国产高分卫星遥感在生产建设项目水土保持监督中的应用——以晋陕蒙接壤煤炭开发集中区为例

，，(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)

开展生产建设项目水土保持监督是水土保持法赋予水行政主管部门的一项重要工作。《水土保持法》第二十九条规定，“县级以上人民政府水行政主管部门、流域管理机构，应当对生产建设项目水土保持方案的实施情况进行跟踪检查，发现问题及时处理”。自新水土保持法颁布实施以来，国家愈加重视生产建设项目水土保持预防监督工作[1]，《水利部水土保持司关于印发生产建设项目水土保持监测工作检查要点的通知》(水保监便字〔2015〕第72号)中明确提出水行政主管部门需对生产建设项目的扰动土地情况、取(弃)土情况、水土流失及水土保持措施等进行检查复核。根据中国水土保持公报，自2004—2013年，全国每年审批生产建设项目水土保持方案个数由2.1万个增加到3.079 1万个，平均每年增长5.18%。其中，水利部每年平均审批国家大型生产建设项目299个，涉及水土流失防治责任范围4 404 km2；各省(自治区、直辖市)每年平均审批生产建设项目水土保持方案2.42万个，涉及水土流失防治责任范围10 673 km2。生产建设项目一般具有一定的建设周期，因此每年需要监督的在建项目数量通常为批复水土保持方案数量的几倍。例如，2007年，水利部开展了生产建设项目水土保持监督执法专项行动，全国共计调查生产建设项目达到10.48万个，开展执法调查合计3.56万次。近年来，随着各级水行政主管部门监督检查和执法的力度和广度不断加大，监督检查工作任务繁重。

与此同时，生产建设项目水土保持监督检查主要采用现场调查的方法，越来越难以满足当前水土保持预防监督工作的需求，主要体现在：①人力、经费有限，检查覆盖项目少、频次低，难以全面掌握区域内生产建设项目水土流失的整体和动态情况；②缺少量化判别和评价的技术手段，人为扰动合规性判别和调查取证难度较大；③仅能针对已批复水土保持方案的项目开展监督检查，对未批先建、私自开发的生产建设项目，缺乏及时发现的手段，导致预防监督工作缺乏深度和广度[2]。因此，生产建设项目水土保持预防监督亟需新的技术方法和手段支撑。

1 高分辨率遥感在水土保持工作中的应用现状

采用遥感与GIS技术能快速获取区域地表植被变化情况，提取扰动范围、面积、林草覆盖率等指标，是区域水土流失调查和监测的重要手段。随着高分辨率遥感技术的发展，针对工程尺度的水土保持遥感应用研究工作也大量开展。例如，徐丰[3]等人应用遥感技术开展了洪家渡水电站实施的各项水土保持措施监测，获得了项目建设前和竣工验收期水土流失的精确数据、地表扰动面积及其分布；刘宪春[4]等人提出，在生产建设项目水土保持监测中，以优于5 m分辨率的遥感影像为数据源，可实现对生产建设项目水土流失全过程、全方位监测。针对生产建设项目监督检查工作而言，采用高分辨率遥感技术可快速获取项目的扰动面积、水土流失情况、水土保持措施进度等指标[3]，提高工作效率，有助于水行政主管部门从宏观上了解生产建设项目的总体情况。

但是，目前商用高分辨率遥感影像多为国外卫星提供，数据价格较高，1 km2的影像购置费往往高达上百元，且受到影像时相限制，造成了高分辨率遥感技术目前较难在水土保持监督工作中大范围应用。同时，如何充分响应和满足生产建设项目水土保持监督检查业务化应用需求的技术方法，尚需要进一步探索研究。

国产高分1号卫星是中国2013年发射的高分辨率卫星，是高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的首发星，配置了2台2 m分辨率全色、8 m分辨率多光谱相机，4台16 m分辨率多光谱宽幅相机，卫星侧摆时重访周期为4 d，不侧摆的覆盖周期为41 d。与目前应用较广的其他国内外高分辨率卫星相比，国产高分1号卫星具有价格低廉、重访周期短的优势，为满足水土保持监督检查工作需求提供了可能。本研究针对水土保持监督检查工作中的需求，选择典型研究区域，对国产高分遥感卫星在水土保持监督检查中的适用性进行了探索性的研究。

