姜德文

（水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京）

高分遙感和無人機技術(shù)在水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用

姜德文

（水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京）

高分遙感和無人機技術(shù)為水土保持監(jiān)管提供了及時、快捷、有效的技術(shù)手段和方法，在分析水土保持監(jiān)管工作技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，介紹了高分遙感和無人機技術(shù)在水土保持重點治理工程以及生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用，目前上下協(xié)同一致、數(shù)據(jù)互聯(lián)共享的全國監(jiān)管系統(tǒng)開始建立，極大地推進了水土保持管理的現(xiàn)代化。關(guān)鍵詞：水土保持；高分遙感；無人機；監(jiān)管；應(yīng)用

開展水土流失治理工程檢查、監(jiān)督、驗收，生產(chǎn)建設(shè)項目檢查、驗收是各級水行政主管部門法定性、經(jīng)常性的工作，而且工作量十分繁重，迫切需要利用信息化手段和方法，提高工作效率，更好地服務(wù)于政府、社會和公眾。水利部2014年印發(fā)了《全國水土保持信息化實施方案》，2015年印發(fā)了 《全國水土保持信息化工作2015—2016年實施計劃》，啟動了生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管示范、國家水土保持重點治理工程“圖斑化”精細管理示范。這一工作推動了高分遙感、無人機、信息系統(tǒng)技術(shù)在水土保持工作中的應(yīng)用，取得了初步成效。

一、高分遙感和無人機技術(shù)的應(yīng)用有利于加強水土保持監(jiān)管工作

1.水土保持監(jiān)管工作的技術(shù)需求

水土流失綜合治理和水土保持監(jiān)督管理是各級水行政主管部門的重要職責，也是長期性的基本工作，點多、面廣、量大是監(jiān)管工作的最大特點。在水土流失綜合治理方面，根據(jù)國務(wù)院批復(fù)的 《全國水土保持規(guī)劃》，劃定為國家級重點治理區(qū)的區(qū)域有17個，涉及631個縣級行政單位，涉及區(qū)域面積163．3萬km2，其中需重點治理面積49．44萬km2。目前，正在實施國家水土流失重點治理工程的縣就有760多個，分布在各流域、各侵蝕類型區(qū)，每年開展治理的重點小流域就有1 000多條，全國每年完成綜合治理面積5萬km2左右，涉及面如此廣、分布點如此分散、工程量如此巨大，對水土保持管理提出了極大挑戰(zhàn)。以水利部流域管理機構(gòu)為例，近年對國家水土保持重點工程的檢查監(jiān)督（進度督查），到每個省只能抽取20%的縣對當年實施的工程進行巡視式檢查，難以做到對每個項目區(qū)的全面核查。而在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)督管理方面，根據(jù)近5年統(tǒng)計（2010—2014年），全國各級水行政主管部門審批的水土保持方案有14.39萬個，其中中央級審批項目1 300個、省級審批1.95萬個、市縣級審批12.31萬個，涉及的水土流失防治責任范圍達78 859 km2。對生產(chǎn)建設(shè)項目履行防治水土流失義務(wù)的情況進行跟蹤檢查監(jiān)督是水土保持法賦予各級水行政主管部門的法定職責，這些項目有鐵路、公路、輸油輸氣管線、輸變電線路等線形工程，也有露天礦、機場等土石方量巨大的工程，從流域管理機構(gòu)監(jiān)督檢查實際情況看，水利部審批項目每年監(jiān)督一次都很難做到，實時、準確的檢查更是遙不可及。

