李英杰，齊 崗，王貴葉

(1.自然資源部第一航測遙感院，陜西 西安 710054；2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著國家對生態(tài)環(huán)境建設(shè)的高度重視，治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境已迫在眉睫。水土保持規(guī)劃設(shè)計作為水土流失治理的指導(dǎo)性工作，其合理、準(zhǔn)確與否，將直接影響治理后工程效益的充分發(fā)揮。傳統(tǒng)的水土保持規(guī)劃設(shè)計資料收集多采用實(shí)地調(diào)查、現(xiàn)場搜集資料方式，費(fèi)時費(fèi)力，手段落后[1]。規(guī)劃設(shè)計平臺多是基于二維CAD輔助制圖軟件，涉及到圖斑面積量算、修改等都需要人工手動量測及調(diào)整，圖斑空間信息與屬性信息不能聯(lián)動查詢，缺乏土方量計算等三維分析功能。在缺少資料的情況下，技術(shù)人員靠估算和借鑒其他類似地區(qū)的資料來獲取諸如土壤侵蝕、效益計算等指標(biāo)數(shù)據(jù)，規(guī)劃設(shè)計效率低、準(zhǔn)確性不高。

低空遙感技術(shù)具有機(jī)動靈活、快速高效優(yōu)勢，其成果低空遙感數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的時效性、更高的精度和分辨率，能滿足水土保持規(guī)劃設(shè)計的各項需求。本文通過以低空遙感技術(shù)獲取的DEM(數(shù)字高程模型)和DOM(數(shù)字正射影像)為數(shù)據(jù)源，在自研三維系統(tǒng)平臺探索了三維環(huán)境下水土保持設(shè)計的整個流程，這為水土保持信息化建設(shè)提供了一種前進(jìn)的方向。

1 低空遙感數(shù)據(jù)制作流程

低空遙感數(shù)據(jù)獲取通常是根據(jù)測區(qū)范圍、地形起伏和航飛分辨率的要求，選用合適的無人機(jī)航攝系統(tǒng)，通過攝區(qū)踏勘、航線規(guī)劃、航攝飛行、航攝數(shù)據(jù)整理與預(yù)處理等工作流程，完成航攝任務(wù)，獲取目標(biāo)區(qū)域的原始航飛影像[2]。

從獲取的原始影像到生成DEM、DOM數(shù)據(jù)需要一系列人機(jī)交互操作方可完成。制作DEM、DOM數(shù)據(jù)常用的軟件有PiexlGrid、INPHO、像素工廠、VirtuoZo、JX4和MapMatrix，其中前三款軟件主要用于空中三角測量加密以及制作較粗的DEM和DOM數(shù)據(jù)，后三款軟件主要用于立體測圖及精細(xì)DEM、DOM數(shù)據(jù)的制作。DEM、DOM制作流程如圖1所示。

圖1 DEM、DOM數(shù)據(jù)制作流程圖

通過原始影像資料獲取、外業(yè)像控點(diǎn)測量及解算、空中三角測量加密、影像匹配生成粗DEM并編輯、立體環(huán)境采集等高線并編輯、構(gòu)建三角網(wǎng)生成精細(xì)DEM成果。在DEM成果基礎(chǔ)上，影像數(shù)字微分糾正獲取正射影像，再經(jīng)過勻光、鑲嵌、拼接、裁切等操作，生成符合項目要求的DOM數(shù)據(jù)[3]。

2 三維水土保持規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用

2.1 三維水土保持規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)

以低空遙感技術(shù)獲取的DEM和DOM為數(shù)據(jù)源，以三維GIS為技術(shù)支撐，以滿足水土保持規(guī)劃行業(yè)的業(yè)務(wù)需求為目標(biāo)，在可視化較強(qiáng)的三維系統(tǒng)平臺StampGIS上開發(fā)一套界面友好，操作簡便、擴(kuò)展性強(qiáng)的軟件系統(tǒng)。平臺設(shè)計包括瀏覽、查詢、分析、水保資料、水保規(guī)劃設(shè)計、量算、用戶數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù)編輯7大功能模塊。根據(jù)水保規(guī)劃設(shè)計的實(shí)際需要，細(xì)化功能模塊的功能，運(yùn)用Javascript、HTML、CSS等前端語言，結(jié)合底層平臺的接口，編碼完成三維水保規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)。

平臺初步定型后，需通過平臺測試來發(fā)現(xiàn)平臺中潛在的問題；測試分為內(nèi)部測試和試運(yùn)行兩個部分，測試的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)的支持能力、平臺流暢性和功能完善程度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題后，要及時去優(yōu)化，通過測試與優(yōu)化的不斷重復(fù)，直至形成可以實(shí)用的三維平臺。

