測繪地理信息技術(shù)在河湖劃定和管理中的應(yīng)用——以永定河為例

任小強 袁漢章 劉國剛 孟勇飛 徐西桂

(1. 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司, 北京 100007; 2. 北京市永定河管理處, 北京 100165)

0 引言

按照《水利部關(guān)于加快推進河湖管理范圍劃定工作的通知》(水河湖〔2018〕314號)要求,依法劃定河湖管理范圍,明確河湖管理邊界線,是加強河湖管理的基礎(chǔ)性工作,也是《水法》《防洪法》《河道管理條例》等法律法規(guī)做出的規(guī)定,更是中央全面推行河長制湖長制明確的任務(wù)要求[1-2]。

按照“水河湖〔2018〕314號”文件要求,加強河湖管理范圍劃定之前,河湖管理和保護范圍一般停留在文字描述和紙質(zhì)圖上,監(jiān)管手段基本采用傳統(tǒng)的人工巡查,河湖范圍管理經(jīng)驗主義比較強,既沒有落實在“一張圖”,也沒有建立管理系統(tǒng),更無法把河湖管理范圍界線落實在現(xiàn)場實地,管理不到位,管理效率低下,還會經(jīng)常與當(dāng)?shù)乩习傩瞻l(fā)生糾紛和矛盾。為解決河湖管理手段落后、管理力度不到位和管理被動等問題,提高河湖管理能力和管理水平,實現(xiàn)河湖管理的高效化、精細(xì)化,必須提高管理的信息化和現(xiàn)代化意識,并綜合應(yīng)用先進的無人機航空攝影、機載激光雷達和地理信息系統(tǒng)以及傳統(tǒng)測繪技術(shù)等測繪地理信息技術(shù)。

近幾年,測繪地理信息技術(shù)迅速發(fā)展,尤其無人機傾斜攝影、機載激光雷達和地理信息系統(tǒng)等新技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟,在自然資源調(diào)查[3-4]、河湖劃定和管理[5-6]、生態(tài)環(huán)境修復(fù)[7]及地質(zhì)災(zāi)害隱患防治[8]等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。測繪地理信息技術(shù)在理論、技術(shù)、產(chǎn)品等方面為水資源保護、水域岸線管理、水污染水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)及水行政執(zhí)法等河長制相關(guān)工作提供了廣泛的技術(shù)支持[6]。

作為全國四大重點防洪河道之一,北京地區(qū)最大河流,首都母親河,永定河具有重要的資源功能和生態(tài)功能,是洪水的通道、水資源的載體、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,故加強河道管理保護范圍劃定和管理極為重要。

1 傳統(tǒng)測繪方法應(yīng)用于河湖岸線劃定和管理

1.1 永定河河道劃定方法

河湖管理范圍劃定原則:(1)堅持依法依規(guī)原則;(2)保留河湖基本空間原則;(3)堅持因地制宜原則;(4)采用新技術(shù)新方法原則。

1.1.1管理范圍劃定

永定河管理范圍主要依據(jù)1989年市政府批復(fù)的《北京市市屬水利工程管理范圍、保護范圍、清障范圍》([1989]廳秘字第13號)劃定,2002年以后建成的新右堤(三家店至盧溝橋段右堤)依據(jù)2001年國土資源和房屋管理局文件劃定,大興國際機場段北小埝堤防按設(shè)計批復(fù)文件劃定。

劃定情況為:永定河管理范圍線自河道上開口線外延55～75 m劃定;對于有村莊、城市合法建設(shè)的局部河段外延30～50 m劃定;另有部分河段,因現(xiàn)狀堤外地塊用地屬性已劃為水工建筑用地,管理范圍線隨地塊外邊線局部擴展至上開口線外106～320 m。

1.1.2保護范圍劃定

保護范圍基本依據(jù)1986年市政府批復(fù)的《關(guān)于劃定郊區(qū)主要河道保護范圍的規(guī)定([1986]京政辦發(fā)51號)》劃定。保護范圍線自河道上開口外延105～110 m劃定;對于有村莊、城市或合法建設(shè)的局部河段外延30～60 m劃定;小啞叭河分洪口門段因保障分洪、石景山雙峪路至堤防人字門段因歷史和交通路現(xiàn)狀預(yù)留封堵堤防口門等需要,保護范圍線自上開口線外延180～320 m;局部因管理范圍寬度較大,不再單獨另設(shè)保護范圍。

