基于不同分辨率遥感影像的生产建设项目水土保持动态变化监管技术研究

邝高明，吴光艳，金平伟，赵 敏

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州510611；2.珠江水利委员会 珠江流域水土保持监测中心站，广东 广州510611)



基于不同分辨率遥感影像的生产建设项目水土保持动态变化监管技术研究

邝高明1，吴光艳1，金平伟2，赵 敏1

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州510611；2.珠江水利委员会 珠江流域水土保持监测中心站，广东 广州510611)

生产建设项目；水土保持；动态变化监管；遥感调查

生产建设项目水土保持动态变化监管是水行政主管部门的一项重要日常工作。针对动态变化监管需求，结合不同分辨率遥感影像特点，研究了不同分辨率遥感影像在动态变化监管中的应用技术体系：基于中等分辨率遥感影像不同时期植被覆盖度变化情况，研究了区域新增扰动动态变化监测和合规性动态变化监管技术；利用高分辨率影像，分析了重点项目扰动动态变化、合规性动态变化和项目分类管理等内容；分别采用Landsat 8影像和高分一号高分辨率影像进行了应用示范；对区域生产建设项目水土保持动态变化监管频次和不同类型项目或重点水土流失部位动态变化监管频次进行了探讨，以期提高生产建设项目水土保持动态变化监管的针对性和工作效率。

为了提高全国水土保持监管工作信息化水平，2015年水利部水土保持监测中心编制了《生产建设项目监管示范实施方案》，要求在2015年第一次生产建设项目遥感监管示范的基础上，2016年更新遥感影像完成各示范县生产建设项目的动态变化监管[1]。生产建设项目施工土地扰动大、变化快，要更好地完成生产建设项目监督检查工作需要在一年内开展扰动动态变化监管，但动态变化监管也意味着水行政主管部门工作量和成本的大量增加。随着遥感技术的发展和在水土保持领域应用的深入，遥感调查技术已成为生产建设项目水土保持动态变化监管(以下简称“动态变化监管”)可持续开展的重要支撑。本研究在分析生产建设项目动态变化监管需求的基础上，提出了基于中等分辨率遥感影像和高分辨率遥感影像的生产建设项目动态变化监管技术体系，并介绍了实际应用案例。

1 动态变化监管需求分析

日常动态变化监管工作主要有以下几方面的需求：①区域动态变化快速监测需求。通常情况下，一定时间一定区域内不断会有新项目开工建设，也有部分项目建设完成，因此对于水行政主管部门而言，管理的生产建设项目数量和空间分布在不断变化，其中新开工建设项目多处于场平或开挖期，相比施工即将结束项目的水土流失风险更大，是水土保持监管的重点对象。因此，想要实现区域生产建设项目动态变化情况快速、高频次监测，发现新建项目或新增扰动以确定重点监管对象是前提。②重点项目动态变化监测需求。单个项目的扰动也是一个动态变化的过程，常见的有：在原有扰动的基础上扰动范围扩大；原有扰动结束或范围缩小，而新增其他扰动区域；整个项目建设完成，扰动结束。对于范围较大或交通不便的项目施工场地，现场监管不能对项目区进行全面调查，因此确定现场监管的重点区域是保证现场监管效果的关键。③已批生产建设项目施工状态动态变化监管需求。在日常水土保持监督检查工作中，经常遇到对已报批项目现场进行检查时项目还未开工的情况，因此结合报批项目设计资料确定项目实际开工时间，是避免无效监管的一项重要基础工作。

2 基于遥感影像的动态变化监管技术体系

2.1 监管内容与遥感影像

生产建设项目类型多样。结合姜德文等[2-3]的研究成果，《生产建设项目监管示范实施方案》将监管的生产建设项目类型分为公路、铁路、涉水交通、机场等36类，但不同类型生产建设项目的扰动面积、扰动强度、挖填方等特征差异较大，造成的水土流失危害程度和因素也各不相同[4]。比如：露天矿、水利工程等占地面积、土石方挖填量较大，工期多在60个月以上，在建设过程中会产生大量的挖填坡，造成的人为水土流失风险突出；房地产工程和加工制造类项目等占地面积有限、工期较短，人为水土流失相对容易防治。因此，应根据可能造成的水土流失风险程度确定不同类型项目的监管频次。同时，在生产建设项目建设过程中，受施工时段、材料质量、标段划分、运距等诸多因素的影响，很难做到土石方平衡，不可避免地会产生借方与弃方，由于失去了原有土壤结构，且在堆放过程中一般有较陡的松散堆积面，因此弃方的土壤侵蚀明显大于原地貌[5]，属于水土保持监管的重点对象。铁路、公路、水利水电工程等大型生产建设项目占地面积大，土石方挖填量大，在缺少影像而不能对项目区全面监管的情况下，可在施工期对弃渣(土)场、陡填坡等重点水土流失部位进行每季度1次的动态变化监管，以及时了解堆填方变化及水土流失变化情况，在施工结束后进行1次遥感调查，了解后续治理措施的实施效果。

