胡 紅，于 磊

（海河水利委員會(huì)海河流域水土保持監(jiān)測中心站，天津 300170）

水土保持監(jiān)督性監(jiān)測是水行政主管部門委托第三方監(jiān)測單位到現(xiàn)場進(jìn)行水土保持監(jiān)測、及時(shí)精準(zhǔn)有效地收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并編制技術(shù)報(bào)告的活動(dòng)，是水土保持監(jiān)管的重要技術(shù)手段[1]，是落實(shí)國務(wù)院行政審批“放管服”改革的重要措施之一，也是水土保持方案實(shí)施情況跟蹤檢查的重要手段和基礎(chǔ)[2]。新時(shí)代水土保持應(yīng)準(zhǔn)確把握進(jìn)入新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念，依法有效強(qiáng)化人為水土流失監(jiān)管，建立完善水土保持事前事中事后全鏈條全流程監(jiān)管體系[3]。當(dāng)前生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目日益增多，監(jiān)管責(zé)任的范圍也在不斷擴(kuò)大，存在“人、車、相機(jī)”的實(shí)地調(diào)查很難全面發(fā)現(xiàn)并及時(shí)控制水土流失的現(xiàn)實(shí)問題。因此，在對(duì)全流域生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目人為水土流失日常監(jiān)管中，迫切需要開發(fā)出新的技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)違反規(guī)定的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，有效地控制人為水土流失。本研究以海河流域?yàn)槔龂L試?yán)眯l(wèi)星遙感、無人機(jī)遙測等新技術(shù)新手段開展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督性監(jiān)測，快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作中存在的違法違規(guī)行為，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管工作提供技術(shù)支撐。

1 海河流域生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目概況

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失是典型的人為活動(dòng)造成的加速侵蝕，根據(jù)國家級(jí)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測成果（海河流域）統(tǒng)計(jì)，海河流域2019 年人為擾動(dòng)水土流失面積為1797.13 km2，2020年人為擾動(dòng)水土流失面積為1802.37 km2，2021 年人為擾動(dòng)水土流失面積為1820.24 km2，2022 年人為擾動(dòng)水土流失面積為1983.11 km2，表明海河流域每年人為擾動(dòng)造成的水土流失面積在逐年增加，導(dǎo)致海河流域水土保持監(jiān)督管理任務(wù)艱巨。針對(duì)海河流域生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量多、空間分布零散且擾動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，海河流域水土保持管理部門創(chuàng)新機(jī)制、主動(dòng)作為，加大了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)督檢查力度，建立了海河流域部批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督檢查機(jī)制，印發(fā)了《海河流域部批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督檢查方案》[4]，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持實(shí)施情況實(shí)行全過程監(jiān)管，對(duì)重點(diǎn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)行水土保持監(jiān)督性監(jiān)測，2018—2022年共對(duì)98個(gè)項(xiàng)目開展監(jiān)督性監(jiān)測，其中鐵路工程29 個(gè)、水利樞紐工程11 個(gè)、煤礦工程18 個(gè)、輸變電工程14 個(gè)、油氣管道工程15 個(gè)、天然氣管道工程6個(gè)、機(jī)場工程5個(gè)。

2 研究方法

“天地一體化”監(jiān)測旨在利用多尺度遙感技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)對(duì)地表的影響進(jìn)行全面而深入的調(diào)查，從宏觀上把握其合規(guī)性，并結(jié)合地面調(diào)查實(shí)現(xiàn)天地一體的協(xié)同監(jiān)測[5]，確保生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)的安全性和有效性。通過遙感影像解譯分析，將實(shí)際擾動(dòng)范圍與防治責(zé)任范圍進(jìn)行疊加，對(duì)項(xiàng)目全域范圍內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)擾動(dòng)合規(guī)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，快速將區(qū)域內(nèi)項(xiàng)目分為未批先建項(xiàng)目、超出責(zé)任范圍項(xiàng)目、水土流失嚴(yán)重項(xiàng)目。對(duì)于不合規(guī)項(xiàng)目，利用無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查復(fù)核，確定建設(shè)項(xiàng)目小區(qū)域尺度上的擾動(dòng)范圍，提取水土保持措施和水土流失現(xiàn)狀數(shù)據(jù)[6]。