2 研究区概况

研究区位于晋陕蒙三省接壤煤炭开发集中区中部，面积2 681 km2，具体范围见图1。晋陕蒙三省接壤煤炭开发集中区是指晋西北黄土高原、陕北与鄂尔多斯高原的接壤地带，包括山西、陕西、内蒙古3省(区)13个县(旗、区)，总面积5.44万km2，是黄河流域水土流失最严重的地区和黄河粗泥沙的主要产区。该区域气候干旱、少雨多风，多年平均降水量310～490 mm，植被稀少，生态环境脆弱，自然水土流失较严重，水、旱、风沙、霜冻等自然灾害频繁。据不完全统计，该区域水土流失面积占比85.48%，年平均输沙量4.9亿t，平均侵蚀模数0.9万t/(km2·a)，局部地区高达3～4万t/(km2·a)。同时，该区域自然资源十分丰富，富含8类48种矿产资源，随着区域经济社会快速发展，生产建设活动日趋频繁，据统计，截至2014年9月30日，该区域仅水利部累计批复各类大中型生产建设项目水土保持方案175个，批复水土流失防治责任范围2 097.72 km2。

图1 研究区位置

3 研究方法

3.1 数据及预处理

3.1.1遥感数据

本研究选择高分一号卫星多光谱和全色影像作为数据源，多光谱数据空间分辨率为8 m，包含有蓝、绿、红、红外四个常用的波段(具体的波段设置参见表1)，全色分辨率为2 m。遥感影像获取时间为2013年8月、2014年4月，共获取不同时间成像的2期影像。

表1 高分一号8 m分辨率数据信息

采用1∶50 000比例尺DEM对遥感影像进行正射校正和几何校正，并进行增强融合处理，融合后遥感数据的分辨率达到2 m。

3.1.2其他数据

截至2014年8月已批复的生产建设项目水土保持方案，提取防治责任范围图，采用地理配准的方法进行空间矢量化处理。

3.2 研究技术路线和方法

3.2.1技术路线

技术路线见图2。

图2 生产建设项目水土保持遥感监督技术路线

3.2.2研究方法

3.2.2.1研究区扰动图斑解译

a) 建立分类体系。本研究根据水利部水土保持监测中心开展的生产建设项目水土保持准入条件研究[5]中提出的15类生产建设项目的建设特点，对生产建设项目类型进行划分。除了以上类别，还有3种情况：①项目正在建设中，功能分区和设施没有建成，不能区分具体的行业类型;②受遥感影像分辨率的限制，在实地虽能区分行业类型，但在遥感影像上无法辨识行业或扰动类型;③孤立的扰动地块，如一个孤立的搅拌站，或取(弃)土场，无法将其归于某个生产建设项目。对这3种情况的生产建设项目图斑，将其统一归为其他扰动地块。因此，本研究将生产建设项目共划分为16类。

b) 建立解译标志。在建立项目分类体系和外业调查的基础上，采用遥感图像与实地对照的方法、同时结合解译经验及既有的遥感解译成果等方法建立水土流失遥感解译标志库，保证同一信息源、不同时相的影像分别建立相应的解译标志。

c) 扰动图斑解译。根据解译标志对研究区所有生产建设项目扰动图斑的边界、类型进行确认勾绘，在完成野外验证的基础上，统计分析研究区生产建设项目扰动图斑分布、类型、面积。

3.2.2.2研究区生产建设项目时空对比分析

a) 合规性空间分析。在研究区域选择典型项目，将配准好的项目防治责任范围图与遥感影像进行叠加分析，对项目区实际扰动面积是否超出防治责任范围进行合规性分析。

b) 动态对比分析。利用扰动图斑解译方法，对2014年研究区影像进行解译分析，并与2013年解译的成果进行对比分析，得到研究区扰动土地动态变化，对新增扰动图斑的合规性进行分析。

3.2.2.3典型项目人为水土流失强度判别

a) 现场调查。选取典型生产建设项目，调查项目区典型地块坡度、坡长、水土保持措施等水土流失因子，结合项目区监测资料及土壤侵蚀分类分级标准 (SL 190—2007)判定调查地块的土壤侵蚀强度。

b) 建立侵蚀强度查找表。由于遥感影像的滞后性和现场交通情况的特殊性，因此，项目区部分地块在野外调查时会出现与影像不对应或现场无法到达的情况。鉴于此类情况，本研究在野外调查的基础上，针对2 m分辨率下遥感影像的特殊性，提出了生产建设项目土壤侵蚀强度查找表，对每种类型的扰动地块的水土流失因子和土壤侵蚀强度分别建立解译标志，用于判定和提取项目区所有地块的水土流失因子和土壤侵蚀强度等专题信息。

