坡梯田和反坡梯田，石坎梯田、植物砍梯田和土坎梯田等，但是不同類型的梯田在高分衛星遙感影像上的紋理特征具有相似性，田面比較平整，田面和田坎層次分明、呈弧形或多邊形，排列規整。尤其對于新修梯田和改造梯田，由于施工不久，在衛星遙感影像上多呈現土壤的光譜特征，在真彩色影像上多呈現土黃色或白色。在治理后的影像上存在明顯的梯田的光譜和紋理特征，而在治理前的影像上不存在或者部分存在梯田的特征。根據治理前后影像的差異，通過梯田變化遙感監測提取當年實施的梯田措施面積。

表1 水土保持治理措施分類方案

封禁治理措施在標準假彩色衛星影像上呈現棕色、淺紅色或暗紅色，根據封禁的植被類型差異，有些封禁紋理比較均一，有些則比較粗糙、呈顆粒狀，封禁治理措施無明顯邊界，內部無人為擾動。治理前后的封禁治理措施在影像上變化不大。封禁治理措施是在水土流失區對稀疏植被或遭到破壞的原始植被，通過圍欄封禁，輔以人工補植和撫育，促進植被恢復，控制水土流失，改善生態環境的措施面積。按照規劃實施情況評估要求，水土流失區的水土流失面積比不低于15%。根據封禁治理措施在影像上的特點和水土流失特點，基于遙感影像及水土流失監測結果采用人工目視解譯的方式進行封禁治理措施的提取。

1.3 基于無人機遙感水土保持治理措施詳查

老舊梯田或損毀梯田的田坎加固維修以及梯田配套建設，由于施工面積較小或較窄且分布比較分散，在衛星遙感上難以識別。但是無人機航拍數據分辨率高，它們在影像上具有明顯特征，采用深度學習或面向對象的方法進行提取。

新造水保林、新造經濟林在無人機影像上可見明顯的整地，紋理清晰，以無人機遙感核查為主，采用面向對象的方法進行提取。

對于無人機核查困難的補植補種以及保土耕作等其他措施，基于無人機航攝進行取證。

1.4 基于移動終端和地面量測的現場勘查

為了提高實地監測精度與準確度，基于GNSS、互聯網+、遙感和大數據等多項技術，開發規劃評估核查移動APP，通過實時定位、對水土保持治理措施現場實施情況進行文本記錄、拍攝照片、視頻并進行實時傳輸，保證數據的真實性與可靠性。

對于補植補種的水土保持林和經濟林基于影像很難識別措施邊界，采用樣帶調查法，在補植區內，隨機布設樣帶，調查樣帶內林木總株數和新補植補種株數，計算平均補植率，進而推算實際治理的措施面積。

保土耕作、地埂植物帶和改壟等其它措施，基于衛星遙感或者無人機遙感判別是否為當年實施的措施較為困難，采用以現場調查為主，衛星遙感和無人機遙感為輔的方法量測措施面積。

2 應用實踐

2.1 高分衛星影像覆蓋率高，滿足時相需求。

2018和2019年考核評估主要采用高分系列以GF- 1和GF- 2PMS影像為主的高分辨率光學衛星影像數據，每年兩期。從高分衛星影像的覆蓋率來看，兩年相差不大。2019年度考核評估中，獲取高分遙感影像1059景，其中GF- 1影像780景，GF- 2衛星遙感影像379景。剔除無效和錯誤數據，共使用影像1052景。其中，年前影像499景，年后影像553景。60個核查縣實施前影像覆蓋率達94%，實施后影像覆蓋率達96%，實施前和實施后影像重疊覆蓋率達92.8%。措施實施前影像覆蓋率低于85%的有8個省份的9個縣，實施后影像覆蓋率低于85%的有3個省份的3個縣，兩期影像覆蓋率都低于85%的只有1個省。

2.2 天空地立體監測，三者配合，優勢互補，方法有效

2.2.1梯田措施實施情況核查實踐

通過對高分遙感影像進行正射校正、融合等影像預處理后，根據梯田在影像上呈現的特征，采用面向對象的方法進行變化監測，實現梯田措施的提取。通過核查，梯田措施的實施情況主要包括以下情形：①全部完成梯田措施的實施。如圖1所示，基于兩期高分遙感影像可清晰識別新修的梯田；②部分完成梯田措施的實施。如圖2所示，基于兩期高分遙感影像清晰可見上報的圖斑面積偏大，東南部沒有實施措施；③沒有實施梯田措施或梯田措施并非當年實施。如圖3所示，基于兩期衛星影像均可識別梯田，且二者并無區別，通過現場調查該梯田措施是往年實施的治理措施。經統計，95%的梯田基于高分衛星遙感可以實現核查，剩余5%的梯田措施多為梯田加固維修或梯田配套建設，基于無人機和現場勘查方式可實現核查。