2.1 基礎(chǔ)資料收集及現(xiàn)場監(jiān)測位置選取

收集研究區(qū)包括生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目批復(fù)文件、征占地文件、水土保持方案報(bào)告書、初步設(shè)計(jì)、棄渣場專題設(shè)計(jì)、防治責(zé)任范圍圖、防治措施圖等在內(nèi)的相關(guān)資料。通過對(duì)資料和遙感影像的分析，確定生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中需要進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測的位置。在監(jiān)督監(jiān)測中，應(yīng)該確保所有分區(qū)都能得到充分的覆蓋，并且選取具有代表性的主要工程措施和植物措施[7]。

2.2 遙感影像獲取與處理分析

（1）遙感影像獲取與處理。衛(wèi)星遙感影像以資源三號(hào)衛(wèi)星和高分一號(hào)衛(wèi)星為主，其中影像的分辨率為2或1 m。通過預(yù)處理，影像可以獲得較好的視覺效果，并且可以有效地用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的信息提取[8]。

（2）解譯標(biāo)志建立。通過對(duì)現(xiàn)場的調(diào)查和影像數(shù)據(jù)的提取特征，建立各種地物類型的解譯標(biāo)志[9]。

（3）擾動(dòng)圖斑解譯分析?？刹捎枚喾N方式完成解譯工作，包括目視解譯、自動(dòng)識(shí)別、決策分析、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等[10]。根據(jù)建立的地物類型解譯標(biāo)志，檢查圖斑擾動(dòng)是否超出防治責(zé)任范圍[11]，若存在則判定圖斑為疑似不合規(guī)擾動(dòng)，并且追溯該圖斑所屬防治分區(qū)。

2.3 現(xiàn)場調(diào)查

通過遙感影像分析結(jié)果，可以獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擾動(dòng)情況，確定其是否超出了防治責(zé)任范圍。為了更好地監(jiān)督和管理超出防治責(zé)任范圍的項(xiàng)目，利用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。

（1）無人機(jī)航拍。飛行器采用大疆御22000 萬像素；航拍參數(shù)指標(biāo)為航向重疊率70%，旁向重疊率65%，飛行高度80～200 m，云臺(tái)角度為40°～85°；影像處理軟件采用無人機(jī)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Pix 4D，精度為5 cm。

（2）航拍數(shù)據(jù)解譯分析。對(duì)無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)，采用相關(guān)軟件對(duì)航拍照片進(jìn)行處理，生成正射影像（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）和三維實(shí)景模型成果，并對(duì)其進(jìn)行處理分析。經(jīng)過精確的分析，獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目所涉及的各種防治區(qū)的位置、范圍以及相應(yīng)的水土保持措施的實(shí)施情況[12]。此外，利用三維實(shí)景模型和正射影像，獲取有關(guān)棄渣場類型、水土流失狀況、水土保持措施的尺寸和面積等信息。利用三維建模技術(shù)，計(jì)算出渣堆的體積及其他重要參數(shù)，如圖1所示。

圖1 擾動(dòng)面積和方量測量

2.4 內(nèi)業(yè)復(fù)核

根據(jù)內(nèi)業(yè)資料、現(xiàn)場調(diào)查情況、影像分析結(jié)果，判斷生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目措施體系是否完善、水土保持措施現(xiàn)場實(shí)施情況是否符合水土保持方案和初步設(shè)計(jì)要求、防治效果是否達(dá)到要求、有無水土流失隱患、是否存在違法違規(guī)行為。內(nèi)業(yè)復(fù)核工作應(yīng)在現(xiàn)場調(diào)查后1～2 d內(nèi)完成，保證后續(xù)的處罰、整改能夠及時(shí)有效。

3 研究結(jié)果

通過對(duì)98 個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開展監(jiān)督性監(jiān)測，選擇重點(diǎn)部位688 個(gè)，其中棄土（渣）場294 個(gè)，取土場82 個(gè)，施工便道、施工生產(chǎn)生活區(qū)等其他防治分區(qū)256 個(gè)，主要對(duì)擾動(dòng)范圍、水土保持措施、棄渣場棄渣量、土壤流失量、水土流失危害方面開展了監(jiān)測，結(jié)果如下。

3.1 擾動(dòng)范圍監(jiān)測

以某礦為例，通過遙感影像可直接解譯出南排土場擾動(dòng)面積為541.14 hm2（如圖2所示），而設(shè)計(jì)擾動(dòng)范圍為515.12 hm2，超出水土保持方案批復(fù)的防治責(zé)任范圍26.02 hm2。通過使用GPS 技術(shù)，測出南排土場的擾動(dòng)面積為535.76 hm2。

