高空间分辨率遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用探讨

2015-01-27史明昌罗志东王晓晶刘二佳

中国水土保持 2015年12期

关键词：林草扰动水土保持

康芮，史明昌，赵院，罗志东，王晓晶，刘二佳

(1.北京林业大学，北京 100083；2.水利部水土保持监测中心，北京 100055；3.北京地拓科技发展有限公司，北京 100084)

高空间分辨率遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用探讨

康芮1，史明昌1，赵院2，罗志东2，王晓晶3，刘二佳3

(1.北京林业大学，北京 100083；2.水利部水土保持监测中心，北京 100055；3.北京地拓科技发展有限公司，北京 100084)

高空间分辨率；遥感；生产建设项目；水土保持监测；指标体系；面向对象

遥感技术已广泛应用于农业、工业、国防、交通等各个领域，在水土保持行业的应用也很广泛，如开展水土保持调查、土壤侵蚀普查等工作。在分析生产建设项目水土保持监测研究现状、遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用现状的基础上，提出利用高空间分辨率遥感技术提取生产建设项目水土保持监测中部分关键指标的监测方法。通过分析和初步试验得出结论，这种方法是一种实用、快捷和值得推广的监测方法。

在开展矿山、电力、铁路、公路、水利工程等生产建设项目过程中，通常需要进行土地平整、采石取土、坡面开挖及填筑、渣料临时堆放、弃渣弃土、运行期尾矿与灰渣的存储等工序，易造成水土流失，因此，需要对生产建设项目进行水土保持监测。

目前，生产建设项目水土保持监测一般采取调查监测、地面监测和资料分析相结合的方法。这种组合方法虽然精度高，但是自动化程度低、费时费力，且所得数据范围有限，所以其应用受到一定限制。遥感作为20世纪60年代发展起来的科学技术之一，所获取的信息具有面积大、实时性强、费用低等优点。利用遥感技术进行生产建设项目水土保持监测，可大大提高其精度和效率。因此，研究基于高空间分辨率遥感技术的生产建设项目水土保持监测与评价指标提取具有十分重要的意义。

1 生产建设项目水土保持监测研究现状

我国的水土保持监测工作可以追溯到20世纪20年代，但是生产建设项目水土保持监测工作却是近年来随着水土保持事业的发展和国家对水土保持生态建设的逐步重视才开展起来的。目前，我国对生产建设项目水土保持监测的研究包括内容体系、指标体系和方法体系三部分。

1.1 内容体系[1]

(1)水土流失因子。包括地形地貌、土壤性质、植被覆盖率和降水、风等因子。

(2)水土保持生态环境。如地形、地貌和水系变化情况，项目建设占地和扰动地表面积，挖填方数量和占地面积，弃土(石、渣)量、堆放形态和面积，临时堆土的数量、堆放时间、形态和占地面积。

(3)水土流失动态。包括水土流失类型、面积、强度和流失量变化，对下游和周边地区造成的危害。

(4)水土保持措施。具体是各类水土保持措施的数量和质量，林草成活率、保存率、生长情况，工程措施的稳定性、完好程度和运行情况。

(5)水土保持效果。包括扰动土地整治率、水土流失总治理度、拦渣率、土壤流失控制比、林草植被恢复率和林草覆盖率。

1.2 指标体系

构建统一完善的生产建设项目水土保持监测指标体系是开展监测工作的前提。监测指标体系要全面反映水土流失动态及其防治效果，针对不同监测内容选择具体的监测指标。目前，生产建设项目监测指标体系有几种分类方法，内容相似，只不过详细程度不同。水利部发布的《水土保持监测技术规程》中将生产建设项目水土保持监测指标分为三个部分，分别是项目建设区水土流失因子监测、水土流失状况监测和水土流失防治效果监测[2]。唐学文等提出的开发建设项目水土保持监测指标体系由1个目标层、5个控制层、27个要素和73个指标构成，5个控制层分别是项目区水土流失背景监测、水土流失状况监测、水土流失危害监测、水土保持措施实施情况监测和水土保持措施实施效益监测[3]。除水土流失因子、水土流失状况、水土流失危害、水土保持措施实施情况、水土保持措施防治效果外，丛日亮、赵恭还提出了城镇建设独特的监测指标，包括扰动侵蚀面积、扰动侵蚀量、主要的防护工程、路面硬化率、人均绿地面积、人居环境安全度、人居环境满意度、裸地保护率、降水蓄滞能力等[4]。王喜君[5]、王雪梅等[6]分别通过计算扰动土地整治率、水土流失总治理度、拦渣率、土壤流失控制比、林草植被恢复率和林草覆盖率，监测兰州小峡水电站和玛纳斯电厂三期扩建工程的水土流失防治效果。

