測繪地理信息技術在河湖劃定和管理中的應用——以永定河為例

任小強 袁漢章 劉國剛 孟勇飛 徐西桂

(1. 建設綜合勘察研究設計院有限公司, 北京 100007; 2. 北京市永定河管理處, 北京 100165)

0 引言

按照《水利部關于加快推進河湖管理范圍劃定工作的通知》(水河湖〔2018〕314號)要求,依法劃定河湖管理范圍,明確河湖管理邊界線,是加強河湖管理的基礎性工作,也是《水法》《防洪法》《河道管理條例》等法律法規做出的規定,更是中央全面推行河長制湖長制明確的任務要求[1-2]。

按照“水河湖〔2018〕314號”文件要求,加強河湖管理范圍劃定之前,河湖管理和保護范圍一般停留在文字描述和紙質圖上,監管手段基本采用傳統的人工巡查,河湖范圍管理經驗主義比較強,既沒有落實在“一張圖”,也沒有建立管理系統,更無法把河湖管理范圍界線落實在現場實地,管理不到位,管理效率低下,還會經常與當地老百姓發生糾紛和矛盾。為解決河湖管理手段落后、管理力度不到位和管理被動等問題,提高河湖管理能力和管理水平,實現河湖管理的高效化、精細化,必須提高管理的信息化和現代化意識,并綜合應用先進的無人機航空攝影、機載激光雷達和地理信息系統以及傳統測繪技術等測繪地理信息技術。

近幾年,測繪地理信息技術迅速發展,尤其無人機傾斜攝影、機載激光雷達和地理信息系統等新技術目前已經非常成熟,在自然資源調查[3-4]、河湖劃定和管理[5-6]、生態環境修復[7]及地質災害隱患防治[8]等各領域得到廣泛應用。測繪地理信息技術在理論、技術、產品等方面為水資源保護、水域岸線管理、水污染水環境治理、水生態修復及水行政執法等河長制相關工作提供了廣泛的技術支持[6]。

作為全國四大重點防洪河道之一,北京地區最大河流,首都母親河,永定河具有重要的資源功能和生態功能,是洪水的通道、水資源的載體、生態環境的重要組成部分,故加強河道管理保護范圍劃定和管理極為重要。

1 傳統測繪方法應用于河湖岸線劃定和管理

1.1 永定河河道劃定方法

河湖管理范圍劃定原則:(1)堅持依法依規原則;(2)保留河湖基本空間原則;(3)堅持因地制宜原則;(4)采用新技術新方法原則。

1.1.1管理范圍劃定

永定河管理范圍主要依據1989年市政府批復的《北京市市屬水利工程管理范圍、保護范圍、清障范圍》([1989]廳秘字第13號)劃定,2002年以后建成的新右堤(三家店至盧溝橋段右堤)依據2001年國土資源和房屋管理局文件劃定,大興國際機場段北小埝堤防按設計批復文件劃定。

劃定情況為:永定河管理范圍線自河道上開口線外延55～75 m劃定;對于有村莊、城市合法建設的局部河段外延30～50 m劃定;另有部分河段,因現狀堤外地塊用地屬性已劃為水工建筑用地,管理范圍線隨地塊外邊線局部擴展至上開口線外106～320 m。

1.1.2保護范圍劃定

保護范圍基本依據1986年市政府批復的《關于劃定郊區主要河道保護范圍的規定([1986]京政辦發51號)》劃定。保護范圍線自河道上開口外延105～110 m劃定;對于有村莊、城市或合法建設的局部河段外延30～60 m劃定;小啞叭河分洪口門段因保障分洪、石景山雙峪路至堤防人字門段因歷史和交通路現狀預留封堵堤防口門等需要,保護范圍線自上開口線外延180～320 m;局部因管理范圍寬度較大,不再單獨另設保護范圍。

1.2 永定河河道規劃設計岸線劃定傳統測繪方法

測繪是永定河管理保護范圍劃定的前提和基礎,引用測繪資料翔實準確和采用正確先進的測繪方法,才能保證永定河管理保護范圍劃定準確可靠。根據實際情況,已經采用或可考慮采用以下測繪方法。永定河北京段管理保護范圍實地埋設固定標志工作流程見圖1。

圖1 永定河北京段管理保護范圍實地埋設固定標志工作流程圖

1.2.1對現有資料進行測繪分析研究

從數據基準、空間位置、幾何精度、拓撲關系、資料類型、完整性、準確性、系統性和現勢性等方面,利用測繪技術方法,對已有的各類資料進行數字化、矢量化、糾正、拼接、拓撲檢查以及詳細分析研究,為河道劃定提供數據依據。

1.2.2傳統測繪方法

建立控制基準為工程提供統一測量依據,是確保工程順利實施的基礎。三家店水閘至市界河(永定河市管段)中心線總長約80 km,每隔3 km左右需各布設一個全球導航定位系統(Global Position System, GPS)控制點,共布設52個GPS控制點,作為界樁測定起算點。根據《永定河管理范圍河保護范圍劃定圖》設計條件、影像圖、地形圖等數據資料提取管理范圍和保護范圍界線重要拐點。并進行實地踏勘選點、放樣,測細部點坐標,內業計算,繪制平面位置圖。

在河湖劃定方案獲得政府批準之后,需要從河湖管理保護范圍界線提取一些明顯重要的特征點,利用測繪放樣技術放設到實地,并將永久性固定標志(如界樁)埋設實地,標示和固化河道實地管理保護范圍。

