高空間分辨率遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用探討

康 芮，史明昌，趙 院，羅志東，王曉晶，劉二佳

(1.北京林業大學，北京 100083；2.水利部 水土保持監測中心，北京 100055；3.北京地拓科技發展有限公司，北京 100084)

高空間分辨率遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用探討

康 芮1，史明昌1，趙 院2，羅志東2，王曉晶3，劉二佳3

(1.北京林業大學，北京 100083；2.水利部 水土保持監測中心，北京 100055；3.北京地拓科技發展有限公司，北京 100084)

高空間分辨率；遙感；生產建設項目；水土保持監測；指標體系；面向對象

遙感技術已廣泛應用于農業、工業、國防、交通等各個領域，在水土保持行業的應用也很廣泛，如開展水土保持調查、土壤侵蝕普查等工作。在分析生產建設項目水土保持監測研究現狀、遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用現狀的基礎上，提出利用高空間分辨率遙感技術提取生產建設項目水土保持監測中部分關鍵指標的監測方法。通過分析和初步試驗得出結論，這種方法是一種實用、快捷和值得推廣的監測方法。

在開展礦山、電力、鐵路、公路、水利工程等生產建設項目過程中，通常需要進行土地平整、采石取土、坡面開挖及填筑、渣料臨時堆放、棄渣棄土、運行期尾礦與灰渣的存儲等工序，易造成水土流失，因此，需要對生產建設項目進行水土保持監測。

目前，生產建設項目水土保持監測一般采取調查監測、地面監測和資料分析相結合的方法。這種組合方法雖然精度高，但是自動化程度低、費時費力，且所得數據范圍有限，所以其應用受到一定限制。遙感作為20世紀60年代發展起來的科學技術之一，所獲取的信息具有面積大、實時性強、費用低等優點。利用遙感技術進行生產建設項目水土保持監測，可大大提高其精度和效率。因此，研究基于高空間分辨率遙感技術的生產建設項目水土保持監測與評價指標提取具有十分重要的意義。

1 生產建設項目水土保持監測研究現狀

我國的水土保持監測工作可以追溯到20世紀20年代，但是生產建設項目水土保持監測工作卻是近年來隨著水土保持事業的發展和國家對水土保持生態建設的逐步重視才開展起來的。目前，我國對生產建設項目水土保持監測的研究包括內容體系、指標體系和方法體系三部分。

1.1 內容體系[1]

(1)水土流失因子。包括地形地貌、土壤性質、植被覆蓋率和降水、風等因子。

(2)水土保持生態環境。如地形、地貌和水系變化情況，項目建設占地和擾動地表面積，挖填方數量和占地面積，棄土(石、渣)量、堆放形態和面積，臨時堆土的數量、堆放時間、形態和占地面積。

(3)水土流失動態。包括水土流失類型、面積、強度和流失量變化，對下游和周邊地區造成的危害。

(4)水土保持措施。具體是各類水土保持措施的數量和質量，林草成活率、保存率、生長情況，工程措施的穩定性、完好程度和運行情況。

(5)水土保持效果。包括擾動土地整治率、水土流失總治理度、攔渣率、土壤流失控制比、林草植被恢復率和林草覆蓋率。

1.2 指標體系

構建統一完善的生產建設項目水土保持監測指標體系是開展監測工作的前提。監測指標體系要全面反映水土流失動態及其防治效果，針對不同監測內容選擇具體的監測指標。目前，生產建設項目監測指標體系有幾種分類方法，內容相似，只不過詳細程度不同。水利部發布的《水土保持監測技術規程》中將生產建設項目水土保持監測指標分為三個部分，分別是項目建設區水土流失因子監測、水土流失狀況監測和水土流失防治效果監測[2]。唐學文等提出的開發建設項目水土保持監測指標體系由1個目標層、5個控制層、27個要素和73個指標構成，5個控制層分別是項目區水土流失背景監測、水土流失狀況監測、水土流失危害監測、水土保持措施實施情況監測和水土保持措施實施效益監測[3]。除水土流失因子、水土流失狀況、水土流失危害、水土保持措施實施情況、水土保持措施防治效果外，叢日亮、趙恭還提出了城鎮建設獨特的監測指標，包括擾動侵蝕面積、擾動侵蝕量、主要的防護工程、路面硬化率、人均綠地面積、人居環境安全度、人居環境滿意度、裸地保護率、降水蓄滯能力等[4]。王喜君[5]、王雪梅等[6]分別通過計算擾動土地整治率、水土流失總治理度、攔渣率、土壤流失控制比、林草植被恢復率和林草覆蓋率，監測蘭州小峽水電站和瑪納斯電廠三期擴建工程的水土流失防治效果。

