孫 娜，王治國，張 超，胡 影，王永勝，樊 華，李小芳

(1.北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京 100085；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率不斷提高，高分辨率衛(wèi)星遙感已經(jīng)進(jìn)入全面發(fā)展和廣泛應(yīng)用階段[1]。除了美國Geoeye、 WorldView、法國Pleiades、SPOT系列等外，我國高分系列衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星、高景系列衛(wèi)星也成功發(fā)射。尤其是高分系列衛(wèi)星在中央部委、各省可免費(fèi)推送的特點(diǎn)[2]，為航天衛(wèi)星遙感廣泛應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。無人機(jī)遙感因其成本低廉、快捷高效，操作簡單、機(jī)動靈活，分辨率高的特點(diǎn)，在近幾年也得到快速發(fā)展。隨著衛(wèi)星和無人機(jī)的日益普及，數(shù)據(jù)量的激增，衛(wèi)星和無人機(jī)數(shù)據(jù)如何在行業(yè)得到有效的利用變得更為緊迫。近年來，水土保持行業(yè)連續(xù)開展了高分遙感應(yīng)用示范研究、全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目、生產(chǎn)建設(shè)項目遙感監(jiān)管工作等，這些也推動了高分遙感和無人機(jī)技術(shù)在水土保持行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

我國是水土流失最為嚴(yán)重的國家之一，一直以來國家非常重視水土保持工作，1991年《中華人民共和國水土保持法》頒布實施；1993年國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)水土保持工作的通知》，把水土保持確定為“我國必須長期堅持的一項基本國策”[3]；黨的十八大更是將水土保持為重要組成部分的生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局[4]。2015年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于全國水土保持規(guī)劃(2015—2030年)的批復(fù)》文件[5](以下稱《文件》)，要求水利部牽要頭做好《規(guī)劃》的組織實施工作，加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測、督促檢查和考核評估，認(rèn)真研究解決《規(guī)劃》實施中出現(xiàn)的問題，工作進(jìn)展情況每年向國務(wù)院報告。

為全面貫徹落實黨的十九大和全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會精神，推進(jìn)水土流失綜合治理的戰(zhàn)略部署，進(jìn)一步夯實省級人民政府水土保持工作主體責(zé)任[6]，保障《規(guī)劃》確定的水土流失防治目標(biāo)任務(wù)如期實現(xiàn)，按照《文件》要求，水利部等七部委聯(lián)合發(fā)布了《水利部 發(fā)展改革委 財政部 自然資源部 生態(tài)環(huán)境部 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 林草局關(guān)于開展全國水土保持規(guī)劃實施情況考核評估工作的通知》(水?！?018〕192號)[6](以下簡稱《通知》)?！锻ㄖ穼己嗽u估的程序、方法、時間節(jié)點(diǎn)等提出明確要求，為確保考核評估工作的效率和質(zhì)量，其中，水土流失治理目標(biāo)完成情況和水土流失治理工程實施情況兩項指標(biāo)，由水利部根據(jù)省級自評情況，在內(nèi)業(yè)復(fù)核基礎(chǔ)上，應(yīng)用遙感影像和無人機(jī)等信息技術(shù)手段開展，采用定量分析與定性分析相結(jié)合的方式進(jìn)行評分。

目前，規(guī)劃評估工作已經(jīng)開展兩年，本文主要結(jié)合近兩年在水土流失治理目標(biāo)和治理工程任務(wù)完成情況評估過程中，遙感、無人機(jī)和地面勘查技術(shù)在水土保持措施核查中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 技術(shù)體系

根據(jù)考核評估賦分細(xì)則[6]，基于遙感和無人機(jī)主要考核評估新增水土流失治理面積和重點(diǎn)工程完成情況?；谀壳八Ｐ袠I(yè)主要實施的工作及當(dāng)前技術(shù)水平和可實現(xiàn)的程度，經(jīng)過分析，主要通過對水土流失治理和重點(diǎn)工程水土流失治理新增水土流失治理措施面積進(jìn)行考核評估。因此，通過核查是否新增或改造水土保持治理措施，核定措施和工程任務(wù)的完成情況。