目前市场上遥感影像数据类型繁多，获取相对容易和使用较多的遥感影像包括中等分辨率的Landsat 8和高分一号(大幅宽)数据，以及高分辨率的资源三号、高分一号和SPOT 6数据。中等分辨率遥感影像覆盖面广，价格便宜，数据量小且处理快捷；高分辨率遥感影像空间分辨率高，能够监管项目扰动的更多细节，但价格较高，数据量大，处理速度慢。因此，高分辨率遥感影像适用于各尺度生产建设项目扰动的动态变化监管，中等分辨率遥感影像只适用于大尺度生产建设项目扰动的动态变化监管；中等分辨率遥感影像适用于省、市级范围的大区域动态变化监管工作，高分辨率数据适用于县(区)级范围的动态变化监管。区域动态变化监管频次可以定为全区域每年至少2次，生产建设项目集中区每个季度至少1次。动态变化监管频次和监管内容见表1。

表1 生产建设项目动态变化监管频次和监管内容

2.2 动态变化监管技术路线

2.2.1 基于中等分辨率影像的动态变化监管

基于中等分辨率遥感影像的生产建设项目动态变化监管主要包括数据预处理、新增扰动动态变化自动监测和合规性动态变化监管等内容，技术路线见图1。

图1 基于中等分辨率遥感影像的动态变化监管技术路线

(1)数据预处理。对不同时期遥感影像分别做大气校正、正射校正和融合增强等预处理工作，不同时期遥感影像正射校正后相对误差不大于1个像元。

(2)新增扰动动态变化自动监测。生产建设项目新增扰动意味着原有地表覆盖的破坏，开工前后的区域植被覆盖度会发生剧烈的变化，可利用这一变化发现区域新增扰动的分布情况。通过归一化植被指数(NDVI)分别计算两期影像的植被覆盖度并得到相互间的差值，统计差值集中区域并确定由生产建设项目新增扰动引起的阈值，最后得到生产建设项目新增扰动区域。新增扰动区域较大的项目属于重点监督检查的对象。归一化植被指数(NDVI)计算公式为

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

VFC=(NDVI-NDVImin)/ (NDVI-NDVImax)

(2)

式中：NDVI为归一化植被指数；NIR为近红外波段发射率；R为红光波段反射率；VFC为植被覆盖度；NDVImin为区域NDVI最小值；NDVImax为区域NDVI最大值。

(3)施工状态和合规性动态变化监管。将已报批项目的防治责任范围图和预处理后的遥感影像叠加，如果防治责任范围内有扰动，则说明项目已开工，可以开展监督检查工作；如果防治责任范围内没有扰动，则说明项目还未开工。另外，防治责任范围外的扰动属于未批先建项目或者部分扰动在防治责任范围外为超出批复范围的项目，都属于重点监督检查的对象。

2.2.2 基于高分辨率影像的动态变化监管

高分辨率遥感影像不仅能完成中等分辨率遥感影像监管的各项内容，而且能够监管更多细节，因此对于中等分辨率遥感影像确定的新增扰动面积大、未批先建等重点监管项目，可利用高分辨率遥感影像进行进一步的调查。技术路线详见图2。

图2 基于高分辨率遥感影像的动态变化监管技术路线

(1)项目动态变化结果分类。将两期扰动图斑解译结果空间叠加后，把叠加结果分为扰动结束区域、新增扰动区域和延续扰动区域，其中扰动结束区域一般包括绿化措施区和主体工程区，在高分辨率遥感影像上可以通过面向对象或人工交互式解译的方法，获取不同时期绿化措施及主体工程分布区域和面积。

(2)扰动合规性变化监管。将防治责任范围图与扰动图斑解译结果叠加，可将叠加结果分为三类：一是有扰动图斑、无防治责任范围图，表明项目尚未批复水土保持方案，但已开工建设，属未批先建项目；二是扰动图斑完全包含防治责任范围图或与防治责任范围图空间相交，表明生产建设扰动超出防治责任范围，判定为超出防治责任范围；三是扰动图斑完全包含于防治责任范围图内，为合规项目。其中，前两类属于水行政部门现场监管的重点。

2.3 基于动态变化监管结果的项目分类

为便于日常管理，根据动态监管结果，可将项目分为续建、新增、停工和完结4种类型，其中新增和续建项目是现场监管的重点。若某个生产建设项目在前一次遥感调查结果中不存在，而在最新一次调查结果中出现，表明是两次遥感调查期间开工建设的项目，判定为“新增”项目。若某个生产建设项目在前一次遥感调查结果中已经存在，而且在最新一次调查结果中还存在，表明该生产建设扰动还在继续，则判定为“续建”项目。“续建”项目包含3种不同的情况：一是两次遥感调查结果扰动范围没有发生变化，但经现场复核或其他证据表明已经发生扰动的区域还在进行生产建设活动；二是随着施工的开展，项目最新一次扰动范围超出上次调查的扰动范围；三是部分项目由于各项水土保持措施的实施，最新一次扰动范围比上次调查扰动范围有所缩小。若某个生产建设项目在前后两次遥感调查结果中扰动范围没有发生变化，而且经过现场复核或有其他证据表明项目已经停工的，则判定为“停工”项目。若某个项目在前一次遥感调查结果中存在扰动，但在最新一次遥感调查结果中不存在扰动的，表明该生产建设扰动已经结束，则判定为“完工”项目。