1.3 方法體系

目前，生產建設項目水土保持監測主要采取調查監測與定位觀測相結合的方法[1]。

(1)調查監測。包括普查、抽樣調查、地塊調查、訪問調查和巡查等方法。監測內容包括地形、地貌，占地面積，擾動地表面積，挖方量、填方量、棄渣量和堆放形態，對項目及周邊地區可能造成的水土流失危害，防治措施數量和質量，林草成活率、保存率、生長情況和覆蓋率，工程措施的穩定性、完好程度和運行情況。

(2)定位觀測。主要是測定土壤侵蝕強度和徑流模數，計算水土流失量。其中，水蝕監測主要采用小區觀測、控制站觀測、簡易觀測場、簡易坡面測量等方法；風蝕監測采用降塵管(缸)觀測、集沙儀觀測等方法。

另外，對于大面積、長距離、跨省區的特大型項目，可采用遙感技術進行監測。

2 遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用研究現狀

遙感技術能夠及時、快速、客觀、周期性地獲取生產建設項目地表擾動、水土保持措施布局、水土流失面積、水土流失強度及分布等信息，是一種實用快捷和值得推廣的生產建設項目水土保持監測方法。

由于大多數生產建設項目面積小，因此低分辨率遙感在生產建設項目水土保持監測中的應用是不可行的。中高分辨率遙感在生產建設項目水土保持監測信息提取中的應用主要集中在土地利用類型、植被覆蓋度、土壤侵蝕強度和水土保持措施實施情況四個方面[7-13]，關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進行。具體應用為：

2.1 土地利用類型監測

在生產建設項目水土保持監測中，土地利用類型提取的方法主要是目視解譯和監督分類。具體步驟為：以項目建設區地形圖及DEM 為基礎，利用遙感影像處理軟件對影像進行正射校正、融合、圖像增強等影像預處理；采用目視解譯或監督分類的方法提取土地利用類型。通過比較項目建設前、后的土地利用類型變化，可以掌握生產建設項目對該地區土地利用狀況的影響。

2.2 植被覆蓋度監測

在生產建設項目水土保持監測中，植被覆蓋度提取的方法有兩種：第一種是根據野外建立的樣本，采用目視解譯的方法從遙感影像中提取植被覆蓋度。第二種是根據植被的反射光譜特征，用植被紅波段、近紅外波段的反射率計算NDVI；根據野外標準樣地的實際植被覆蓋度及專家多年的判讀經驗，尋找出NDVI與植被覆蓋度之間的關系，并根據部頒標準對NDVI進行分級，從而得到植被覆蓋度。通過比較施工準備期、施工期、試運行期的植被覆蓋度變化，可以掌握生產建設項目對該地區的植被破壞狀況。

2.3 土壤侵蝕強度監測

利用地形圖或DEM提取坡度信息。將土地利用類型、植被覆蓋度和坡度進行疊加運算，根據《土壤侵蝕強度分級標準表》(SL 190—96)土壤侵蝕強度的判別標準，評判出各個像元點的土壤侵蝕強度。通過比較項目建設前、后的土壤侵蝕強度變化，可以掌握生產建設項目對該地區的土壤侵蝕狀況。

2.4 水土保持措施實施情況監測

中高分辨率遙感在生產建設項目水土保持監測信息提取中的應用主要是監測項目建設區水土保持措施的分布、數量和面積，所采用的方法是目視解譯和監督分類。

目前，遙感在生產建設項目水土保持監測中的應用還存在一些問題，需要進一步完善。一是遙感可監測的指標有限。遙感在生產建設項目水土保持監測信息提取中的應用主要集中在土地利用類型、植被覆蓋度、土壤侵蝕強度和水土保持措施實施情況等四個方面。而生產建設項目水土保持監測所關注的水土流失危害和水土保持措施防治效果的遙感監測還沒有相關的研究。