1.3 方法体系

目前，生产建设项目水土保持监测主要采取调查监测与定位观测相结合的方法[1]。

(1)调查监测。包括普查、抽样调查、地块调查、访问调查和巡查等方法。监测内容包括地形、地貌，占地面积，扰动地表面积，挖方量、填方量、弃渣量和堆放形态，对项目及周边地区可能造成的水土流失危害，防治措施数量和质量，林草成活率、保存率、生长情况和覆盖率，工程措施的稳定性、完好程度和运行情况。

(2)定位观测。主要是测定土壤侵蚀强度和径流模数，计算水土流失量。其中，水蚀监测主要采用小区观测、控制站观测、简易观测场、简易坡面测量等方法；风蚀监测采用降尘管(缸)观测、集沙仪观测等方法。

另外，对于大面积、长距离、跨省区的特大型项目，可采用遥感技术进行监测。

2 遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用研究现状

遥感技术能够及时、快速、客观、周期性地获取生产建设项目地表扰动、水土保持措施布局、水土流失面积、水土流失强度及分布等信息，是一种实用快捷和值得推广的生产建设项目水土保持监测方法。

由于大多数生产建设项目面积小，因此低分辨率遥感在生产建设项目水土保持监测中的应用是不可行的。中高分辨率遥感在生产建设项目水土保持监测信息提取中的应用主要集中在土地利用类型、植被覆盖度、土壤侵蚀强度和水土保持措施实施情况四个方面[7-13]，关于水土流失危害和水土保持措施防治效果提取方面的研究尚未进行。具体应用为：

2.1 土地利用类型监测

在生产建设项目水土保持监测中，土地利用类型提取的方法主要是目视解译和监督分类。具体步骤为：以项目建设区地形图及DEM 为基础，利用遥感影像处理软件对影像进行正射校正、融合、图像增强等影像预处理；采用目视解译或监督分类的方法提取土地利用类型。通过比较项目建设前、后的土地利用类型变化，可以掌握生产建设项目对该地区土地利用状况的影响。

2.2 植被覆盖度监测

在生产建设项目水土保持监测中，植被覆盖度提取的方法有两种：第一种是根据野外建立的样本，采用目视解译的方法从遥感影像中提取植被覆盖度。第二种是根据植被的反射光谱特征，用植被红波段、近红外波段的反射率计算NDVI；根据野外标准样地的实际植被覆盖度及专家多年的判读经验，寻找出NDVI与植被覆盖度之间的关系，并根据部颁标准对NDVI进行分级，从而得到植被覆盖度。通过比较施工准备期、施工期、试运行期的植被覆盖度变化，可以掌握生产建设项目对该地区的植被破坏状况。

2.3 土壤侵蚀强度监测

利用地形图或DEM提取坡度信息。将土地利用类型、植被覆盖度和坡度进行叠加运算，根据《土壤侵蚀强度分级标准表》(SL 190—96)土壤侵蚀强度的判别标准，评判出各个像元点的土壤侵蚀强度。通过比较项目建设前、后的土壤侵蚀强度变化，可以掌握生产建设项目对该地区的土壤侵蚀状况。

2.4 水土保持措施实施情况监测

中高分辨率遥感在生产建设项目水土保持监测信息提取中的应用主要是监测项目建设区水土保持措施的分布、数量和面积，所采用的方法是目视解译和监督分类。

目前，遥感在生产建设项目水土保持监测中的应用还存在一些问题，需要进一步完善。一是遥感可监测的指标有限。遥感在生产建设项目水土保持监测信息提取中的应用主要集中在土地利用类型、植被覆盖度、土壤侵蚀强度和水土保持措施实施情况等四个方面。而生产建设项目水土保持监测所关注的水土流失危害和水土保持措施防治效果的遥感监测还没有相关的研究。

二是使用的遥感方法存在不足。目视解译和监督分类是目前遥感在生产建设项目水土保持监测中应用最广泛的两种方法，但这两种方法都存在局限性。目视解译是指利用图像的影像特征(色调或色彩，即光谱特征)和空间特征(形状、大小、阴影、纹理、图型、位置和布局)，与多种非遥感信息资料相组合，运用地学相关规律，进行由此及彼、由表及里、去伪存真的综合分析和逻辑推理的思维过程。目视解译法存在着一定的局限性，主要包括以下几方面:要求解译人员须具有丰富的知识；费时费力，工作效率较低；主观性较强，容易产生误判。监督分类需要先选取有代表性的训练区作为样本，通过选择特征参数(如像元亮度均值等)，确定判别函数，据此进行分类。监督分类法具有以下缺点：人为主观性较强；训练样本的选取和评估需要花费较多的人力、时间；只能识别训练样本中所定义的类别，不能识别因训练者不知或因数量太少未被定义的类别，从而影响分类结果。