3 应用案例

3.1 中等分辨率遥感影像动态变化监管案例

选择“珠三角”地区某区域作为示范区，利用Landsat 8影像作为数据源，分辨率15 m。共使用了3期，时相分别为2013年11月29日、2014年12月16日和2015年10月24日，见图3。从图中可以看出，2013年11月29日项目区内扰动没有超出防治责任范围，2014年12月16日图中左侧部分扰动超出，2015年10月24日超出范围继续扩大。另外，前后两期中等分辨率遥感影像的植被覆盖度的前后变化能较好地反映出区域内新增扰动的位置，2014年相比2013年新增扰动面积较小，而2015年相比2014年新增扰动面积大大增加。根据动态变化监管结果，水行政部门可以根据变化区域面积大小确定重点监管对象，但这一方法不能发现动态变化期间持续扰动项目或项目的原有扰动区域。另外，由于遥感影像分辨率较低，因此对新增的小尺度项目扰动发现效果较差。

3.2 高分辨率遥感影像动态变化监管实例

选择某项工程作为示范项目，利用高分一号高分辨率影像作为数据源，全色分辨率2 m，多光谱分辨率8 m。共使用了两期，时相分别为2014年11月26日和2015年10月20日。两期项目扰动范围全部位于项目防治责任范围内，为合规项目。将两期高分辨率遥感影像解译的扰动范围叠加结果分为扰动结束区域、新增扰动区域和延续扰动区域，统计不同区域的面积，见图4。2014年11月26日此项目扰动面积7.39 hm2，截至2015年10月20日，原有扰动区域中继续扰动区域4.92 hm2、扰动结束区域2.48 hm2、新增扰动区域2.51 hm2，因此2015年11月20日此项目扰动面积为7.43 hm2。另外，扰动结束区域一般包括实施绿化措施和硬化的区域。本项目扰动结束区域中采取绿化措施面积1.25 hm2，硬化或水域面积1.23 hm2。

图3 基于中等分辨率影像新增项目扰动自动监测实例

图4 基于高分辨率影像的单个项目扰动动态变化监测实例

4 结 论

利用遥感影像开展生产建设项目动态变化监管，能全面、快速地了解区域内生产建设项目空间分布和数量的动态变化情况，目前已在一些地区得到了很好的应用[6]。本研究对不同分辨率遥感影像生产建设项目动态变化监管技术进行了研究，并选择项目区进行了应用实践，主要结论如下：

(1)基于中等分辨率遥感影像不同时期的植被覆盖度变化能够很好地反映区域扰动动态变化情况，具有快速、高频次的优势；中等分辨率遥感影像能对大尺度生产建设项目扰动动态变化情况进行监管，结合已报批项目的防治责任范围图，可以初步判断项目扰动的合规性。

(2)高分辨率遥感影像能够完成中等分辨率遥感影像监管的各项内容，但由于幅宽小、价格高、数据量大、处理速度慢，更适合于单个项目或重点部位扰动动态变化监管；高分辨率遥感影像主要用于项目合规性、植物措施实施情况和扰动部位的动态变化监管。

(3)根据动态变化监管结果，可将项目分为续建、新增、停工和完结4种类型，其中新增和续建项目是现场监管的重点。

(4)在物力和技术条件好的地区，可以选择高分辨率遥感影像或加密动态变化监管频次以加强建设项目动态变化监管工作的效果。由于生产建设项目扰动大、变化快，因此在获取不到合适时相遥感影像的情况下，可利用无人机技术对重点项目或重点水土流失部位进行动态监管，提高监管工作的时效性。另外，关于适用范围，在我国南方地区利用植被覆盖度变化发现新增扰动项目较为合适，在北方植被生态较差的地区由于原有植被较少，因此应用效果尚待探讨。

[1] 李智广,王敬贵.生产建设项目“天地一体化”监管示范总体实施方案[J].中国水土保持,2012(2):14-17.

[2] 姜德文,田颖超,郝捷,等.生产建设项目水土保持分类与分类管理对策[J].水土保持通报,2015,35(3):116-120.

[3] 赵辉,王克勤,杜春利,等.生产建设项目水土保持方案的分类管理[J].水土保持通报,2015,35(3):121-125.

[4] 姜德文.开发建设项目水土保持损益分析研究[M].北京:中国水利水电出版社,2008:83-154.

[5] 柳小强.工程弃土土壤侵蚀人工模拟降雨试验研究[J].亚热带水土保持,2009,21(2):1-5.

[6] 邝高明,吴光艳,刘超群,等.遥感技术在广州市水土保持监督检查中的应用[J].中国水土保持,2016(6):74-76.

(责任编辑 李杨杨)

水利部科技推广项目(SF-201606)；水利部综合事业局拔尖人才培养专项资金研究项目(20150608-01)

S157

C

1000-0941(2016)11-0024-04

邝高明(1987—)，男，河南驻马店市人，工程师，硕士，主要从事水土保持遥感调查。

2016-09-26