1.2.3實地埋設固定標志

因地制宜,本文創新使用了“移位埋設”“移位界樁”和“電子界樁”等技術。當實地無法埋設,需要移位埋設界樁時,即界樁實際埋設位置與理論埋設位置不一致時,則須在界樁標示:“樁左/右側xx m為永定河管理/保護界”。當移位埋設也無法滿足需要時,在河道管理和保護管理范圍界線上,提取重要明顯拐點設為“電子界樁”。經過潛心研究和數次試驗,改變石刻工藝“兩次貼譜,兩次刻制,兩次噴繪”,最后在石材上實現刻繪北京水務Logo圖案。

利用全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)、全站儀等傳統測繪方法,可采集精確的位置信息,繪制成圖,為信息化管理提供基礎信息;對日常巡查執法測繪和小規模大比例地形圖進行修補測;以及劃定范圍界線實地驗證,具有靈活、快捷等優勢,但是缺點為采集信息有限。

2 無人機航空攝影、機載激光雷達應用于河道巡查執法

2.1 無人機航空攝影

目前,無人機航空攝影已非常成熟,具有快捷、安全、精度高、成本低、操控性強、獲取信息豐富、測繪成果多樣化等特點,可快速獲取數字正射影像(Digital Orthophoto Map, DOM)、實景三維模型和數字線劃圖(Digital Line Graphic, DLG)等測繪成果,在水務、農業、林業等領域得到了廣泛應用。在生產數字線劃圖、正射影像、實景三維模型方面有巨大優勢。采用低空無人機航空攝影,為河湖劃定和管理提供準確可靠、現勢性強的多樣化數據支持。

采用無人機航空攝影,進行河道巡查執法,可實現足不出戶迅速完成河道巡查,及時發現制止河道侵占、私挖盜采等違法行為。利用多期數據對比分析,可以統計分析河道變化情況,為河道長期管理決策提供科學依據。但是,缺點為受空域和天氣因素限制較大,在植被茂密區域效果不佳。

2.2 機載激光雷達

目前,機載激光雷達(Airborne LiDAR)已經比較成熟,相對無人機航空攝影具備同樣優勢,還具備高程精度高、抗干擾性強和“穿透”植被、云霧等遮擋物的特點。采用機載激光雷達,可獲取點云數據和高精度影像[9]。技術加工可快速獲取點云三維模型、實景三維模型、DLG、數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)、DOM等測繪數據成果,為河湖劃定和管理提供翔實的數據依據。利用多期數據成果對比分析,統計分析河湖變化情況,為河湖長期管理決策提供科學依據。但是,缺點同樣是受空域和天氣因素限制較大,且設備成本較高,可視化效果弱,數據冗余量較大。

3 地理信息系統應用于河湖信息管理

為滿足河湖信息化管理需要,利用地理信息理念,并確保界樁編碼唯一性,對河湖管理保護范圍界樁進行編碼和標示設計。以永定河北京市管段為例:界樁編碼采用“河道名稱代碼—區名稱代碼—界類型代碼—左岸/右岸—行政代碼—序號”六級編碼體系,六級碼段具體信息如下:

河道名稱代碼—區名稱代碼—界類型代碼—左岸/右岸—行政代碼—序號

YDH—MTG/SJS/FT/FS/DX—GL/BH/GB—Z/Y—BH/Q/Z/S—XXX

各級碼段所代表意義為:(1)“YDH”:永定河;(2)“MTG/SJS/FT/FS/DX”:門頭溝/石景山/豐臺/房山/大興區;(3)“GL/BH/GB”:管理界/保護界/管理保護界;(4)“Z/Y”:左岸/右岸;(5)“BH/Q/Z/S”:北京河北界/區界/鎮界/所界;(6)“XXX”:序號,為三位001至999,沿河流方向自上而下,以區段、左岸、右岸、管理界、保護界和管理保護界為單位分別編號,不得重復必須保持界樁編號的唯一性。

以永定河為例,管理保護界樁正視面(A)、背視面(C)、側視面(B)、側視面(D)四個側面和頂視面雕刻標示信息、規格、編碼等規定范例見圖2。

圖2 界樁規格、編碼和標示規定范例圖

利用地理信息系統技術,建立時空信息管理和動態監測系統[10],河湖時空信息管理和動態監測系統包含底圖(地形圖、影像圖、三維模型等)、管理保護范圍、行政界線、界樁、水利設施和各類注記等幾何數據和屬性數據?？稍谙到y上查看界樁分布情況,結合衛星影像及無人機航攝照片,實時監測每個界樁的情況。實時掌握河湖動態信息,及時發現處置非法盜采、侵占河湖、圍墾河湖、非法設障等行為;在水庫和河道大壩安裝傳感器,實現大壩自動化安全監測;在重點區域安裝傳感器,實時監測生態環境變化。提高河湖空間信息信息化、智能化管理,為河湖長期高效精細化管理、自動化安全監測、生態環境監測以及應急防洪防汛減災求援決策提供有力支持。

4 結束語

測繪地理信息技術是重要的技術手段,通過測繪地理信息技術的綜合運用,無論是作為前期的河湖規劃和劃定,還是后期的河湖管理、自動化安全監測和生態環境監測以及應急防洪防汛減災救援,均能提供精準信息和技術支持。

關于河湖劃定和管理測繪工作,建議要為河湖規劃、劃定提供信息采集定位、地理信息制作服務,還要協助河湖管理部門和屬地政府把河湖地理信息管理系統建設起來,最后為實現河湖長期管理、自動化安全監測和生態環境監測以及應急防洪防汛減災救援提供精準信息和技術支持,確保中央河長湖長制深化落實到位,以建設美麗中國和文明生態。