圖2 某礦擾動(dòng)范圍

3.2 水土保持措施監(jiān)測

以某渣場為例，基于正射影像，采用ArcGIS 或者Pix 4D 等軟件量取水土保持工程措施、臨時(shí)措施和植物措施的規(guī)格尺寸和數(shù)量（如圖3 所示），通過三維模型直觀判斷出渣場的邊坡防護(hù)措施、排水措施、攔擋措施、植物措施的防治效果和運(yùn)行情況。

圖3 某渣場DOM圖

3.3 棄渣場棄渣量監(jiān)測

通過棄渣前后2 次無人機(jī)航測成果對(duì)比分析，獲取棄渣場棄渣量的變化信息。以某鐵路渣場為例，分別于2019年4和10月進(jìn)行了2 次航拍（如圖4—5 所示），將2 次DOM 模型導(dǎo)入ArcGIS 中進(jìn)行疊加分析，計(jì)算出4—10月渣場共棄方10.21萬m3。根據(jù)實(shí)際工程量計(jì)量結(jié)果，渣場棄渣量為9.65萬m3，無人機(jī)航測與實(shí)際工程量計(jì)算誤差為5%。

圖4 某渣場4月影像

圖5 某渣場10月影像

3.4 土壤流失量監(jiān)測

以某公路2#排泥場為例，利用無人機(jī)監(jiān)測獲取2#排泥場土壤流失面積共11.5 hm2，通過對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)定位觀測點(diǎn)的泥沙監(jiān)測，2019 年土壤侵蝕模數(shù)約3100 t/（km2·a），由此計(jì)算出2#排泥場2019 年土壤流失總量為356.5 t。另外，利用傳統(tǒng)監(jiān)測手段，在2#排泥場下游布設(shè)1個(gè)4級(jí)沉淀池，對(duì)2#排泥場水土流失量進(jìn)行監(jiān)測，通過計(jì)算得出2019 年沉淀池共沉淀泥沙325.6 t，小于無人機(jī)監(jiān)測方法的計(jì)算結(jié)果，其誤差范圍滿足監(jiān)測規(guī)程中精度不小于90%的要求。本工程所處區(qū)域?qū)俦狈酵潦絽^(qū)，容許土壤流失量為200 t/（km2·a），對(duì)于建設(shè)類項(xiàng)目，施工期土壤流失控制比須達(dá)到0.7以上，因此施工期平均土壤流失強(qiáng)度容許值為285.71 t/（km2·a）。與容許流失量相比較，2019年2#排泥場流失量偏大。因此，2#排泥場需加強(qiáng)水土保持防護(hù)措施，以減少施工期的水土流失。

3.5 水土流失危害監(jiān)測

以某渣場為例，通過無人機(jī)航拍影像（如圖6 所示）和三維模型可以看出，渣場匯水面積較大，如遇強(qiáng)降雨，渣場上游將有大量匯水進(jìn)入渣場，對(duì)渣場的穩(wěn)定性極為不利，發(fā)生水土流失災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較大。建議在渣場上游設(shè)置永久截水溝，截水溝設(shè)計(jì)流量應(yīng)滿足50 a 一遇降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，以防止大量匯水進(jìn)入渣場。同時(shí)，在渣場排水溝前端設(shè)置攔砂壩，防止排水溝被沖毀。通過三維模型的效果展示，能夠多角度觀測渣場的周圍環(huán)境和渣場細(xì)節(jié)，使參建單位直觀地認(rèn)識(shí)到水土流失隱患及危害，及時(shí)采取有效措施防止水土流失危害發(fā)生。同時(shí)，需要強(qiáng)化對(duì)具有水土流失隱患地點(diǎn)的監(jiān)督檢查、對(duì)水土保持措施落實(shí)不到位等違法行為依法查處，并建立臺(tái)賬，定期追蹤。