2.2 三維水土保持規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用

本次實(shí)驗選擇的區(qū)域為榆林市橫山區(qū)鮑家寺景區(qū)，項目區(qū)位于橫山區(qū)響水鎮(zhèn)的韭菜溝村，總面積2.32 km2。東西長約1.3 km，南北長約1.8 km。項目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬鄂爾多斯地臺斜、陜北臺凹的中北部，地貌類型為風(fēng)沙灘地，地處毛烏素沙漠南緣，氣候?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂騾^(qū)，土壤以風(fēng)沙土黃土為主。

針對實(shí)驗區(qū)制定了本次三維水土保持設(shè)計工作流程[4]，如圖2所示，下面針對工作流程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2 水土保持設(shè)計工作流程

2.2.1 實(shí)驗區(qū)數(shù)據(jù)收集

通過查閱單位內(nèi)部地理信息數(shù)據(jù)庫，收集到覆蓋實(shí)驗區(qū)域2017年低空無人機(jī)遙感成果DEM和DOM。當(dāng)年低空遙感航飛采用了MD4-1000中型四旋翼無人機(jī)，Sonyα7R 數(shù)碼相機(jī)，其中DEM的高程精度為0.53 m，DOM影像分辨率為0.1 m。同時還收集到覆蓋該區(qū)域的水系、植被、地貌、道路交通、居民地等矢量數(shù)據(jù)，為實(shí)驗后續(xù)開展打下堅實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2.2 土地現(xiàn)狀提取

在進(jìn)行水土保持規(guī)劃設(shè)計時，首先要對項目區(qū)的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行采集分析，初步明確水土保持現(xiàn)狀。基于收集到低空遙感獲取的DOM和DEM成果數(shù)據(jù)，結(jié)合水土保持規(guī)劃相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用研發(fā)的三維水保規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)對項目區(qū)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行目視解譯，將現(xiàn)狀用地分為旱地、河流水面、荒草地、裸地、內(nèi)陸灘涂、坡耕地、疏林、梯田、有林地、采礦用地、村莊、風(fēng)景名勝設(shè)施用地以及公路用地共13類用地，并對不同類別現(xiàn)狀用地的小斑數(shù)量、面積及占比進(jìn)行了統(tǒng)計，生成了土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計表(見表1)。

表1 實(shí)驗區(qū)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計表

對表中各個圖斑添加了用地編碼、圖斑編號、平均坡度、最高最低點(diǎn)高程、圖斑面積、所屬村莊等屬性并進(jìn)行賦值，實(shí)現(xiàn)了圖斑在三維系統(tǒng)中立體展示及屬性查詢，為規(guī)劃設(shè)計人員提供了詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。由于高分辨率數(shù)據(jù)、三維系統(tǒng)的使用，使得基于低空遙感數(shù)據(jù)獲取的土地利用現(xiàn)狀的圖斑劃分更精細(xì)準(zhǔn)確，屬性值更豐富。

2.2.3 水土流失現(xiàn)狀分析

準(zhǔn)確掌握實(shí)驗區(qū)各類性質(zhì)用地的水土流失強(qiáng)度，可以為水土保持治理規(guī)劃提供現(xiàn)時參考依據(jù)。本文中用溝蝕強(qiáng)度校正面蝕強(qiáng)度，得到的項目區(qū)水土流失強(qiáng)度更精細(xì)準(zhǔn)確。統(tǒng)計各個水土流失強(qiáng)度的面積占比，如表2所示，通過水土流失現(xiàn)狀表可以看出項目區(qū)水土流失面積為189.56 hm2，占研究區(qū)總面積的81.76%。從統(tǒng)計結(jié)果來看，項目區(qū)輕度水土流失面積比例較大，需依據(jù)水土流失強(qiáng)度盡快采取相應(yīng)的水土保持綜合防治措施，防止水土流失進(jìn)一步加劇。由于低空遙感DEM的高程精度更高，三位環(huán)境下現(xiàn)狀分析更科學(xué)準(zhǔn)確。

表2 實(shí)驗區(qū)水土流失現(xiàn)狀表

2.2.4 水土保持規(guī)劃設(shè)計

1)面狀措施規(guī)劃布局

考慮到項目區(qū)的地質(zhì)地形環(huán)境、水土流失特征以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀，本次將荒草地規(guī)劃為水土保持林，以在減少或制止水土流失，改善生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上獲取最大的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)綜合效益。根據(jù)地形條件及人均耕地現(xiàn)狀(人均耕地0.27 hm2，低于世界人均耕地水平)，將坡耕地規(guī)劃為梯田。對土地利用現(xiàn)狀中的疏林地進(jìn)行封育治理，結(jié)合陜北干旱少雨的氣候特征(年降水量397.8 mm)，建議實(shí)行全年封禁，并在封禁的基礎(chǔ)上進(jìn)行適量補(bǔ)植。

