空间技术在生态清洁小流域建设前期工作中的应用探讨

2014-10-25杨元辉段淑怀化相国刘佳璇

中国水利 2014年10期

杨元辉，李霞，段淑怀，化相国，刘佳璇

（1.北京市水土保持工作总站，100036，北京；2.二十一世纪空间技术应用股份有限公司，100096，北京）

为保障北京市生态清洁小流域建设的科学合理，北京市水保部门经过长期实践与摸索，建立了一套完善的生态清洁小流域工程设计和建设规范。但是由于生态清洁小流域建设工程涉及范围大、措施多，在规划设计阶段实地踏勘调查面积有限，缺少全覆盖的实地状况图，给专家评审带来一定难度。高分辨率卫星数据具有全覆盖、精细化、时效性强的优势，通过将措施位置落实到高分辨率卫星数据上，使措施及其周边的基础信息直观、全面地展示，能够及时发现设计中不符合相关规范的现象，从而为规划审批与管理提供技术支撑。

一、工作模式

1.卫星数据基础

生态清洁小流域综合治理措施涉及点、线、面各类型，治理措施的占地面积大小不一，对遥感卫星数据的性能指标，尤其是空间分辨率要求较高。米级高分辨率卫星数据的空间信息丰富，小流域地表要素以及21项综合治理措施的识别清晰准确。

为了促进米级高分辨率卫星数据在水土保持管理方面的深入应用，满足生态清洁小流域建设精细化管理的需求，北京市开展了利用1 m高分辨率的卫星数据开展生态清洁小流域建设规划审批的研究与应用探索，目前已在辅助生态清洁小流域建设专家评审、业务审批以及监督管理等方面取得了初步成果。

2.生态清洁小流域规划审批新工作模式

山区小流域环境的复杂性和规划对象的多元化决定了规划设计的高度综合性特点，工程涉及范围大、领域广、措施多，在规划审批过程中掌握小流域治理标准的落实情况和设计质量，成为水保部门的一项重要任务。

经过两年的技术研究与实践，北京市利用遥感技术手段，逐步引入米级高分辨率卫星数据，提出了高分辨率卫星数据在生态清洁小流域建设规划审批中的应用模式。一是规划编制单位将高分辨率卫星数据作为实地调查底图，到现场考察小流域的现状特点和存在问题，划分出生态修复区、生态治理区和生态保护区，并且有针对性地布设工程措施；二是利用最新的高分辨率卫星数据监测小流域地表要素现状，将小流域治理措施的空间位置和高分辨率卫星数据配准与叠加，分析小流域治理措施在空间布局上存在的问题，形成“第三方”评审的工作方式；三是在专家评审会上，直观地显示小流域的米级高分辨率卫星数据，以及治理措施和周边详细信息，辅助专家评审小流域治理规划设计科学合理。规划编制单位根据评审和整改意见进一步完善，以确保生态清洁小流域建设的科学合理。

二、工作方法及技术思路

高分辨率卫星数据在小流域建设审批中应用模式流程如图1所示。

图1 高分辨率卫星数据在小流域建设审批中应用模式流程图

1.高分辨率卫星数据解译

此工作模式采用空间分辨率1 m或优于1 m的商业卫星数据，如QUICKBIRD、IKONOS 和 WORLDVIEW等。随着高分辨率卫星技术的发展，将有更多的数据源满足此项工作需要。利用ERDAS、ENVI等图像处理系统对高分辨率卫星数据进行影像纠正、配准、镶嵌与融合处理，制作正射影像图后，为数据加入满足实际需要的统一投影方式和精确的空间坐标信息，从而实现了各地块的高精度定位。正射影像图可以直观显示地表覆盖要素的类型和边界，可以从中提取小流域内的自然资源、居民地等基础信息，准确地判读梯田、水土保持林、土地整治、挡土墙、农路、防护坝等21项措施范围内及周边地表覆盖状况。同时结合大比例尺的数字高程模型（DEM）绘制等高线、坡度坡向、水系沟道等信息。数据类型为栅格数据结构或矢量数据形式，能够实现多重信息的高精度空间配准和叠加分析。