2.高分遙感及無人機技術(shù)對監(jiān)督管理工作的技術(shù)支撐

（1）國產(chǎn)高分遙感技術(shù)的推進和應(yīng)用

高分遙感技術(shù)具有大范圍、多頻次、高清晰的優(yōu)勢，特別是近年發(fā)射的國產(chǎn)高分1號、2號覆蓋周期分別為41天、69天，分辨率可達2 m、0.8 m，可以實現(xiàn)一年多次監(jiān)測。水利部水土保持監(jiān)測中心作為國家重大科技專項—高分遙感在水土保持應(yīng)用的支撐單位，在國防科工委的主持下，近年連續(xù)開展了高分遙感應(yīng)用的示范研究，選擇陜西省橫山縣進行了水土保持綜合治理、生產(chǎn)建設(shè)項目識別與監(jiān)測評價等應(yīng)用性前瞻研究。水利部全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目近兩年全面使用了國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)，開展了土壤侵蝕因子解譯和調(diào)查（如土地利用類型、植被覆蓋度、水土保持措施、生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)測等）和水土流失動態(tài)變化監(jiān)測，對促進高新技術(shù)國產(chǎn)化、推動高分遙感在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用起到了很大作用。目前，高分1號、2號等遙感數(shù)據(jù)在中央部委、各省均可免費使用，隨時向相關(guān)部門推送遙感數(shù)據(jù)，為全國水土保持監(jiān)管工作中廣泛使用高分遙感提供了基本條件。

（2）無人機技術(shù)的快速進步與應(yīng)用

無人機技術(shù)具有低空高分辨率、航拍和測圖效率高、外業(yè)成本低、快速、隨時可操作的特點，并且不受交通條件的限制。近年，國產(chǎn)無人機性能提升及成本降低為水土保持應(yīng)用提供了良好條件。同時，無人機遙感數(shù)據(jù)的分析軟件開發(fā)應(yīng)用加快，為各行業(yè)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。特別是在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測、監(jiān)督工作中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，水利部松遼水利委員會在沈丹鐵路等項目的水土保持檢查監(jiān)督中隨隊攜帶無人機，發(fā)現(xiàn)違規(guī)設(shè)置棄渣場等行為時，及時向建設(shè)單位提出整改要求。水利部長江水利委員會水土保持監(jiān)測中心站在金沙江干流大型水電站水土保持監(jiān)測中引進了無人機技術(shù)，及時、快速地開展監(jiān)測工作。水利部海河水利委員會海河流域水土保持監(jiān)測中心站在公路項目監(jiān)測中使用無人機，在重點地段、重點時段進行了無人機監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并反饋建設(shè)單位。目前，水利部及七大流域機構(gòu)水土保持監(jiān)測機構(gòu)均擁有無人機，并陸續(xù)開展了相關(guān)工作。

（3）信息系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

與遙感、無人機信息采集技術(shù)相應(yīng)的信息傳輸、處理、存貯、發(fā)布等技術(shù)也同步快速發(fā)展，使得原來封閉、孤立的信息能夠快速進入通達的信息系統(tǒng)，實現(xiàn)互聯(lián)互通，在信息平臺上實現(xiàn)互聯(lián)共享。水利部開發(fā)了水土保持信息管理系統(tǒng)，并經(jīng)過幾次升級，在中央、流域機構(gòu)、省級水行政主管部門進行了三級部署，實現(xiàn)了中央、流域機構(gòu)、省、地市、縣級五級應(yīng)用，系統(tǒng)包括生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)督管理、水土保持重點治理工程管理、水土流失動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、水土保持政策法規(guī)等四個部分，基本涵蓋了水土保持主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用可以使中央到基層實現(xiàn)信息快速交流，工作及時跟蹤，為提高工作效率提供了良好平臺。

二、高分遙感與無人機技術(shù)應(yīng)用于水土保持重點治理工程管理

1.目標與技術(shù)創(chuàng)新

總體目標是對國家水土保持重點治理工程實施全過程精準管理，從中央下達治理任務(wù)與計劃、省確定重點區(qū)域，到縣級實施的綜合治理工程，全過程跟蹤管理。

創(chuàng)新的技術(shù)手段主要是以高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作前期和后期支撐，使用無人機進行抽查檢驗，配套研制了野外信息移動采集端（平板），并開發(fā)了“國家水土保持重點工程項目管理信息系統(tǒng)”V6.0版本，在中央、流域機構(gòu)、省級進行了三級部署，實現(xiàn)了中央、流域、省、市、縣五級應(yīng)用，并在實踐中逐步改進提高。

