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生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系

 
 
 新形势下,生产建设项目水土保持监管工作急需提高技术支撑能力和信息化水平。 基于当前生产建设项目水土保持监管工作对相关支撑技术的新需求,分析了遥感、GIS 等技术的适用性,提出了基于多项技术集成的“天地一体化”动态监管关键技术体系,并对其在当前工作中的应用情况进行了初步分析总结,可为生产建设项目水土保持监管信息化工作思路提供有益参考。
近年来,全国各地各级水土保持管理机构不断加强能力建设,使得生产建设项目水土保持监管的力度、广度、深度和规范化程度等均有很大的强化和提高,但因为工作量日益繁重新需求不断提出、新要求不断提高,以致监管工作效率和效能受到了技术支撑能力不足的限制
[1] 。我们在探讨新形势下生产建设项目水土保持监管工作对支撑技术需求的基础上,提出了基于遥感、GIS、互联网等技术的生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系,并结合正在开展的全国生产建设项目监管示范工作,分析总结了其实际应用效果,对其技术推广思路和发展前景进行了展望分析,以期为提高生产建设项目水土保持监管工作的技术支撑能力提供参考。
1 生产建设项目水土保持监管工作现状及面临的新形势新要求
  党的十八届四中全会提出了深化行政执法体制改革,加强和规范事中事后监管的要求。 2015 年 7 月,国务院《生态环境监测网络方案》(国办发〔2015〕56号)提出“监测与监管协同联动,初步建成陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络”,要求监测网络基本实现全覆盖、重要生态功能区实现全天候监测。 2015 年 10 月,国务院批复的《全国水土保持规划(2015—2030 年)》要求建立健全综合监管体[基金项目] 水利部科技推广项目(SF-201606);水利部综合事业局拔
尖人才培养专项资金研究项目(20150608-01)系,创新体制机制,强化水土保持动态监测与预警,提高信息化水平。根据中国水土保持公报,2005—2014 年,全国每年审批生产建设项目水土保持方案数量由 2.29 万个增加到 3.06 万个,每年新增水土流失防治责任范围1.5万 km 2 。 因为生产建设项目具有一定的建设期,所以每年需监管的在建项目(正在扰动)数量和规模预计为批复数量的数倍。 目前,生产建设项目水土保持监管工作主要以分级管理、属地管理相结合的原则组织开展,流域机构负责部批项目监管,省、市、县水土保持机构除负责自身批复项目的监管外,还负责辖区内上
级批复项目的协同监管。 根据《水利部流域管理机构生产建设项目水土保持监督检查办法(试行)》(办水保〔2015〕132 号),监管的核心工作是对水土保持方案实施情况进行跟踪检查,主要包括 10 项内容(见表1)。 目前,跟踪检查主要采取书面检查和现场检查两种方式,主要依靠传统的定位、记录、拍照等技术手段。
新形势下,生产建设项目水土保持监管工作面临着工作量大、工作要求高、支撑技术落后、能力不足等问题,距“陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享”的目标还有很大差距。
 
2 技术支撑方面存在的具体问题和困难新形势下的生产建设项目水土保持监管需做好两
项基础工作:一是对水土保持措施落实情况进行准确、翔实、及时的调查;二是对调查数据和信息进行从宏观到微观、从定性到定量、从固定时态到多时态、从平面到立体等多尺度、多角度和多维度的专业分析。 目前,
4 中国水土保持 SWCC 2016 年第 11 期
 
 
 
表 1 生产建设项目水土保持方案实施情况跟踪检查主要内容
表 1  生产建设项目水土保持方案实施情况跟踪检查主要内容
序号 跟踪检查内容 基础调查内容 指标类型 调查方法 分析方法
水土保持工作组织管理情况   管理制度资料
2水土保持补偿费缴纳情况   缴费凭证资料
 
 
水土保持方案变更、水土保持
措施重大变更审批情况,水土保
持后续设计情况
 
  建设状态 ( 未 开 工、
在建、停工、完工等)
  设计资料
  现场措施状况
 
  资料内容的真实性   资料收集、访谈
 
  对比分析调查情况与资
料描述的一致性
表土剥离、保存和利用情况   现场表土状况
 
5取、弃土场选址及防护情况
 
  取、弃土场与周边环
境关系
 
 
  取、弃土场状况
  扰动土地状况
6   水土保持措施落实情况   水土流失状况
  水土保持措施
7   水土保持监测、监理情况   现场措施状况
8   历次检查整改落实情况   现场措施状况
 