我國疆域遼闊，水土保持措施分布范圍廣。僅使用傳統(tǒng)的實地調(diào)查方法成本高、效率低，僅使用遙感或無人機(jī)也很難核查所有措施。因此充分利用遙感、無人機(jī)、傳統(tǒng)調(diào)查方法優(yōu)勢，將三者融合并相互補(bǔ)充，建立“空-天-地”一體化立體監(jiān)測體系。“空”即利用高分辨率(分辨率優(yōu)于2.5m)衛(wèi)星遙感技術(shù)對水保措施進(jìn)行通查，“天”即利用無人機(jī)搭載可見光傳感器對高分遙感影像不能有效核查的水保措施進(jìn)行詳查，“地”即利用手持移動終端或其他測量設(shè)備，采用人工輔助手段進(jìn)行實地補(bǔ)充勘查。

1.1 水土保持措施分類方案

水土保持治理措施類型多樣，為了保證考核的客觀公正，盡量涵蓋所有面狀治理措施，參考基于水土保持功能的水土流失防治措施體系[7]、高分遙感水土保持應(yīng)用研究[8]的措施分類體系，結(jié)合國標(biāo)GB/T 16453《水土保持綜合治理 技術(shù)規(guī)范》[9]中綜合治理措施、第一次全國水利普查水土保持措施普查指標(biāo)[10]、中國水土保持公報[11]中的水土流失治理措施，同時考慮治理措施在遙感影像的特點(diǎn)及可識別性，制定適用于考核評估的治理措施分類方案。見表1。

1.2 基于衛(wèi)星遙感的水土保持治理措施通查

按照不同的分類方式梯田可分為陡坡梯田和緩坡梯田[7]，水平梯田、坡式梯田、隔坡梯田和反坡梯田，石坎梯田、植物砍梯田和土坎梯田等，但是不同類型的梯田在高分衛(wèi)星遙感影像上的紋理特征具有相似性，田面比較平整，田面和田坎層次分明、呈弧形或多邊形，排列規(guī)整。尤其對于新修梯田和改造梯田，由于施工不久，在衛(wèi)星遙感影像上多呈現(xiàn)土壤的光譜特征，在真彩色影像上多呈現(xiàn)土黃色或白色。在治理后的影像上存在明顯的梯田的光譜和紋理特征，而在治理前的影像上不存在或者部分存在梯田的特征。根據(jù)治理前后影像的差異，通過梯田變化遙感監(jiān)測提取當(dāng)年實施的梯田措施面積。

表1 水土保持治理措施分類方案

封禁治理措施在標(biāo)準(zhǔn)假彩色衛(wèi)星影像上呈現(xiàn)棕色、淺紅色或暗紅色，根據(jù)封禁的植被類型差異，有些封禁紋理比較均一，有些則比較粗糙、呈顆粒狀，封禁治理措施無明顯邊界，內(nèi)部無人為擾動。治理前后的封禁治理措施在影像上變化不大。封禁治理措施是在水土流失區(qū)對稀疏植被或遭到破壞的原始植被，通過圍欄封禁，輔以人工補(bǔ)植和撫育，促進(jìn)植被恢復(fù)，控制水土流失，改善生態(tài)環(huán)境的措施面積。按照規(guī)劃實施情況評估要求，水土流失區(qū)的水土流失面積比不低于15%。根據(jù)封禁治理措施在影像上的特點(diǎn)和水土流失特點(diǎn)，基于遙感影像及水土流失監(jiān)測結(jié)果采用人工目視解譯的方式進(jìn)行封禁治理措施的提取。

1.3 基于無人機(jī)遙感水土保持治理措施詳查

老舊梯田或損毀梯田的田坎加固維修以及梯田配套建設(shè)，由于施工面積較小或較窄且分布比較分散，在衛(wèi)星遙感上難以識別。但是無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)分辨率高，它們在影像上具有明顯特征，采用深度學(xué)習(xí)或面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行提取。

新造水保林、新造經(jīng)濟(jì)林在無人機(jī)影像上可見明顯的整地，紋理清晰，以無人機(jī)遙感核查為主，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行提取。

對于無人機(jī)核查困難的補(bǔ)植補(bǔ)種以及保土耕作等其他措施，基于無人機(jī)航攝進(jìn)行取證。

1.4 基于移動終端和地面量測的現(xiàn)場勘查

為了提高實地監(jiān)測精度與準(zhǔn)確度，基于GNSS、互聯(lián)網(wǎng)+、遙感和大數(shù)據(jù)等多項技術(shù)，開發(fā)規(guī)劃評估核查移動APP，通過實時定位、對水土保持治理措施現(xiàn)場實施情況進(jìn)行文本記錄、拍攝照片、視頻并進(jìn)行實時傳輸，保證數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。