2.治理措施空间布局图绘制

规划编制单位上报审批的生态清洁小流域综合治理工程设计图册，运用 ERDAS、ARCGIS等专业软件，将PDF或CAD格式的图件经过格式转换、空间几何纠正、信息提取、图层合并、赋属性和拓扑检查等步骤实现措施位置及范围落到正射影像图上，使其与正射影像图具有统一的投影方式与坐标信息，数据格式为ArcInfo Shapefile矢量数据，多重数据间能够相互套合。数据类型分为点、线、面三种，点状数据类型包括封禁标牌、垃圾中转站等治理措施，线状数据类型包括护栏、拦沙坝、挡土墙、护坡等治理措施，面状数据类型包括梯田、水土保持林、土地整治、河（库）滨带治理等治理措施。有的治理措施为多种数据类型，比如村庄美化、沟道清理整治等。通过治理措施空间化将零散、独立的图件集中化展示。

3.措施空间布局合理性分析与反馈

将上报审批的治理措施范围与正射影像图、土地利用图、坡度坡向图、水系沟道图、小流域边界图、行政边界图及基本农田保护区图等叠加，从而直观地核实措施设计是否符合地块现状、是否超出小流域边界范围、是否占用基本农田等。再按照《生态清洁小流域技术规范》及其他相关标准规范要求，开展各项治理措施空间布局的合理性审查，从现时的米级高分辨率卫星数据上初步判断治理措施存在的问题和设计质量状况，并直观、全面地展示给评审专家，辅助专家形成评审意见，提高治理措施规划评审的合理性与准确性。对于发现的治理方案图册中的违规、不合理现象，规划编制单位重新设计与整改，并进行新一轮的上图与评审，确保评审环节科学严谨。

4.小流域空间数据管理

充分结合遥感、地理信息系统、计算机信息化等技术对小流域的地表要素现状、治理措施规划设计等各种信息进行综合统一管理，形成快速便捷的数据采集、存储、管理和展示体系，构建覆盖完整小流域的综合数据管理工具，为小流域治理情况的实时查询、评价、统计分析和决策制定等提供数据支持，使得管理部门能够有效管理小流域的治理工程，全面提高生态清洁小流域建设的效能及效益，为小流域规划与管理走向信息化奠定坚实的基础。

三、实践效果

经过两年的技术研究与实践，逐步形成了高分辨率遥感影像辅助生态清洁小流域建设审批工作新模式，在专家评审会上起到了良好的辅助效果，并得到了好评。本项工作能够有效地发现以下几类现象：

1.措施设计布局是否符合规划原则

基于北京市水土保持规划管理的需要，北京市划分了1 085条小流域，每条小流域都有其明确的边界范围。通过将治理措施与小流域及三道防线划分数据进行叠加，可以检查各项治理措施是否全部布设在小流域范围内，并及时发现了未按照“生态修复区、生态治理区、生态保护区”三道防线规划原则布设措施的现象。

2.措施设计位置与现有地块是否相符

生态清洁小流域建设要求各项措施应落实到地块、村庄或沟道，并明确反映在措施布局图中。通过将高分辨率遥感影像与治理措施进行空间叠加，可以对治理措施的设计范围与地块实际走向进行对比，从而进一步提高措施规划设计的精确程度。例如：梯田措施设计范围过大，其中包含建筑物、设施用地、道路等其他地物类型；田间生产道路措施未按原有道路走向设计，存在穿越农田、房屋等问题。

3.措施上图信息与设计文本中是否一致

利用地理信息系统工具可以快速、准确地对上图的治理措施量化数据进行空间量算，并与设计文本中的措施设计信息进行核对，辅助专家及时发现措施工程量及其预算多报的现象。例如：田间生产道路措施空间量测长度为855 m，而在设计文本中描述为1 223 m；梯田整修措施设计地块面积有18 hm2，而设计文本中描述为22 hm2。

4.措施设计是否改变或占用基本农田

在小流域内退耕地和荒坡地建造经济林措施，能够有效地提高其保土能力，并增加当地经济收入。但如果在基本农田范围内栽种经济林，就改变了基本农田的土地性质，违反《基本农田保护条例》的相关规定。通过对治理措施与基本农田空间数据进行叠加分析，辅助管理部门和评审专家及时发现并纠正了治理措施中占用基本农田的现象。

5.措施空间位置是否符合《生态清洁小流域技术规范》的要求

图2 遥感技术辅助小流域规划设计评审应用效果图

根据《生态清洁小流域技术规范》中关于21项治理措施设计的具体要求，结合遥感影像、小流域基础信息及治理措施空间位置信息进行叠加分析，能够有效地发现设计中的不合理现象。例如：在坡度15°以上的地块设计梯田和经济林措施，村庄排洪沟措施布设未与自然沟系相连接，通过遥感影像发现树盘措施的地块现状不是经济林，防护坝周边无村庄、道路及农田等明确的防护对象，在自然植被现状较好的地块仍设计河滨带治理措施等（见图2）。