依據(jù)項目區(qū)面狀措施規(guī)劃布局，對不同類別規(guī)劃用地的小班數(shù)量、面積及占比進(jìn)行了統(tǒng)計，生成了規(guī)劃各類用地情況統(tǒng)計表(表3)。從規(guī)劃各類用地面積統(tǒng)計表中可以看出，荒草地全被規(guī)劃為水土保持林，面積占比最高，達(dá)到64.97%，疏林地全被封育，此次面狀措施的規(guī)劃實(shí)施將很大程度上減少項目區(qū)的水土流失，達(dá)到治理效果。

表3 實(shí)驗區(qū)規(guī)劃各類用地面積統(tǒng)計表

在進(jìn)行面狀措施規(guī)劃布局時，可采用三維系統(tǒng)提供的用地類型、坡度、植被覆蓋度查詢功能，快速定位面狀措施的規(guī)劃區(qū)域；系統(tǒng)還提供任意空間范圍的圍欄及樹木造價估算，提高了效益估算的速度和準(zhǔn)確度，方便了規(guī)劃人員。

2)點(diǎn)狀措施規(guī)劃布局

根據(jù)水窖布設(shè)規(guī)范，結(jié)合項目區(qū)水保工程土地利用現(xiàn)狀圖，將水窖布設(shè)在村旁、路旁以及有足夠地表徑流來源的地方。并根據(jù)項目區(qū)人口數(shù)量，每年人均需水量、總需水量，扣除其他水源(如山丘間泉水利用等)可供水量，大概估算出水窖數(shù)量。根據(jù)谷坊布設(shè)規(guī)范，結(jié)合溝道分析中溝底比降數(shù)據(jù)，參考溝道縱剖面圖，將谷坊群修建在溝底比降大于5%～10%、溝底下切劇烈發(fā)展的溝段。根據(jù)溝底比降圖，從上而下初步擬定每座谷坊位置，下一座谷坊的頂部大致與上一座谷坊基部等高。

依據(jù)項目區(qū)點(diǎn)狀措施規(guī)劃布局。本次在項目區(qū)溝底比降大于5%～10%、溝底下切劇烈發(fā)展的溝道的溝段布設(shè)谷坊16座，以抬高其侵蝕基點(diǎn)，控制溝底下切，穩(wěn)定溝坡，防止溝岸擴(kuò)張，并攔截上游泥沙。根據(jù)需求，在村莊、路旁以及有足夠地表徑流來源的地方，修建水窖9座。效果如圖3所示。

圖3 實(shí)驗區(qū)水保治理三維點(diǎn)狀措施布設(shè)圖

在進(jìn)行點(diǎn)狀措施規(guī)劃布局時，可采用三維系統(tǒng)提供任意空間點(diǎn)相距村莊距離實(shí)時查詢分析，輔助確定水窖布設(shè)位置；采用系統(tǒng)提供溝道信息查詢分析，輔助確定谷坊布設(shè)位置，方便了規(guī)劃人員。

基于三維環(huán)境的水保規(guī)劃設(shè)計相比傳統(tǒng)基于二維CAD輔助制圖，工作量減小，且規(guī)劃更直觀、更準(zhǔn)確、更智能。

2.2.5 水土保持治理后期監(jiān)測

為了更好地監(jiān)測水土保持治理工程實(shí)施的效果，可以相隔一定時間之后，對同一區(qū)域再次低空航飛獲取影像，通過水土保持工程措施前后兩期影像的對比分析，評價工程措施的效果，并為措施調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)語

本文給出了基于低空遙感技術(shù)的DEM和DOM數(shù)據(jù)制作流程，基于三維水土保持規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行三維水土保持規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用的流程，并結(jié)合實(shí)驗區(qū)域?qū)ξ闹蟹椒ㄟM(jìn)行了驗證。實(shí)驗結(jié)果表明基于低空遙感數(shù)據(jù)的三維水土保持規(guī)劃設(shè)計過程更自動、結(jié)果更精確、效果更直觀。水土保持涉及的應(yīng)用方向很多，文中給出了規(guī)劃設(shè)計與低空遙感、三維GIS技術(shù)結(jié)合方式，與其它具體業(yè)務(wù)方向的結(jié)合是后續(xù)需要繼續(xù)研究方向。