  空间特征类指标:位置、
范围、规模( 面积、体积)
等。 属性特征指标:类型
(土、石及混合)、堆体形
态( 边坡坡度、坡长等)、
规格、防护效果、运行状况
 
  对空间特征类指标
的调查、测量;对属性
特征指标的调查、记
 
  对比分析调查情况与方
案设计的一致性,包括:空
间统计分析( 位置、范围、
面积、体积、规模、空间关
系等等);属性对比分析
(类型、防护效果、运行状
况等)
 
 
  水土保持单位工程验收和自查
初验情况
 
  现场措施状况
 
10   水土保持设施验收情况   现场措施状况
 
这两项工作存在着以下问题和困难:
(1)项目数量多、空间分布零散,取土场、弃渣场等重点监管对象数量更多更分散。由于缺乏宏观调查
手段,所以难以及时掌握大量监管对象整体的合规性情况,难以识别和抓住重点监管对象,难以有序、有计
划、有重点地组织开展工作。
(2)项目类型多,建设周期不一致,扰动方式复杂,现场状况变化快。因缺乏高频次的动态调查技术
支持,以致跟踪调查的时效性不高,对过程信息掌握不及时,难以实现过程监管。
(3)项目现场复杂,缺乏准确、高效、多角度、定量的调查取证手段,难以发现具体问题,对发现问题的描述和记录不规范、不完整、不量化,证据缺乏法律效力。
(4)缺乏数据和信息共享手段,多级监管难以实现合理分工、分级负责的高效协同,容易出现重叠、重
复,监管效率低;上级对下级缺乏监督手段,容易出现遗漏,特别是缺乏对未批先建行为及时发现的手段,监管效能低。
3 生产建设项目水土保持监管的技术需求分析对生产建设项目水土保持监管中跟踪检查内容进行的技术需求分析(表1)表明,水土保持组织管理、补偿费缴纳及后续设计等几项内容外的其他大部分基础调查内容和指标均与调查对象的空间特征相关。 而当前沿用的传统调查和分析方法,恰恰针对易于调查的属性特征,往往忽视空间特征。近年来,有部分地区应用了遥感、无人机、GPS、测绘等技术,但大多属小范围试验 [2-3] ,缺乏成体系的业务化应用。 因此,要满足生产建设项目水土保持监管的新需求,首先应当以空间数据管理技术为基础,即应用GIS(地理信息系统)技术成为必然选择;其次,要满足“全覆盖、高频次、空天一体”,需要遥感、无人机技术的支撑;再者,要实现内外业协同作业的“精细化、定量化、信息化”,需要空间定位、多源数据采集、移动通信、互联网等技术的支撑。此外,各项新技术的应用必然涉及海量空间数据和信息的专业处理分析工作,为实现“上下协同”,不仅需要各级水保监管机构之间的数据、技术、管理模式的充分共享和高度兼容,还需要监管业务与技术支撑的高度协同。因此,需要基于互联网、云服务等技术的软硬件集成开发来为生产建设项目水土保持监管提供信息管理工具。
4 生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系
   生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管技术是根据监管信息采集、分析、管理的需求,基于多尺度遥感、GIS、空间定位、无人机、移动通信、快速测绘、互联网、多媒体等技术应用的信息化集成技术。其中:“天”主要指基于多种航天、航空平台的多尺度遥感技术,为区域扰动宏观调查提供时空信息采集、分析的手段;“地”主要指基于 GIS、空间定位、快速测绘、多媒体等技术集成的移动信息采集技术,为生产建设项目现场调查提供信息采集、管理、分析的手段;“一体化”主要指在GIS、互联网、移动通信等技术的支持下,对“天”“地”采集、处理的多源时空信息进行集中管理、分析、传输等,以实现各监管主体之间、多角度调查手段之间、内外业各工作环节之间的信息实时交互、共享、协同操作,为区域生产建设项目水土保持动态监管
5 亢庆等:生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系工作提供一体化支持。
图 1 结合监管工作主要流程,分析了“天地一体化”动态监管的基本技术路线和关键技术体系。关键
技术体系可分为空天调查分析技术和地面调查分析技术两部分。