二是使用的遙感方法存在不足。目視解譯和監督分類是目前遙感在生產建設項目水土保持監測中應用最廣泛的兩種方法，但這兩種方法都存在局限性。目視解譯是指利用圖像的影像特征(色調或色彩，即光譜特征)和空間特征(形狀、大小、陰影、紋理、圖型、位置和布局)，與多種非遙感信息資料相組合，運用地學相關規律，進行由此及彼、由表及里、去偽存真的綜合分析和邏輯推理的思維過程。目視解譯法存在著一定的局限性，主要包括以下幾方面:要求解譯人員須具有豐富的知識；費時費力，工作效率較低；主觀性較強，容易產生誤判。監督分類需要先選取有代表性的訓練區作為樣本，通過選擇特征參數(如像元亮度均值等)，確定判別函數，據此進行分類。監督分類法具有以下缺點：人為主觀性較強；訓練樣本的選取和評估需要花費較多的人力、時間；只能識別訓練樣本中所定義的類別，不能識別因訓練者不知或因數量太少未被定義的類別，從而影響分類結果。

3 高空間分辨率遙感生產建設項目水土保持監測

3.1 高空間分辨率遙感生產建設項目水土保持監測指標

除了土地利用類型、植被覆蓋度、土壤侵蝕強度和水土保持措施實施情況，以生產建設項目區的各土地利用類型面積為基礎，可分析計算出擾動土地整治率、水土流失總治理度、林草植被恢復率和林草覆蓋率等4個生產建設項目水土保持效果評價指標。

(1)擾動土地整治率。擾動土地整治率是指項目建設區內擾動土地的整治面積占擾動土地總面積的百分比[14]。擾動土地是指在生產建設活動中形成的各類挖損、占壓、堆棄用地，均以垂直投影面積計。擾動土地整治面積是指對擾動土地采取各類整治措施的面積，包括永久建筑物面積。未受擾動的土地面積不計算在內，如水工程建設過程未受擾動的水域面積不統計在內。

在實際計算過程中，擾動土地面積為項目建設區面積，若生產建設項目類型為水利樞紐工程，則擾動土地面積不包括水庫淹沒面積，擾動土地整治面積為水保措施面積和永久建筑物面積。水保措施面積包括工程措施面積和植物措施面積；永久建筑物面積包括建筑物面積和硬化道路面積。利用高空間分辨率遙感影像可以提取植被和建筑、道路等地物的面積，由此得出擾動土地整治面積，再由建設單位處獲取擾動土地面積，即可計算出擾動土地整治率。

(2)水土流失總治理度。水土流失總治理度是指項目建設區內水土流失治理達標面積占水土流失總面積的百分比[14]。水土流失面積包括因生產建設活動導致或誘發的水土流失面積，以及項目建設區內尚未達到容許土壤流失量的未擾動地表水土流失的面積。水土流失防治面積是指對水土流失區采取水土保持措施，并使土壤流失量達到容許土壤流失量或以下的面積，以及建立良好排水體系，并不對周邊產生沖刷的地面硬化面積和永久建筑物占用地面積。棄土棄渣場地在采取擋護措施并進行土地整治和植被恢復，土壤流失量達到容許流失量后，才能作為防治面積。

在大型生產建設項目中，水土流失總面積一般近似看作除水域外的其他面積；水土流失治理面積一般可近似看作水土保持措施面積、建筑物面積、道路面積的和。利用高空間分辨率遙感影像可以提取水體、植被、建筑物、道路等地物的面積，由此得出水土流失治理面積，再由建設單位處獲取項目建設區水土流失總面積，即可計算出水土流失總治理度。

(3)林草植被恢復率。林草植被恢復率是指項目建設區內，林草類植被面積占可恢復林草植被(在目前經濟、技術條件下適宜于恢復林草植被)面積的百分比[14]?？苫謴椭脖幻娣e是指在當前技術經濟條件下，通過分析論證確定的可以采取植物措施的面積，不含國家規定應恢復農耕的面積，以批準的水土保持方案數據為準。