對于補(bǔ)植補(bǔ)種的水土保持林和經(jīng)濟(jì)林基于影像很難識別措施邊界，采用樣帶調(diào)查法，在補(bǔ)植區(qū)內(nèi)，隨機(jī)布設(shè)樣帶，調(diào)查樣帶內(nèi)林木總株數(shù)和新補(bǔ)植補(bǔ)種株數(shù)，計算平均補(bǔ)植率，進(jìn)而推算實際治理的措施面積。

保土耕作、地埂植物帶和改壟等其它措施，基于衛(wèi)星遙感或者無人機(jī)遙感判別是否為當(dāng)年實施的措施較為困難，采用以現(xiàn)場調(diào)查為主，衛(wèi)星遙感和無人機(jī)遙感為輔的方法量測措施面積。

2 應(yīng)用實踐

2.1 高分衛(wèi)星影像覆蓋率高，滿足時相需求。

2018和2019年考核評估主要采用高分系列以GF- 1和GF- 2PMS影像為主的高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，每年兩期。從高分衛(wèi)星影像的覆蓋率來看，兩年相差不大。2019年度考核評估中，獲取高分遙感影像1059景，其中GF- 1影像780景，GF- 2衛(wèi)星遙感影像379景。剔除無效和錯誤數(shù)據(jù)，共使用影像1052景。其中，年前影像499景，年后影像553景。60個核查縣實施前影像覆蓋率達(dá)94%，實施后影像覆蓋率達(dá)96%，實施前和實施后影像重疊覆蓋率達(dá)92.8%。措施實施前影像覆蓋率低于85%的有8個省份的9個縣，實施后影像覆蓋率低于85%的有3個省份的3個縣，兩期影像覆蓋率都低于85%的只有1個省。

2.2 天空地立體監(jiān)測，三者配合，優(yōu)勢互補(bǔ)，方法有效

2.2.1梯田措施實施情況核查實踐

通過對高分遙感影像進(jìn)行正射校正、融合等影像預(yù)處理后，根據(jù)梯田在影像上呈現(xiàn)的特征，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行變化監(jiān)測，實現(xiàn)梯田措施的提取。通過核查，梯田措施的實施情況主要包括以下情形：①全部完成梯田措施的實施。如圖1所示，基于兩期高分遙感影像可清晰識別新修的梯田；②部分完成梯田措施的實施。如圖2所示，基于兩期高分遙感影像清晰可見上報的圖斑面積偏大，東南部沒有實施措施；③沒有實施梯田措施或梯田措施并非當(dāng)年實施。如圖3所示，基于兩期衛(wèi)星影像均可識別梯田，且二者并無區(qū)別，通過現(xiàn)場調(diào)查該梯田措施是往年實施的治理措施。經(jīng)統(tǒng)計，95%的梯田基于高分衛(wèi)星遙感可以實現(xiàn)核查，剩余5%的梯田措施多為梯田加固維修或梯田配套建設(shè)，基于無人機(jī)和現(xiàn)場勘查方式可實現(xiàn)核查。

2.2.2封禁治理措施實施情況核查實踐

對水土流失動態(tài)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，計算措施圖斑內(nèi)的水土流失面積比，結(jié)合預(yù)處理后的高分衛(wèi)星遙感影像，通過人工勾繪的方式進(jìn)行封禁治理措施的提取。封禁治理措施通過衛(wèi)星遙感和水土流失動態(tài)監(jiān)測結(jié)果可完成全部核查。圖4為措施圖斑植被茂盛，通過水土流失計算結(jié)果，圖斑內(nèi)水土流失面積占比為1.3%，低于15%，不屬于用于治理水土流失的封禁措施。圖5為措施圖斑內(nèi)存在大量水土流失，水土流失面積比達(dá)68%，屬于有效水土保持治理措施，圖斑的南側(cè)存在修建梯田的擾動，需要對其進(jìn)行核減。

圖1 基于高分衛(wèi)星影像的梯田措施核查(全部實施)

圖2 基于高分衛(wèi)星影像的梯田措施核查(部分實施)

圖3 基于高分衛(wèi)星影像的梯田措施核查(非當(dāng)年實施)