圖6 某渣場航拍影像

4 討論

“天地一體化”技術(shù)有助于更好地了解生態(tài)環(huán)境，將其應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目，通過DOM、DEM 和三維模型的分析，可以獲得更多的水土保持信息，將這些信息與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段得到的信息進(jìn)行比較，以便更好地評(píng)估項(xiàng)目的水土流失狀態(tài)，并建立一個(gè)完整的水土流失本底數(shù)據(jù)庫，以便更好地進(jìn)行水土保持監(jiān)管。本文以98個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目為研究基礎(chǔ)，根據(jù)監(jiān)測規(guī)程的要求，對(duì)“天地一體化”技術(shù)在水土保持監(jiān)督性監(jiān)測中應(yīng)用的可靠性及效果進(jìn)行分析論證，并利用“天地一體化”技術(shù)對(duì)生成的DOM 成果進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)土地面積數(shù)據(jù)、各分區(qū)水土保持措施的實(shí)施情況，及時(shí)掌握項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的水土流失隱患和危害；通過對(duì)多次航拍的DOM 成果進(jìn)行對(duì)比分析，可獲取棄渣場方量的變化信息，其精度基本滿足監(jiān)測規(guī)程的要求；利用無人機(jī)航拍獲取的水土流失面積以及土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕時(shí)段，可計(jì)算出土壤流失量，計(jì)算結(jié)果的精度基本滿足監(jiān)測規(guī)程的要求；另外，結(jié)合傳統(tǒng)定位觀測手段，能夠較準(zhǔn)確地復(fù)核遙感技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。相對(duì)于采用手持GPS、測距測高儀和皮尺等傳統(tǒng)工具，“天地一體化”方法的應(yīng)用可以大大節(jié)省時(shí)間（節(jié)省時(shí)間2/3以上），而且在精度上也避免了偶然誤差的影響[13]。遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)將大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)解譯分析工作，在提高工作效率的同時(shí)也提升了監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性，有很強(qiáng)的實(shí)際使用價(jià)值[14]。本文通過海河流域水土保持監(jiān)督性監(jiān)測實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測過程中存在一些技術(shù)問題。目前，部分項(xiàng)目的防治責(zé)任范圍由圖片格式或者矢量化后有偏移，難以準(zhǔn)確判別項(xiàng)目的合規(guī)性；部分棄渣場存在“先堆砌后審批”的情況，難以確定棄渣前原始地形數(shù)據(jù)，后期無人機(jī)遙感監(jiān)測的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行疊加處理，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確判別棄渣場的實(shí)際棄渣量[15]，未來的研究中，應(yīng)重點(diǎn)研究無人機(jī)遙感監(jiān)測在原始地形數(shù)據(jù)缺測的情況下通過歷史遙感影像處理與解譯來準(zhǔn)確計(jì)算棄渣場堆渣量，以提高棄渣場監(jiān)測的實(shí)效性和準(zhǔn)確性；免費(fèi)的高分遙感影像較少且更新頻率較低，導(dǎo)致反映項(xiàng)目擾動(dòng)現(xiàn)狀的高分遙感影像較難獲取；無人機(jī)續(xù)航時(shí)間比較短，大部分多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間為半個(gè)小時(shí)左右，影響了大范圍高精度監(jiān)測的連續(xù)性操作，需進(jìn)一步探索無人機(jī)的長續(xù)航能力；無人機(jī)航測的垂直精度誤差較大，對(duì)棄渣量方量的計(jì)算具有一定的影響，需進(jìn)一步探索提高無人機(jī)的垂直精度；無人機(jī)監(jiān)測成果質(zhì)量受工程現(xiàn)場的天氣狀況影響較大，在云霧和雨雪等較為惡劣天氣下無法取得滿足精度要求的監(jiān)測成果，需進(jìn)一步探索減少無人機(jī)受天氣的干擾性；由于土壤侵蝕模數(shù)難以準(zhǔn)確取值，精度難以保證，需進(jìn)一步探索無人機(jī)技術(shù)在水土流失量監(jiān)測方面的應(yīng)用研究；無人機(jī)遙測技術(shù)用于水土保持處于探索時(shí)期，尚沒有明確的技術(shù)路線和完善的規(guī)范，尚待形成一套系統(tǒng)化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

綜合利用不同時(shí)空尺度的衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航測、地面觀測的“天地一體化”技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督性監(jiān)測，能更加全面、及時(shí)、精確地獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的相關(guān)信息，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)未批先棄、亂倒亂棄、超范圍施工、水土保持措施嚴(yán)重滯后等違規(guī)現(xiàn)象的查處，是適應(yīng)新時(shí)代利用信息化手段開展水土保持監(jiān)管的新模式。本文通過對(duì)海河流域98 個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開展監(jiān)督性監(jiān)測實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)利用“天地一體化”技術(shù)在提高水土保持監(jiān)管工作效率的同時(shí)也提升了監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性，使得生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目能夠“查的清”“弄得準(zhǔn)”“干得快”，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目違法違規(guī)行為“管得住”。