3 高空间分辨率遥感生产建设项目水土保持监测

3.1 高空间分辨率遥感生产建设项目水土保持监测指标

除了土地利用类型、植被覆盖度、土壤侵蚀强度和水土保持措施实施情况，以生产建设项目区的各土地利用类型面积为基础，可分析计算出扰动土地整治率、水土流失总治理度、林草植被恢复率和林草覆盖率等4个生产建设项目水土保持效果评价指标。

(1)扰动土地整治率。扰动土地整治率是指项目建设区内扰动土地的整治面积占扰动土地总面积的百分比[14]。扰动土地是指在生产建设活动中形成的各类挖损、占压、堆弃用地，均以垂直投影面积计。扰动土地整治面积是指对扰动土地采取各类整治措施的面积，包括永久建筑物面积。未受扰动的土地面积不计算在内，如水工程建设过程未受扰动的水域面积不统计在内。

在实际计算过程中，扰动土地面积为项目建设区面积，若生产建设项目类型为水利枢纽工程，则扰动土地面积不包括水库淹没面积，扰动土地整治面积为水保措施面积和永久建筑物面积。水保措施面积包括工程措施面积和植物措施面积；永久建筑物面积包括建筑物面积和硬化道路面积。利用高空间分辨率遥感影像可以提取植被和建筑、道路等地物的面积，由此得出扰动土地整治面积，再由建设单位处获取扰动土地面积，即可计算出扰动土地整治率。

(2)水土流失总治理度。水土流失总治理度是指项目建设区内水土流失治理达标面积占水土流失总面积的百分比[14]。水土流失面积包括因生产建设活动导致或诱发的水土流失面积，以及项目建设区内尚未达到容许土壤流失量的未扰动地表水土流失的面积。水土流失防治面积是指对水土流失区采取水土保持措施，并使土壤流失量达到容许土壤流失量或以下的面积，以及建立良好排水体系，并不对周边产生冲刷的地面硬化面积和永久建筑物占用地面积。弃土弃渣场地在采取挡护措施并进行土地整治和植被恢复，土壤流失量达到容许流失量后，才能作为防治面积。

在大型生产建设项目中，水土流失总面积一般近似看作除水域外的其他面积；水土流失治理面积一般可近似看作水土保持措施面积、建筑物面积、道路面积的和。利用高空间分辨率遥感影像可以提取水体、植被、建筑物、道路等地物的面积，由此得出水土流失治理面积，再由建设单位处获取项目建设区水土流失总面积，即可计算出水土流失总治理度。

(3)林草植被恢复率。林草植被恢复率是指项目建设区内，林草类植被面积占可恢复林草植被(在目前经济、技术条件下适宜于恢复林草植被)面积的百分比[14]。可恢复植被面积是指在当前技术经济条件下，通过分析论证确定的可以采取植物措施的面积，不含国家规定应恢复农耕的面积，以批准的水土保持方案数据为准。

在实际计算过程中，可恢复植被面积可以通过排除法来计算获得。在水蚀区，可恢复植被面积为除去主体工程、道路、生产活动附属设施等的占地面积，以及山区裸露基岩、水体等面积以外的其他面积。通过高分辨率遥感影像，可以提取出项目主体工程、道路、裸岩、水体等的面积，项目建设区面积减去这些面积的差值便是可恢复植被面积；同时，高分辨率遥感影像可以提取项目区内林草植被面积，以此计算得出林草植被恢复率。

(4)林草覆盖率。林草覆盖率是指林草面积占项目建设区面积的百分比[14]。林草面积是指生产建设项目建设区内所有人工和天然森林、灌木林和草地的面积。其中森林的郁闭度应达到0.2以上(不含0.2)，灌木林和草地的覆盖度应达到0.4以上(不含0.4)。零星树木可根据不同树种的造林密度将其折合为面积。