2.2.3林草措施實施情況核查實踐

從2018和2019年核查結(jié)果來看，80%的林草措施需要運(yùn)用無人機(jī)和現(xiàn)場勘查手段進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核。對于水土保持林、經(jīng)濟(jì)林和種草措施，由于當(dāng)年營造苗木較小，衛(wèi)星遙感影像不易識別，需要無人機(jī)現(xiàn)場航拍并輔以現(xiàn)場勘查，如圖6所示，基于遙感影像無法識別是否存在新造林地，通過無人機(jī)影像可見明顯的魚鱗坑整地，通過現(xiàn)場可以量測種植的是歐榛，植株高約1m，株間距大于1m。對于補(bǔ)植補(bǔ)種的新造水土保持林、經(jīng)濟(jì)林措施，通過現(xiàn)場調(diào)查補(bǔ)植補(bǔ)種率核算措施面積。通過實地測量種植補(bǔ)種率檢查補(bǔ)植補(bǔ)種措施如圖7所示。對于包含除地面積較大的新造水土保持林、經(jīng)濟(jì)林措施，通過現(xiàn)場調(diào)查除地率核算措施面積。

2.2.4其他措施實施情況核查實踐

其他措施比較多樣需要根據(jù)具體措施，選擇適宜的復(fù)核方法。其中，保土耕作、地埂植物帶、改壟、侵蝕溝治理、塬面保護(hù)等措施以無人機(jī)航攝或現(xiàn)場調(diào)查復(fù)核為主；沙障固沙、溝壩地等以衛(wèi)星遙感復(fù)核為主；保土耕作措施圖斑現(xiàn)場復(fù)核時需結(jié)合工程相關(guān)的設(shè)計、施工文件及圖斑水土流失情況綜合判定。圖8為現(xiàn)場核查保土耕作的秸稈還田措施，現(xiàn)場田地已耕種，秸稈粉碎還田。圖9為基于高分衛(wèi)星和無人機(jī)核查的其他措施，基于衛(wèi)星影像可見治理前為林草地，治理后有明顯整地，通過現(xiàn)場勘查，實施整地后又進(jìn)一步種植了喬木和灌木，基于無人機(jī)影像進(jìn)行核算面積。

圖4 基于衛(wèi)星遙感影像和水土流失監(jiān)測的封禁核查(水土流失面積過小)

圖5 基于衛(wèi)星遙感影像和水土流失監(jiān)測的封禁核查(圖斑內(nèi)存在人為擾動)

圖6 基于無人機(jī)的經(jīng)濟(jì)林核查

圖7 基于實地量測的補(bǔ)植補(bǔ)種核查

3 總結(jié)與展望

水土流失治理任務(wù)完成情況抽查復(fù)核，目前主要基于高分衛(wèi)星遙感、無人機(jī)和實地量測的方法對抽查縣的抽查圖斑進(jìn)行核查，該方法充分考慮當(dāng)前影像分辨率和覆蓋情況、計算機(jī)自動提取與監(jiān)測水平及水土保持實際工作，實用性及可操作性強(qiáng)，真實的反映了當(dāng)前水土流失治理措施完成狀況，滿足當(dāng)前實際工作的需求。核查中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如上報措施圖斑為設(shè)計圖斑與實際實施措施不符合，上報措施面積并非當(dāng)年實施的措施面積，上報封禁治理措施圖斑內(nèi)無水土流失等。通過發(fā)現(xiàn)的這些問題也促使我們更加規(guī)范今后水土保持綜合治理項目實施過程中措施的設(shè)計、施工與監(jiān)管等工作。

隨著遙感大數(shù)據(jù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為了更好地促進(jìn)水保事業(yè)的發(fā)展，不斷提高水土保持工作的科技水平，對后續(xù)工作提出展望。

圖8 基于現(xiàn)場復(fù)核的秸稈還田

圖9 基于無人機(jī)的村莊綠化核查

(1)我國幅員遼闊，水土保持措施類型復(fù)雜多樣，以縣域為單元，基于水土保持類型區(qū)、按照水土保持措施類型建立水保措施樣本庫，為每年快速、大規(guī)模地提取水土保持治理措施提供參考。

(2)對于梯田等監(jiān)測技術(shù)相對成熟的治理措施，重視遙感大數(shù)據(jù)的智能處理技術(shù)的研究。

(3)對水土保持治理措施的水土流失變化情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，研究水土保持措施水土流失治理效益。

(4)繼續(xù)深入研究水土流失動態(tài)監(jiān)測與評價的自動化和智能化技術(shù)水平，不斷提高監(jiān)測成果的科學(xué)性和時效性，以更大程度地服務(wù)政府決策，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。