1.2 永定河河道規(guī)劃設(shè)計岸線劃定傳統(tǒng)測繪方法

測繪是永定河管理保護范圍劃定的前提和基礎(chǔ),引用測繪資料翔實準(zhǔn)確和采用正確先進的測繪方法,才能保證永定河管理保護范圍劃定準(zhǔn)確可靠。根據(jù)實際情況,已經(jīng)采用或可考慮采用以下測繪方法。永定河北京段管理保護范圍實地埋設(shè)固定標(biāo)志工作流程見圖1。

圖1 永定河北京段管理保護范圍實地埋設(shè)固定標(biāo)志工作流程圖

1.2.1對現(xiàn)有資料進行測繪分析研究

從數(shù)據(jù)基準(zhǔn)、空間位置、幾何精度、拓?fù)潢P(guān)系、資料類型、完整性、準(zhǔn)確性、系統(tǒng)性和現(xiàn)勢性等方面,利用測繪技術(shù)方法,對已有的各類資料進行數(shù)字化、矢量化、糾正、拼接、拓?fù)錂z查以及詳細(xì)分析研究,為河道劃定提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2.2傳統(tǒng)測繪方法

建立控制基準(zhǔn)為工程提供統(tǒng)一測量依據(jù),是確保工程順利實施的基礎(chǔ)。三家店水閘至市界河(永定河市管段)中心線總長約80 km,每隔3 km左右需各布設(shè)一個全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(Global Position System, GPS)控制點,共布設(shè)52個GPS控制點,作為界樁測定起算點。根據(jù)《永定河管理范圍河保護范圍劃定圖》設(shè)計條件、影像圖、地形圖等數(shù)據(jù)資料提取管理范圍和保護范圍界線重要拐點。并進行實地踏勘選點、放樣,測細(xì)部點坐標(biāo),內(nèi)業(yè)計算,繪制平面位置圖。

在河湖劃定方案獲得政府批準(zhǔn)之后,需要從河湖管理保護范圍界線提取一些明顯重要的特征點,利用測繪放樣技術(shù)放設(shè)到實地,并將永久性固定標(biāo)志(如界樁)埋設(shè)實地,標(biāo)示和固化河道實地管理保護范圍。

1.2.3實地埋設(shè)固定標(biāo)志

因地制宜,本文創(chuàng)新使用了“移位埋設(shè)”“移位界樁”和“電子界樁”等技術(shù)。當(dāng)實地?zé)o法埋設(shè),需要移位埋設(shè)界樁時,即界樁實際埋設(shè)位置與理論埋設(shè)位置不一致時,則須在界樁標(biāo)示:“樁左/右側(cè)xx m為永定河管理/保護界”。當(dāng)移位埋設(shè)也無法滿足需要時,在河道管理和保護管理范圍界線上,提取重要明顯拐點設(shè)為“電子界樁”。經(jīng)過潛心研究和數(shù)次試驗,改變石刻工藝“兩次貼譜,兩次刻制,兩次噴繪”,最后在石材上實現(xiàn)刻繪北京水務(wù)Logo圖案。

利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)、全站儀等傳統(tǒng)測繪方法,可采集精確的位置信息,繪制成圖,為信息化管理提供基礎(chǔ)信息;對日常巡查執(zhí)法測繪和小規(guī)模大比例地形圖進行修補測;以及劃定范圍界線實地驗證,具有靈活、快捷等優(yōu)勢,但是缺點為采集信息有限。

2 無人機航空攝影、機載激光雷達應(yīng)用于河道巡查執(zhí)法

2.1 無人機航空攝影

目前,無人機航空攝影已非常成熟,具有快捷、安全、精度高、成本低、操控性強、獲取信息豐富、測繪成果多樣化等特點,可快速獲取數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map, DOM)、實景三維模型和數(shù)字線劃圖(Digital Line Graphic, DLG)等測繪成果,在水務(wù)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在生產(chǎn)數(shù)字線劃圖、正射影像、實景三維模型方面有巨大優(yōu)勢。采用低空無人機航空攝影,為河湖劃定和管理提供準(zhǔn)確可靠、現(xiàn)勢性強的多樣化數(shù)據(jù)支持。

采用無人機航空攝影,進行河道巡查執(zhí)法,可實現(xiàn)足不出戶迅速完成河道巡查,及時發(fā)現(xiàn)制止河道侵占、私挖盜采等違法行為。利用多期數(shù)據(jù)對比分析,可以統(tǒng)計分析河道變化情況,為河道長期管理決策提供科學(xué)依據(jù)。但是,缺點為受空域和天氣因素限制較大,在植被茂密區(qū)域效果不佳。