图 1 生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管技术路线及关键技术体系
4.1 空天调查分析技术
4.1.1 遥感数据源
目前监管适用的国内外卫星遥感数据参数、特点和适用范围见表2。由表2 可以看出,不同数据源有不
同的适用范围,可根据需要选择合适的数据源组合。遥感调查频次由重访周期、幅宽及天气等因素决定,实
际应用中很难按理论重访周期获取数据。根据经验,在县域尺度内,云雨天气影响较大的南方地区,一般每年可重复获取 4 次以上中分辨率遥感影像,高分辨率遥感影像一般仅能保证获取 2 次。 因此,在“天地一体化”技术路线中,为兼顾区域调查的高频次和项目调查的精细化,采用了中分辨率与高分辨率组合使用的方式。
4.1.2 基于遥感处理技术应用的关键技术
(1)多光谱遥感影像真彩色融合增强技术。利用
6 中国水土保持 SWCC 2016年第 11 期
 覆盖范围小;调查频次较高;国产卫星数据免费;最小识别扰动土地目标为0.1 hm 2 ,措施目标为1~10 m区域(市、县级)新增扰动筛查和预警;重点项目扰动情况调查;部分大型措施调查;部分重点渣场跟踪调查植被光谱信息丰富的近红外波段和红、绿、蓝波段,采用多光谱融合算法,实现影像真彩色增强。融合增强处理能够减少冗余、增加有效信息量、突出影像层次和细节信息,增强植被、建筑物、水域、土壤、岩石、扰动地表等目标对象的影像特征,并削弱因时相、传感器等造成的影像解译标志特征差异,提高后续目视解译或自动识别的准确率。
(2)多期遥感影像变化检测技术。不同分辨率影像采用不同的方法。 对中分辨率影像,采用多期影像
的 NDVI、土壤指数产品等进行检测计算,可自动获取大范围区域扰动图斑的新增、减少等变化信息。对高分辨率影像,可通过扰动特征自动提取后的矢量图层空间计算,获取项目扰动图斑的精确变化信息,并对图斑距离、面积等进行空间量算。
(3)生产建设项目扰动特征自动提取技术。对融合增强后的高分辨率影像,以具有生产建设项目扰动特征的像元集合为分类对象,采用“面向对象”方法自动提取扰动图斑,可以有效减少因光谱信息丰富而产生的“椒盐效应”。
4.1.3 基于 GIS 技术应用的关键技术
(1)生产建设项目空间矢量化(水土流失防治责任范围上图)技术。应用 GIS 软件的矢量化功能,在统一的坐标系统下,以遥感影像、防治责任范围图件(纸质或电子)的要素特征为参考,通过初步定位、地理配准、边界勾绘及属性数据录入等操作步骤,将生产建设项目防治责任范围进行空间矢量化[2,4] 。 该技术也可用于水土保持措施设计、渣场设计图件的空间矢量化。
(2)生产建设项目扰动合规性判别和预警技术。
使用 GIS 空间分析技术,对防治责任范围、扰动图斑(由中分辨率遥感影像变化检测、高分辨率遥感扰动特征自动提取)矢量数据进行叠加分析,根据两类对象的空间位置关系判别扰动的合规性,量算相关图斑的面积、距离等指标,用于定量描述合规性状况,并对违规图斑进行属性标识和预警展示。
4.2 地面调查分析技术
地面调查分析技术主要包括:基于移动互联网等技术集成的生产建设项目水土保持监管信息移动采集关键技术、多源数据管理和无人机调查等几项关键技术。
(1)水土保持监管信息移动采集技术。基于移动平台,集成 GIS、卫星定位与导航、激光测距仪、陀螺仪、音视频采集、移动通信、互联网、便携打印机等技术和设备,开发水土保持监管信息移动采集系统,可以实现现场多源空间信息采集、定位、导航、快速测量、现场办公、存储管理和分析等功能,为生产建设项目水土保持现场调查提供专业工具。
(2)多源数据管理技术。 针对监管涉及的多期遥感影像、设计数据、遥感和现场调查数据、业务分析数
据等海量、多结构、多时间版本的空间数据和属性数据,应用GIS、互联网和云计算技术,通过集群应用、网络技术或分布式文件系统等技术,构建从移动采集到云端存储的一体化平台,实现云端与移动采集端实时交互、监管数据库与各业务管理系统之间的数据共享。
(3)无人机调查技术。 无人机调查主要是利用摄影测量技术,按照相关测绘规范,对高空连续拍摄一定