在實際計算過程中，可恢復植被面積可以通過排除法來計算獲得。在水蝕區，可恢復植被面積為除去主體工程、道路、生產活動附屬設施等的占地面積，以及山區裸露基巖、水體等面積以外的其他面積。通過高分辨率遙感影像，可以提取出項目主體工程、道路、裸巖、水體等的面積，項目建設區面積減去這些面積的差值便是可恢復植被面積；同時，高分辨率遙感影像可以提取項目區內林草植被面積，以此計算得出林草植被恢復率。

(4)林草覆蓋率。林草覆蓋率是指林草面積占項目建設區面積的百分比[14]。林草面積是指生產建設項目建設區內所有人工和天然森林、灌木林和草地的面積。其中森林的郁閉度應達到0.2以上(不含0.2)，灌木林和草地的覆蓋度應達到0.4以上(不含0.4)。零星樹木可根據不同樹種的造林密度將其折合為面積。

通過高分辨率遙感影像可以提取項目區內林草面積，從建設單位獲取項目建設區面積，以此可以計算出林草覆蓋率。

3.2 高空間分辨率遙感生產建設項目水土保持監測指標提取方法

高空間分辨率遙感影像幾何結構信息豐富，細節表現能力強。遙感影像分類方法以含有更多語義信息的多個相鄰像元組成的對象為處理單元，檢測和提取目標地物的多種特征，實現遙感圖像分類和目標地物提取[15-19]。

在已知生產建設項目防治責任范圍和項目建設區范圍的情況下，用遙感圖像處理軟件和面向對象的分類軟件提取施工準備期、建設期、運行期生產建設項目的廠區、施工生活區、儲煤場、排矸場、場內外道路、鐵路專用線，其土地利用類型為水體、建筑物、道路、植被和裸地，根據提取結果計算擾動土地整治率、水土流失總治理度、林草覆蓋率和林草植被恢復率。具體過程如下：

(1)數據預處理。對高空間分辨率遙感影像進行大氣校正、正射校正，并將多光譜數據和全色數據進行融合。

(2)獲取項目區邊界。根據生產建設項目的水土保持方案和野外調查，獲取項目建設區的位置和范圍，進行投影轉換，并生成矢量圖。

(3)數據準備。以項目區邊界為基礎，對融合后高空間分辨率遙感影像進行裁剪，獲取項目區待分類影像。

(4)多尺度分割。設置不同尺度、顏色因子、形狀因子、緊密度因子、光滑度因子等分割參數，根據最大面積法，選擇分割效果最佳的參數設置。

(5)影像分類。分析每種地物的形狀、光譜、紋理特征、地物之間的關系，設置分類規則/策略。水體可根據歸一化水體指數、面積、綠度指數、亮度、近紅外波段提??；植被可根據歸一化植被指數、綠度指數、藍波段均值、紅波段均值提??；建筑物可根據亮度、長寬比、邊界指數、面積、與陰影的相鄰關系提??；道路可根據亮度、長度、長寬比、近紅外均值、植被指數提??；裸地可根據亮度、面積提取。

(6)計算指標。以生產建設項目區的各土地利用類型面積為基礎，計算出生產建設項目的擾動土地整治率、水土流失總治理度、林草植被恢復率和林草覆蓋率4個水土保持效果評價指標，結合生產建設項目所處的地理位置、水系、河道、水資源、水功能區、防洪功能區，判別防治效果是否符合不同等級的水土流失防治標準。

4 結論與展望

在高空間分辨率遙感影像上，提取生產建設項目區的植被、建筑物、水體、道路、裸地等地物信息，計算生產建設項目的擾動土地整治率、水土流失總治理度、林草植被恢復率和林草覆蓋率4個水土保持效果評價指標，并結合現場查勘數據判斷相關指標是否達到了水土流失防治目標。這種方法提高了生產建設項目水土保持監測的效率，是一種實用、快捷和值得推廣的監測方法。

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(責任編輯 孫占鋒)

高分水利遙感應用示范系統(一期)(08-Y30B07-9001-13/15)

S157；TP79

C

1000-0941(2015)12-0082-04

康芮(1989—)，女，山西太原市人，碩士研究生，研究方向為遙感技術在水土保持監測工作中的應用；通信作者史明昌(1969—)，男(蒙古族)，內蒙古赤峰市人，教授，博士，主要從事“3S”技術在水土保持、資源環境領域的應用研究。

2015-04-15