2.重點監(jiān)管工程基礎(chǔ)信息入庫

2015年水利部印發(fā)實施計劃后，在全國進行了工作部署，將全國坡耕地水土流失綜合治理工程、丹江口庫區(qū)及上游水土保持工程、中央預(yù)算內(nèi)小流域綜合治理項目、國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)水土保持項目、國家水土保持重點建設(shè)工程（革命老區(qū)）等5類重點治理項目的資料收集、整理、審核、入庫。以763個國家水土保持重點治理項目縣為重點，按年度將國家水土保持重點治理項目前期工作、計劃實施、檢查驗收等資料錄入國家信息系統(tǒng)。2015年已完成“十二五”以來歷史數(shù)據(jù)的錄入，2016完成本年度數(shù)據(jù)和2015年新增數(shù)據(jù)入庫。

水利部統(tǒng)一了信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及數(shù)據(jù)錄入范圍、格式、要求，形成全國統(tǒng)一的數(shù)據(jù)入庫標準。兩年來，水利部對各流域機構(gòu)、各省級單位（包括項目管理人員、系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)支撐單位技術(shù)人員）進行了實際操作培訓(xùn)，各省對重點縣人員進行培訓(xùn)。錄入數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容主要有：重點項目前期（國家級、省級規(guī)劃的治理任務(wù)、投資、起始年、項目區(qū)邊界、典型措施配置等，項目實施方案的項目區(qū)基本信息、投資、資金安排、年度及資金籌措，建設(shè)內(nèi)容的分圖斑錄入等），項目計劃（下達的治理面積、投資、任務(wù)復(fù)核確認等），項目實施（施工合同中的承建單位、每月進度信息等），檢查驗收（檢查中的通知、意見，自驗工作的年度總結(jié)、監(jiān)理報告、驗收報告、審計信息、財務(wù)結(jié)算、措施實施、資金使用、項目效益，省級抽驗的竣工驗收等），還包括基礎(chǔ)圖件（項目區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、措施布置圖、竣工驗收圖，施工、檢查、驗收的圖片等）。對空間數(shù)據(jù)提出了明確的要求，項目區(qū)（小流域或片區(qū)）及措施圖斑邊界使用坐標文件錄入，為高分遙感和無人機監(jiān)測監(jiān)管提供基礎(chǔ)信息。對一個具體工程，要實現(xiàn)項目區(qū)規(guī)劃治理措施的上圖、年度實施措施的圖斑（地塊）化管理、規(guī)劃與實施措施的動態(tài)對照。

3.重點治理工程“圖斑化”精細管理示范

根據(jù)水利部要求，每個省選1個典型縣，再從中選取1~2條典型小流域，將圖斑上圖 （治理措施的設(shè)計圖斑、驗收圖斑的矢量圖），小流域前期工作、計劃實施、檢查驗收等資料入庫，利用信息系統(tǒng)對治理圖斑復(fù)核。系統(tǒng)提供了導(dǎo)入RM和導(dǎo)入shp兩種文件格式圖斑，將圖斑導(dǎo)入坐標圖。水利部及省級部門為地方提供典型小流域高分遙感影像資料。2015年完成以往治理措施的對照、復(fù)核，2016年完成當年治理措施的對照、檢查和復(fù)核。

2016年5月水利部水土保持監(jiān)測中心組織對全國22個?。ㄗ灾螀^(qū)）的坡耕地水土流失綜合治理工程進行檢查、評估，5個檢查組全部配備了無人機，由專業(yè)技術(shù)人員操控，在每個?。ㄗ灾螀^(qū)）抽取的小流域檢查時，使用無人機航飛，實拍近年坡耕地治理措施的位置、分布、規(guī)模等信息，與已錄入平板中的信息對比，核實坡改梯工程的建設(shè)情況。

三、高分遙感與無人機技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管

1.目標與技術(shù)創(chuàng)新

目標是對生產(chǎn)建設(shè)項目實行全過程、全方位監(jiān)管。從水土保持方案上報、審查、審批，到水土保持施工監(jiān)理、水土保持監(jiān)測，最后的驗收評估和水土保持驗收，全過程信息化管理。流域機構(gòu)、地方各級水土保持部門可以查詢、下載水利部批復(fù)的水土保持方案，可以上傳監(jiān)督檢查意見、現(xiàn)場影像；水利部可以查看地方水土保持方案信息；方案編制、監(jiān)理、監(jiān)測單位可以上傳方案文本和圖件、監(jiān)理報告、監(jiān)測季報和總結(jié)報告。每一個生產(chǎn)建設(shè)項目都有動態(tài)信息，各級水土保持管理部門可以隨時了解和掌握工程進展、水土保持工作開展情況、存在問題等，以及時作出決定和采取措施。