2.2.2封禁治理措施實施情況核查實踐

對水土流失動態監測結果進行統計，計算措施圖斑內的水土流失面積比，結合預處理后的高分衛星遙感影像，通過人工勾繪的方式進行封禁治理措施的提取。封禁治理措施通過衛星遙感和水土流失動態監測結果可完成全部核查。圖4為措施圖斑植被茂盛，通過水土流失計算結果，圖斑內水土流失面積占比為1.3%，低于15%，不屬于用于治理水土流失的封禁措施。圖5為措施圖斑內存在大量水土流失，水土流失面積比達68%，屬于有效水土保持治理措施，圖斑的南側存在修建梯田的擾動，需要對其進行核減。

圖1 基于高分衛星影像的梯田措施核查(全部實施)

圖2 基于高分衛星影像的梯田措施核查(部分實施)

圖3 基于高分衛星影像的梯田措施核查(非當年實施)

2.2.3林草措施實施情況核查實踐

從2018和2019年核查結果來看，80%的林草措施需要運用無人機和現場勘查手段進行現場復核。對于水土保持林、經濟林和種草措施，由于當年營造苗木較小，衛星遙感影像不易識別，需要無人機現場航拍并輔以現場勘查，如圖6所示，基于遙感影像無法識別是否存在新造林地，通過無人機影像可見明顯的魚鱗坑整地，通過現場可以量測種植的是歐榛，植株高約1m，株間距大于1m。對于補植補種的新造水土保持林、經濟林措施，通過現場調查補植補種率核算措施面積。通過實地測量種植補種率檢查補植補種措施如圖7所示。對于包含除地面積較大的新造水土保持林、經濟林措施，通過現場調查除地率核算措施面積。

2.2.4其他措施實施情況核查實踐

其他措施比較多樣需要根據具體措施，選擇適宜的復核方法。其中，保土耕作、地埂植物帶、改壟、侵蝕溝治理、塬面保護等措施以無人機航攝或現場調查復核為主；沙障固沙、溝壩地等以衛星遙感復核為主；保土耕作措施圖斑現場復核時需結合工程相關的設計、施工文件及圖斑水土流失情況綜合判定。圖8為現場核查保土耕作的秸稈還田措施，現場田地已耕種，秸稈粉碎還田。圖9為基于高分衛星和無人機核查的其他措施，基于衛星影像可見治理前為林草地，治理后有明顯整地，通過現場勘查，實施整地后又進一步種植了喬木和灌木，基于無人機影像進行核算面積。

圖4 基于衛星遙感影像和水土流失監測的封禁核查(水土流失面積過小)

圖5 基于衛星遙感影像和水土流失監測的封禁核查(圖斑內存在人為擾動)

圖6 基于無人機的經濟林核查

圖7 基于實地量測的補植補種核查

3 總結與展望

水土流失治理任務完成情況抽查復核，目前主要基于高分衛星遙感、無人機和實地量測的方法對抽查縣的抽查圖斑進行核查，該方法充分考慮當前影像分辨率和覆蓋情況、計算機自動提取與監測水平及水土保持實際工作，實用性及可操作性強，真實的反映了當前水土流失治理措施完成狀況，滿足當前實際工作的需求。核查中也發現了一些問題，如上報措施圖斑為設計圖斑與實際實施措施不符合，上報措施面積并非當年實施的措施面積，上報封禁治理措施圖斑內無水土流失等。通過發現的這些問題也促使我們更加規范今后水土保持綜合治理項目實施過程中措施的設計、施工與監管等工作。

隨著遙感大數據、人工智能和互聯網的發展，為了更好地促進水保事業的發展，不斷提高水土保持工作的科技水平，對后續工作提出展望。

圖8 基于現場復核的秸稈還田

圖9 基于無人機的村莊綠化核查

(1)我國幅員遼闊，水土保持措施類型復雜多樣，以縣域為單元，基于水土保持類型區、按照水土保持措施類型建立水保措施樣本庫，為每年快速、大規模地提取水土保持治理措施提供參考。

(2)對于梯田等監測技術相對成熟的治理措施，重視遙感大數據的智能處理技術的研究。

(3)對水土保持治理措施的水土流失變化情況進行跟蹤監測，研究水土保持措施水土流失治理效益。

(4)繼續深入研究水土流失動態監測與評價的自動化和智能化技術水平，不斷提高監測成果的科學性和時效性，以更大程度地服務政府決策，促進生態文明建設。