量重叠度的照片,利用无人机遥感图像处理软件,通过几何处理、多视匹配、三角网(TIN)构建、自动赋予纹理等处理,获取1 ∶ 500、1 ∶ 1 000、1 ∶ 2 000 等比例尺的三维模型、正射影像和 DEM 数据。 对空间数据进行量测、分析,可准确、高效地获取扰动土地情况、取土
(石、料)场和弃土(石、渣)场情况、水土流失情况、水土保持措施情况等相关监管指标。
5 “天地一体化”技术在生产建设项目水土保持监管示范工作中的应用
  根据水利部的部署,2015—2016年在全国 38 个县开展了以“天地一体化”技术为支撑的生产建设项目监管示范工作。 该工作利用国产高分一号卫星遥感影像,在 38 个示范县开展了两次生产建设项目扰动状
7 亢庆等:生产建设项目水土保持“天地一体化”动态监管关键技术体系况调查,并在移动采集系统的支持下,对遥感调查成果进行了现场复核,之后将相关数据入库,对空间信息和属性信息进行全面管理,用于支撑生产建设项目水土保持协同监管[4] 。 考虑到新技术应用对业务人员操作要求较高,为便于开展示范,该工作对图 1 的技术路线进行了简化,详见图 2。
图 2 生产建设项目“天地一体化”动态监管技术简化方案就2015 年度监管示范工作实施情况来看,通过遥感调查,有效掌握了示范县区域扰动整体状况和已批项目的建设状态,发现了一批扰动超出防治责任范围、违规未批先建、建设方案重大变更等项目,对常规方法难以发现的影响较大的违规行为进行了调查取证等。“天地一体化”技术的应用,有效提高了示范县生产建设项目监管信息的获取效率,加强了事中监管的力度和监督检查的工作效能。但同时也存在一些技术应用方面的问题,例如:遥感调查频次少、精度低,对渣场、措施等重点对象的监管支撑不足;水土保持方案图件要素不足,难以矢量化;现场复核工作量大;技术工作专业性强,难以掌握等。主要原因为:一方面,简化的技术方案和遥感调查频次未能提供足够的业务需求信息量,也没有得到移动采集设备的支持等;另一方面,也与现有水土保持方案图件技术要求不高、业务人员短时期难以适应新技术带来的业务模式及要求有关。在2016 年的示范及今后的应用中,随着技术方案优化更加贴近业务需求,以及信息化建设、业务模式创新和能力建设的不断加强,“天地一体化”技术的支撑能力越来越强,效益越来越明显。
6 “天地一体化”技术应用推广思路和发展前景
6.1 推广思路
考虑到全国各级水土保持监管机构的能力水平和需求不尽相同,“天地一体化”技术的推广应用应统一
规划、分步推进。首先,水利部应当大力推进“天地一体化”技术相关标准、规程、规范的制定及相应业务创新管理制度建设,有计划地在不同区域、不同级别监管机构中开展技术应用和管理模式的试验和示范。其次,根据当前的迫切需求,推进该技术在各级监管机构对本级负责的已批生产建设项目监管中的应用。 在各级监管部门基本掌握监管模式并具备技术应用基础的条件下,推进“天地一体化”技术在各级监管部门协同监管上的应用。
6.2 发展前景
目前,我国的卫星遥感技术正在向“多尺度、多频率、高精度、高效率”的目标快速发展。随着高分系列三号、四号卫星相继发射升空,大范围、高频次、高分辨率(包括雷达)的对地观测数据将能够以海量、低成本方式获取。 同时,随着民用级无人机平台的不断丰富,使用成本的逐年降低,激光雷达、高光谱成像仪等机载设备的逐步小型化,近地面航拍技术正快速普及。我国自主研制的北斗卫星导航定位系统的民用开发与推广已进入加速启动阶段,并开始规模化进入应用市场
[5] 。 天地图等空间数据服务目前已广泛应用于手机、便携式手持终端、车载导航仪等载体
[6] 。 此外,我国正在开展5G 网络技术试验,一旦推出,高速移动通信将迎来跨越式的发展。 国内大数据/ 云计算技术得到了政府等公共部门的大力推动,诸多互联网、大数据/ 云计算服务厂商纷纷加大研发与推广力度,并不断地推出各类大数据/云计算新产品与服务
[7] 。未来,随着以上各相关基础技术的发展,“天地一体化”技术也将不断发展和完善,生产建设项目水土保持动态监管工作将得到更加强有力的技术支撑。
 