創(chuàng)新的技術(shù)手段是實現(xiàn)現(xiàn)代空間技術(shù)、信息技術(shù)與水土保持監(jiān)管業(yè)務(wù)的深度融合，主要是利用高分遙感和無人機技術(shù)對生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失防治責任范圍，擾動地表面積，取土場及棄渣場的設(shè)置、水土保持措施實施等情況適時監(jiān)控。配套研制了基于安卓系統(tǒng)的野外信息移動采集端。生產(chǎn)建設(shè)項目開工前衛(wèi)星遙感定位、定邊界，開工后衛(wèi)星對照監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)未編制方案、邊界變化等情況時自動報警，警示地方水土保持部門進行現(xiàn)場核實和監(jiān)督。

2.監(jiān)督管理信息系統(tǒng)及生產(chǎn)建設(shè)項目基礎(chǔ)信息入庫

結(jié)合生產(chǎn)建設(shè)項目“天地一體化”監(jiān)管示范，水利部將“水土保持監(jiān)督管理系統(tǒng)”升級為V3.0，并在中央、流域機構(gòu)、省級進行了三級部署。為促進地市級信息化管理，新開發(fā)了地市級應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)建上下協(xié)同一致、信息互通共享的監(jiān)管系統(tǒng)。升級版的系統(tǒng)增加了矢量數(shù)據(jù)錄入、存貯等功能，使得高分遙感和無人機遙感信息可以互通。此外，系統(tǒng)的運行環(huán)境也從原來利用水利防汛專網(wǎng)改進為利用公網(wǎng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行的重大突破，極大地方便了各相關(guān)用戶使用該系統(tǒng)。根據(jù)水利部總體部署和要求，2014年全面完成系統(tǒng)安裝與連通，完成系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的錄入，完成與水利部管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，及時發(fā)布水土保持監(jiān)督管理信息，開始用信息系統(tǒng)管理生產(chǎn)建設(shè)項目。要求各省推進市縣級水土保持部門的應(yīng)用，實現(xiàn)水土保持監(jiān)督管理相關(guān)信息的查詢、統(tǒng)計、瀏覽和下載。

水利部審批的生產(chǎn)建設(shè)項目基礎(chǔ)信息經(jīng)過水利部水土保持監(jiān)測中心連續(xù)幾年的工作，已基本完成入庫。近兩三年來，由水利部審批的水土保持方案的特性表數(shù)據(jù)、報告書PDF文本、相關(guān)圖件已實現(xiàn)審批前全部入庫，批復(fù)文件已全部錄入系統(tǒng)，流域機構(gòu)、地方水土保持機構(gòu)可下載、查閱，監(jiān)督檢查過程中可以隨時查閱文件和圖表。同時，各省水行政主管部門已開始錄入本省水土保持方案的基礎(chǔ)信息，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是今后信息化管理的基礎(chǔ)條件。

3.生產(chǎn)建設(shè)項目“天地一體化”監(jiān)管示范

根據(jù)水利部2015年工作部署，七大流域機構(gòu)各選取一個生產(chǎn)建設(shè)項目集中縣，每個省各選取一個生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)管示范縣，全國共選取了38個縣域，開展了水土保持監(jiān)管試點。水利部對各流域機構(gòu)、各省技術(shù)支撐單位進行了監(jiān)管技術(shù)培訓(xùn)，特別是基于高分遙感影像的生產(chǎn)建設(shè)活動水土保持監(jiān)管調(diào)查、現(xiàn)場復(fù)核、調(diào)查數(shù)據(jù)入庫以及監(jiān)督管理系統(tǒng)應(yīng)用等，同時省級對試點縣工作人員進行培訓(xùn)。通過水利部接收的國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)免費向各省提供試點縣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，2015年完成生產(chǎn)建設(shè)項目擾動地表情況的遙感調(diào)查和復(fù)核工作，對面積大于0.1 hm2的生產(chǎn)建設(shè)擾動地塊（2 m分辨率遙感影像對應(yīng) 250個像元范圍）全部進行解譯，勾繪擾動圖斑邊界，