c) 土壤侵蚀强度判别。根据土壤侵蚀强度查找表，判别项目区所有地块土壤侵蚀强度，在完成野外验证的基础上，建立典型项目土壤侵蚀强度分布。

4 结果分析与讨论

4.1 研究区生产建设项目扰动情况分析

研究区生产建设项目扰动土地解译成果见图3及表2。由图3可知，研究区生产建设项目扰动图斑集中分布于研究区中北部及中南部地区，主要项目类型为露天煤矿。由表2可知，研究区共解译了11种项目类型，1 028个项目图斑，26 777.22 hm2的扰动面积。除去其他扰动地块后，共解译了560个项目图斑，10种项目类型，23 227.53 hm2的扰动面积。从项目图斑个数上看，露天开采、 井采矿、城镇开发建设类项目占比最大，从扰动面积看，露天开采、井采矿、公路铁路工程占地面积最大，尤其是露天开采项目，占了所有项目占地面积的68.36%。露天开采项目属建设生产类典型建设项目，基建期和生产运行期土石方挖填量都极大，建设和生产期间裸露场地数量多、面积大、高陡边坡多，极易产生严重水土流失甚至危害事件。因此，建议水行政主管部门加强对该地区露天开采项目的监督管理，定期掌握工程进度及项目扰动土地情况。

图3 研究区生产建设项目扰动土地分布

序号图斑类型个数比例/%扰动面积/hm2比例/%1城镇开发建设类项目555.35586.172.192输变电90.8821.440.083火电厂20.1966.640.254公路、铁路工程262.53644.962.415加工制造类项目282.72601.032.246露天开采28627.8218 309.2868.387井采矿11611.282 808.6210.498农林开发项目141.36122.50.469其他扰动地块46845.533 549.6913.2610水利工程50.4934.680.1311油气田开发工程191.8532.210.12合计1 02810026 777.22100

由研究区扰动图斑解译结果可知，通过该方法，可快速全面掌握区域内生产建设项目扰动图斑的分布、类型、面积等情况，有助于水行政主管部门从宏观角度掌握生产建设项目整体情况，并根据项目类型、分布制定年度监督检查计划、开展监督检查工作，为区域水土保持预防监督宏观决策提供支撑。

4.2 研究区生产建设项目时空对比分析

4.2.1合规性空间分析

图4为生产建设项目水土保持方案防治责任范围与实际扰动面积对比，图中红色线框为批复的项目防治责任范围图。由图4a可知，该项目的建设地点及扰动面积与批复的水土保持方案防治责任范围一致，未出现设计变更及扰动面积超出防治责任范围的情况。由图4b可知，该项目的建设地点发生变更，原设计的弃土场未使用，建设单位应尽早完善变更设计并报送原方案审批机关备案。由图4c可知，该项目的建设规模发生变更，实际扰动面积超出批复的防治责任范围，建设单位应当尽早补充或者修改水土保持方案并报原审机关批准。由图4d可知，项目区目前尚未扰动，水行政主管部门近期安排监督检查时可暂不予考虑该项目。

《水土保持法》第二十五条第三款规定：“水土保持方案经批准后，生产建设项目的地点、规模发生重大变化的，应当补充或者修改水土保持方案并报原审机关批准。水土保持方案实施过程中，水土保持措施需要做出重大变更的，应当经原审批机关批准。”因此，变更设计及其审批，也是水土保持行政许可的重要组成部分，应作为行政许可督察内容之一[6]。利用国产高分卫星遥感技术，可全面、客观地调查出项目的建设地点、规模及扰动面积等信息，

a) 对比一

b) 对比二

c) 对比三

d) 对比四图4 项目防治责任范围与实际扰动面积对比

配合批复项目方案图件的叠加分析可对批复项目是否存在扰动面积超出项目红线及建设地点、规模发生变更等违法违规行为做出排查。

水土保持行政许可实行水土保持方案审批制度，因此生产建设项目水土保持监督，首先应检查生产建设项目是否取得相应级别水行政主管部门审批水土保持方案的文件[6]。本次研究受收集批复方案资料不齐所致，未对研究区未批先建的项目进行筛选排查，在本次研究的基础上，结合收集的所有批复的方案图件，对扰动项目图斑进行叠加分析，可排查出未批先建或私自开工的生产建设项目，有效地遏制违法违规行为。