通过高分辨率遥感影像可以提取项目区内林草面积，从建设单位获取项目建设区面积，以此可以计算出林草覆盖率。

3.2 高空间分辨率遥感生产建设项目水土保持监测指标提取方法

高空间分辨率遥感影像几何结构信息丰富，细节表现能力强。遥感影像分类方法以含有更多语义信息的多个相邻像元组成的对象为处理单元，检测和提取目标地物的多种特征，实现遥感图像分类和目标地物提取[15-19]。

在已知生产建设项目防治责任范围和项目建设区范围的情况下，用遥感图像处理软件和面向对象的分类软件提取施工准备期、建设期、运行期生产建设项目的厂区、施工生活区、储煤场、排矸场、场内外道路、铁路专用线，其土地利用类型为水体、建筑物、道路、植被和裸地，根据提取结果计算扰动土地整治率、水土流失总治理度、林草覆盖率和林草植被恢复率。具体过程如下：

(1)数据预处理。对高空间分辨率遥感影像进行大气校正、正射校正，并将多光谱数据和全色数据进行融合。

(2)获取项目区边界。根据生产建设项目的水土保持方案和野外调查，获取项目建设区的位置和范围，进行投影转换，并生成矢量图。

(3)数据准备。以项目区边界为基础，对融合后高空间分辨率遥感影像进行裁剪，获取项目区待分类影像。

(4)多尺度分割。设置不同尺度、颜色因子、形状因子、紧密度因子、光滑度因子等分割参数，根据最大面积法，选择分割效果最佳的参数设置。

(5)影像分类。分析每种地物的形状、光谱、纹理特征、地物之间的关系，设置分类规则/策略。水体可根据归一化水体指数、面积、绿度指数、亮度、近红外波段提取；植被可根据归一化植被指数、绿度指数、蓝波段均值、红波段均值提取；建筑物可根据亮度、长宽比、边界指数、面积、与阴影的相邻关系提取；道路可根据亮度、长度、长宽比、近红外均值、植被指数提取；裸地可根据亮度、面积提取。

(6)计算指标。以生产建设项目区的各土地利用类型面积为基础，计算出生产建设项目的扰动土地整治率、水土流失总治理度、林草植被恢复率和林草覆盖率4个水土保持效果评价指标，结合生产建设项目所处的地理位置、水系、河道、水资源、水功能区、防洪功能区，判别防治效果是否符合不同等级的水土流失防治标准。

4 结论与展望

在高空间分辨率遥感影像上，提取生产建设项目区的植被、建筑物、水体、道路、裸地等地物信息，计算生产建设项目的扰动土地整治率、水土流失总治理度、林草植被恢复率和林草覆盖率4个水土保持效果评价指标，并结合现场查勘数据判断相关指标是否达到了水土流失防治目标。这种方法提高了生产建设项目水土保持监测的效率，是一种实用、快捷和值得推广的监测方法。

[1] 郭索彦，苏仲仁.开发建设项目水土保持方案编写指南[M].北京：中国水利水电出版社，2009:128.

[2] SL 277—2002，水土流失监测技术规程[S].

[3] 唐学文，孔德树，唐继斗,等.开发建设项目水土保持监测指标与方法体系探讨[J].中国水土保持，2006(6)：46-48.

[4] 丛日亮，赵恭.开发建设项目水土保持监测指标体系[J].水土保持应用技术，2011(6):14-17.

[5] 王喜君. 兰州小峡水电站水土保持监测指标分析与评价[J].甘肃水利水电技术，2009，45(10)：61-62.

[6] 王雪梅，托尔巴依尔，柴仲平.开发建设项目水土保持监测与评价——以玛纳斯电厂三期扩建工程为例[J].环境监测管理与技术，2011，23(6):35-39.

[7] 喻权刚.新技术在开发建设项目水土保持监测中的应用[J].水土保持通报，2007，27(4):5-9.

[8] 徐丰，曹宏，廖章志.遥感技术在开发建设项目水土保持监测中的应用——以洪家渡水电站为例[J].中国水土保持，2008(3):42-44.

[9] 林敬兰，朱颂茜.开发建设项目水土流失监测方法体系探讨[C]//陈能志,黄少敏.福建省第十三届水利水电青年学术交流会论文集.福州： 2009:220-226.

[10] 廖章志.开发建设项目水土保持遥感监测[J].水土保持应用技术，2009(2)：48-49.

[11] 罗爱萍，马安利，殷宝库.遥感技术在水土保持监督中的应用[J].山西水土保持科技，2011(4)：43-44.

[12] 何明月，马松增，魏曦.浅谈遥感技术在公路建设项目水土保持监测中的应用[J].交通建设与管理，2011(9):92-93.