根據(jù)生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持方案批復(fù)責任范圍（簡稱“紅線”）與實際擾動范圍（簡稱“黃線”）的對照，將擾動地塊篩分為合規(guī)、疑似違規(guī)等情況。對面積大于1 hm2的生產(chǎn)建設(shè)擾動地塊全部進行現(xiàn)場復(fù)核，確認是否為生產(chǎn)建設(shè)項目擾動，以及建設(shè)單位、項目類別、擾動面積等信息，確認生產(chǎn)建設(shè)項目屬合規(guī) （已批準水土保持方案且黃線在紅線范圍內(nèi)）、違規(guī)（未批準水土保持方案已擾動，即有黃線無紅線、黃線超出紅線）狀態(tài)，據(jù)此提出監(jiān)管意見。目前，大部分單位已完成2015年的工作任務(wù)。2016年水利部將推出新一輪的高分遙感影像，對一年來新出現(xiàn)的擾動地塊進行監(jiān)測、跟蹤和監(jiān)督。

為了使高分遙感和無人機遙感信息更好地服務(wù)于生產(chǎn)建設(shè)項目的全程監(jiān)督管理，水利部開發(fā)了現(xiàn)場檢查、復(fù)核的移動終端。將生產(chǎn)建設(shè)項目責任范圍 （紅線）疊加在高分影像上，并裝入移動終端，現(xiàn)場復(fù)核時可直接導(dǎo)航至項目地點，開展實地檢查，邊界上圖，現(xiàn)場錄入相關(guān)信息，并且可以將現(xiàn)場檢查情況隨時上網(wǎng)回傳于信息系統(tǒng)，各有關(guān)管理部門可快速、準確地掌握現(xiàn)場信息，做出處置決策。

4.無人機技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)管中的應(yīng)用

除上述水利部統(tǒng)一部署的監(jiān)督管理工作外，一些機構(gòu)也在水土保持相關(guān)工作中積極使用了無人機。如在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持方案編制階段，現(xiàn)場查勘、預(yù)選棄渣場、繪制DEM地形圖等，為編制水土保持方案提供了快速、準確的基礎(chǔ)信息。在水土保持設(shè)施驗收的技術(shù)評估工作中，采用無人機進行全面航飛，檢查水土保持措施實施范圍、面積，檢查有無新設(shè)取土場、棄渣場，檢查有無造成較大的水土流失危害影響等。目前，有許多水土保持方案編制單位、水土保持監(jiān)測單位均配備了無人機，參加了操作人員培訓(xùn)，積極在工作實踐中使用。

[1]水利部水土保持監(jiān)測中心.生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持分類管理研究[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2]姜德文.加快水保信息系統(tǒng)建設(shè)適應(yīng)現(xiàn)代管理新要求[J].中國水土保持，2015（1）.

[3]曹雪娟，王森.無人機遙感影像在水利監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].中國水利，2015（4）.

責任編輯 韋鳳年

Application of high resolution remote sensing and UAV in soil conservation monitoring and supervision

// Jiang Dewen

High resolution remote sensing and unmanned aerial vehicles (UAV)provide technical means which enable timely,fast and effective monitoring and supervision for soil and water conservation.Based on analysis of technical dimensions in terms of soil conservation monitoring and supervision,an introduction is made on the application of high resolution remote sensing and UAV in erosion control and basic construction schemes.Until present,a national monitoring and supervision system that is well-coordinated,integrated and information sharing has been formed,which helps to modernize management system for soil and water conservation.

soil and water conservation;high resolution remote sensing;unmanned aerial vehicles(UAV); regulation;application

S157+TP7

B

1000-1123（2016）16-0045-03

2016-07-22

姜德文，副主任，教授級高級工程師，長期從事水土保持項目管理、監(jiān)測和技術(shù)咨詢工作。

國家重大科技專項項目：高分水利遙感應(yīng)用示范（水土保持）；水利部綜合事業(yè)局拔尖人才專項資金項目：生產(chǎn)建設(shè)項目“天地一體化”監(jiān)控。