2.2 機載激光雷達

目前,機載激光雷達(Airborne LiDAR)已經(jīng)比較成熟,相對無人機航空攝影具備同樣優(yōu)勢,還具備高程精度高、抗干擾性強和“穿透”植被、云霧等遮擋物的特點。采用機載激光雷達,可獲取點云數(shù)據(jù)和高精度影像[9]。技術(shù)加工可快速獲取點云三維模型、實景三維模型、DLG、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)、DOM等測繪數(shù)據(jù)成果,為河湖劃定和管理提供翔實的數(shù)據(jù)依據(jù)。利用多期數(shù)據(jù)成果對比分析,統(tǒng)計分析河湖變化情況,為河湖長期管理決策提供科學(xué)依據(jù)。但是,缺點同樣是受空域和天氣因素限制較大,且設(shè)備成本較高,可視化效果弱,數(shù)據(jù)冗余量較大。

3 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于河湖信息管理

為滿足河湖信息化管理需要,利用地理信息理念,并確保界樁編碼唯一性,對河湖管理保護范圍界樁進行編碼和標(biāo)示設(shè)計。以永定河北京市管段為例:界樁編碼采用“河道名稱代碼—區(qū)名稱代碼—界類型代碼—左岸/右岸—行政代碼—序號”六級編碼體系,六級碼段具體信息如下:

河道名稱代碼—區(qū)名稱代碼—界類型代碼—左岸/右岸—行政代碼—序號

YDH—MTG/SJS/FT/FS/DX—GL/BH/GB—Z/Y—BH/Q/Z/S—XXX

各級碼段所代表意義為:(1)“YDH”:永定河;(2)“MTG/SJS/FT/FS/DX”:門頭溝/石景山/豐臺/房山/大興區(qū);(3)“GL/BH/GB”:管理界/保護界/管理保護界;(4)“Z/Y”:左岸/右岸;(5)“BH/Q/Z/S”:北京河北界/區(qū)界/鎮(zhèn)界/所界;(6)“XXX”:序號,為三位001至999,沿河流方向自上而下,以區(qū)段、左岸、右岸、管理界、保護界和管理保護界為單位分別編號,不得重復(fù)必須保持界樁編號的唯一性。

以永定河為例,管理保護界樁正視面(A)、背視面(C)、側(cè)視面(B)、側(cè)視面(D)四個側(cè)面和頂視面雕刻標(biāo)示信息、規(guī)格、編碼等規(guī)定范例見圖2。

圖2 界樁規(guī)格、編碼和標(biāo)示規(guī)定范例圖

利用地理信息系統(tǒng)技術(shù),建立時空信息管理和動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[10],河湖時空信息管理和動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包含底圖(地形圖、影像圖、三維模型等)、管理保護范圍、行政界線、界樁、水利設(shè)施和各類注記等幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？稍谙到y(tǒng)上查看界樁分布情況,結(jié)合衛(wèi)星影像及無人機航攝照片,實時監(jiān)測每個界樁的情況。實時掌握河湖動態(tài)信息,及時發(fā)現(xiàn)處置非法盜采、侵占河湖、圍墾河湖、非法設(shè)障等行為;在水庫和河道大壩安裝傳感器,實現(xiàn)大壩自動化安全監(jiān)測;在重點區(qū)域安裝傳感器,實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化。提高河湖空間信息信息化、智能化管理,為河湖長期高效精細(xì)化管理、自動化安全監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及應(yīng)急防洪防汛減災(zāi)求援決策提供有力支持。

4 結(jié)束語

測繪地理信息技術(shù)是重要的技術(shù)手段,通過測繪地理信息技術(shù)的綜合運用,無論是作為前期的河湖規(guī)劃和劃定,還是后期的河湖管理、自動化安全監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及應(yīng)急防洪防汛減災(zāi)救援,均能提供精準(zhǔn)信息和技術(shù)支持。

關(guān)于河湖劃定和管理測繪工作,建議要為河湖規(guī)劃、劃定提供信息采集定位、地理信息制作服務(wù),還要協(xié)助河湖管理部門和屬地政府把河湖地理信息管理系統(tǒng)建設(shè)起來,最后為實現(xiàn)河湖長期管理、自動化安全監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及應(yīng)急防洪防汛減災(zāi)救援提供精準(zhǔn)信息和技術(shù)支持,確保中央河長湖長制深化落實到位,以建設(shè)美麗中國和文明生態(tài)。