4.2.2动态对比分析

图5为研究区典型项目扰动土地动态对比图，图中红色线框覆盖区域为2014年新增扰动范围。由图5a可知，该扰动地块属新开工项目，2013年7月尚未开工，截至2014年4月，项目区正在大规模开挖扰动，鉴于雨季即将到来，项目区应加快水土保持防护措施的施工进度；由图5b可知，该扰动地块为原有项目扩建区域，该区域原地貌复杂，施工时应加强对高、陡开挖边坡进行防护，避免水土流失事件的发生。将上述解译成果与批复的方案防治责任范围图进行对比，即可对新增扰动图斑的合规性进行分析，并作为执法的依据，对违规项目进行处罚。

根据《水利部办公厅关于加强大型生产建设项目水土保持监督检查工作的通知》，部批及重点生产建设项目每年需检查至少一次，利用国产高分1号卫星多时相、周期短的特点，采用遥感手段每年对在建项目进行动态调查，可及时掌握项目的主体工程实施进度、扰动土地面积等动态变化情况，满足监督检查频次要求。针对人为水土流失导致的突发水土流失事件等，开展国产高分卫星遥感调查，可与现场调查结合，作为执法的依据，便于水行政主管部门更快速、准确地开展工作。

a) 对比一

b) 对比二图5 研究区典型项目扰动土地动态对比

4.3 典型生产建设项目人为水土流失强度判别

图6为研究区典型项目土壤侵蚀强度分布，由图6可知，该项目为露天煤矿，目前处于运行期，采坑、排土场等区域占地面积较大，陡坡较多，现场防护效果较差，强度以上侵蚀面积较大，建议水行政主管部门加强对项目重点区域的检查，尤其是在雨季，应要求建设单位提交水土流失防护预案，避免水土流失灾害事件的发生。

图6 研究区典型项目土壤侵蚀强度分布

对于占地面积较广、扰动类型复杂的大型生产建设项目，水行政主管部门在开展监督检查工作时，受交通条件及时间限制，很难全面了解项目的水土流失情况，利用遥感调查可完成生产建设项目部分水土流失因子专题信息遥感提取，包括扰动土地面积、大型水土保持措施数量、林草覆盖率、土壤侵蚀强度等指标，有助于水行政主管部门整体掌握项目的水土保持方案落实情况。

国产高分遥感影像分辨率为2 m，对排水沟及部分水土保持临时措施尚无法准确提取。由于植物措施受时相影响较大，冬季及春季植被枯萎后，将影响解译的精度。因此，建议在采用遥感影像对生产建设项目进行分析时，尽量采购5—10月份的影像，以7—8月的为最佳。

5 结论

本研究表明，应用国产高分卫星遥感是一种快速获取空间动态信息的有效方式，是提高水土保持监督检查工作效率、降低成本的一种重要信息源，可快速获取生产建设项目水土保持相关信息。

目前，水行政主管部门在开展生产建设项目水土保持监督检查时，亟需新的技术方法来快速掌握区域内项目的整体扰动情况、合规性、水土保持措施进度及水土流失情况。通过本研究可知，利用国产高分卫星遥感技术，可快速全面掌握区域内生产建设项目扰动图斑的分布、类型、面积等情况，为区域水土保持预防监督宏观决策提供技术支撑。利用已批复项目的防治责任范围图对项目影像进行叠加分析，可对项目的合规性和水土保持方案落实情况进行动态监管，有效地遏制违法违规行为。

中国“高分专项”是一个非常庞大的遥感技术项目，包含至少7颗卫星和其他观测平台，分别编号为“高分一号”到“高分七号”，在未来，国产高分辨率卫星在分辨率上将大大提升，并能提取影像区域的DEM数据，覆盖周期也将大大缩短，将解决目前存在的水保措施、坡度等信息无法准确提取的问题，国产高分卫星在生产建设项目水土保持预防监督中的应用将越来越多。

随着中国国民经济的快速发展，工业化和城市化进程的加快，生产建设项目导致的水土流失已逐渐成为中国水土流失的主要来源之一，水土保持监督检查的力度也将越来越大[7]。水行政主管部门将各级审批的方案进行集中的空间管理，每年对遥感影像进行更新解译，对生产建设项目的违法违规行为进行排查，并利用重点项目的遥感解译结果进行现场监督执法，必将成为未来水土保持预防监督工作的重要思路。