对重点项目的精细化监管是实现生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的重要组成部分。无人机摄影测量技术可以快速获取生产建设项目扰动土地情况,取土(石、料)场、弃土(石、渣)场情况,水土流失情况,水土保持措施情况等相关现场监管信息,与传统方法相比在客观性、直观性、工作效率、全局性等方面具有明显优势,是一种理想的非接触式高效监测手段,可以很好地服务于生产建设项目水土保持“天地一体化”监管。
生产建设项目水土保持“天地一体化”监管工作主要采用多种分辨率遥感影像调查与现场复核相结合的手段,对生产建设项目的扰动合规性以及重点项目的水土保持工作实施情况进行监督管理。其中,扰动合规性及部分水土保持措施信息,可以从遥感影像中获取;扰动合规性的复核以及更精细的与空间信息相关的监管指标,需要通过现场调查、测绘等手段获取。但是,传统的地面调查和测绘技术存在现场操作复杂度高、工作量大等劣势。而无人机具有高空全局性视角和机动灵活性,通过无人机航拍,可以获得项目区的高分辨率影像、三维实景数据、数字表面模型等数据 [1] ,再通过信息的内业提取,可以快速获取水土保持监督监测所关注的扰动土地、弃渣场、水土流失、水土保持措施中的多种定量化指标,服务于重点生产建设项目水土保持情况的监管。
1 生产建设项目水土保持监管指标需求与无人机信息获取方法参照《水利部流域管理机构生产建设项目水土保持监督检查办法(试行)》《生产建设项目水土保持监测规程(试行)》,以及各级水行政主管部门日常监管工作的要求,生产建设项目水土保持监管内容主要包括:水土保持工作组织管理情况;水土保持补偿费缴纳情况;水土保持方案变更、水土保持措施重大变更审批情况,水土保持后续设计情况;表土剥离、保存和利用[基金项目]水利部科技推广项目;水利部预算项目(SF-201606);水利部综合事业局拔尖人才培养专项资金研究项目(20150608-01)情况;取、弃土(包括渣、石、沙、矸石、尾矿等)场选址及防护情况;水土保持措施落实情况;水土保持监测监理情况;历次检查整改落实情况;水土保持单位工程验收和自查初验情况;水土保持设施验收情况等。其中,需采集现场信息的监管内容主要包括扰动土地情况,取土(石、料)场、弃土(石、渣)场情况,水土流失情况,水土保持措施情况等。结合无人机航拍的数据成果,将与现场信息相关的监管指标和基于无人机的指标信息获取方法归纳如
表 1。 表 1 中,除土壤流失量需要根据出口观测得到、开(完)工日期需要查询资料得到外,其他各项监测指标都可以通过无人机快速获取。无人机获取指标的方式可以归纳为三类:Ⅰ.人机交互勾绘或面向对象分类。 以高清影像为底图勾绘图斑,获取实际扰动、取土(石、料)场、弃土(石、渣)场、水保措施的位置、范围、尺寸、面积等。 Ⅱ.目视观察。 从高清正射影像、三维实景模型目视观察得到渣场类型、水土流失情况、水保措施等信息。 Ⅲ.DSM(数字地表模型)计算。 利用两期 DSM 执行挖填方分析可以得到体积指标,用以监测堆渣方量、表土剥离体积、潜在土壤流失量等。此外,从 DSM 可以计算坡度、量取坡长,用以监测临时堆放场、弃渣场、高边坡等情况。相对于传统基于 GPS 和全站仪的地面测绘方法,本方法的效率更高,数据成果更加直观,并且不易受现场条件的限制,也避免了和施工现场的相互干扰。
友情链接

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