高分遥感和无人机技术在水土保持监管中的应用

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高分遥感技术和无人机技术为水土保持监管提供了及时、快捷、有效的技术手段和方法。根据水利部部署，生产建设项目水土保持“天地一体化”监管示范、水土保持重点治理工程“图斑化”精细管理示范正在全国开展，国产高分辨率遥感影像（高分1号、高分2号等卫星数据）、无人机技术（实时航飞数据、航飞数据处理软件）、水利部升级版的水土保持监督管理信息系统在中央、流域级、省级进行了全面部署，并在水土保持监管工作中得到快速推进和应用，水利部研发了水土保持现场检查移动终端，并在实际工作中推广使用。全国上下协同一致、数据信息互联共享的监管系统开始建立，极大地推进了水土保持管理的现代化。

信息化是“十八大”确定的“新四化”建设内容之一，水利部确立了以信息化带动管理现代化的目标。开展水土流失治理工程检查、监督、验收，生产建设项目检查、验收是各级水行政主管部门的法定性、经常性的工作，而且工作量十分繁重，迫切需要以信息化手段和方法，提高工作效率，更好地服务于政府、社会和公众。水利部2014年印发了《全国水土保持信息化实施方案》，2015年印发了《全国水土保持信息化工作2015～2016年实施计划》，启动了生产建设项目水土保持“天地一体化”监管示范、国家水土保持重点治理工程“图斑化”精细管理示范，推动了高分遥感技术、无人机技术、信息系统技术的行业应用，取得了初步成效，创新了技术，积累了经验。

1  高分遥感和无人机技术与水土保持管理工作的高度契合

1.1  水土保持检查监督工作的难点

水土流失综合治理和水土保持监督管理是各级水行政主管部门的重要职责，也是长期性的基本工作，点多、面广、量大是管理工作的最大特点。在水土流失综合治理方面，根据国务院批复的《全国水土保持规划》，划定为国家级重点治理区的区域有17 个，涉及631 个县级行政单位，涉及区域面积163.3 万平方千米，其中需重点治理面积49.44 万平方千米。

目前，正在实施国家水土流失重点治理工程的县就达760多个，分布在各流域、各侵蚀类型区，每年开展治理的重点小流域达10000多条，全国每年完成综合治理面积达5万km2左右，涉及面如此广、分布点如此分散、工程量如此巨大都为水土保持管理提出了极大挑战。以水利部流域管理机构为例，近几年对国家水土保持重点工程的检查监督（进度督查），到每个省只能抽取20%的县，对当年实施的工程进行巡视式检查，难以做到对每个项目区的全面核查。

在生产建设项目水土保持监督管理方面，根据统计，全国各级水行政主管部门在2004－2011年审批的水土保持方案有18.61万个，其中中央级审批项目0.24万个、省级审批1.75万个、市县审批16.62万个，涉及的水土流失防治责任范围有38690hm2。对生产建设项目履行防治水土流失的义务的情况进行跟踪检查监督是水土保持法赋于各级水行政主管部门的法定职责，这些项目有铁路、公路、输油输气管线、输变电线路等线型工程，短则几百公里，大型项目长达三、四千公里；也有露天矿、机场等土石方量巨大的工程，单个项目占地平均为990hm2、360hm2、土石方挖填总量平均为9740万m3、1990万m3。此外，生产建设项目还有一个显著特点是连续施工，扰动地表和损坏植被在随时发生和变化，水土流失防治措施也在随时实施，这就要求监督检查要及时，检查频率也要高。从流域管理机构监督检查实际情况看，水利部审批项目每年监督一次都很难做到，及时、准确的检查更是遥不可及。

1.2  高分遥感及无人机技术对监督管理工作的技术支撑

1.2.1国产高分遥感技术的推进和应用

高分遥感技术具有大范围、多频次、高清晰的优势，特别是近几年发射的国产高分1号、高分2号，分辨率分别达到2m、0.8m，覆盖周期分别为41天、69天，可以实现一年多次的监测。水利部水土保持监测中心做为国家重大科技专项－高分遥感在水土保持应用的支撑单位，在国防科工委的主持下，近几年连续开展了高分遥感应用的示范研究，选择陕西省横山县进行了水土保持综合治理、生产建设项目动态监测的应用示范前瞻研究。水利部全国水土流失动态监测与公告项目，近两年全面使用了国产高分遥感数据，开展了土壤侵蚀因子解译和调查（如土地利用类型、植被覆盖度等）和水土流失动态变化监测，对促进高新技术国产化、推动高分遥感在水土保持领域的应用起到了很大的推动作用。高分1号、2号等遥感数据在中央部委、各省均可免费使用，随时向相关部门推送遥感数据，为全国水土保持管理工作中广泛使用高分遥感提供了良好条件。

1.2.2无人机技术的快速进步与应用

无人机技术具有近地表、快速、随时可操作的特点，近一、二年来，随着国产无人机性能提升，成本降低，为水土保持应用提供了基础条件。同时，无人机遥感数据的分析软件开发应用加快，为各行业的推广应用提供了技术支撑。特别是在生产建设项目水土保持监测监督的应用中得到了快速发展，水利部松辽委在沈丹铁路等项目的水土保持检查监督中随队携带无人机，发现了违规设置弃渣场等行为，向建设单位提出了整改要求。长江委水土保持监测中心站在金沙江干流大型水电站水土保持监测中引进了无人机技术，及时、快速的开展监测。海河水土保持监测中心站在公路项目监测中使用无人机，在重点地段、重点时段进行了无人机监测，及时发现问题并反馈建设单位。

1.2.3信息系统技术的开发与应用

与遥感、无人机信息采集技术相应的信息传输、处理、存贮、发布等技术也同步快速发展，使得原来封闭、孤立的信息能够快速进入通达的信息系统，实现互联互通，在信息平台上实现互联共享。水利部开发了水土保持信息管理系统，并经过几次升级，在中央、流域机构、省级水行政主管部门进行了安装部署，实现了中央、流域机构、省级、地市级、县级三级应用，系统包括生产建设项目监督管理、水土保持重点治理工程管理、水土流失动态监测数据管理、水土保持政策法规等四个部分，基本涵盖了水土保持主要业务领域，通过该系统的应用可以使中央到基层实现信息快速交流、工作及时跟踪，为提高工作效率提供了良好平台

2  高分遥感与无人机技术在水土保持重点治理工程管理中的应用

2.1  目标与技术创新

总体目标是对国家水土保持重点治理工程实施全过程精准管理，从中央下达治理任务与计划、省确定重点区域，到县级实施的综合治理工程，全过程跟踪管理。

创新的技术手段主要是以高分辨率卫星遥感资料作前期和后期支撑，使用无人机进行抽查检验，配套研制了移动野外信息采集端（平板）。开发了“国家水土保持重点工程项目管理信息系统”V6.0版本，在中央、流域机构、省级进行了三级部署，实现了中央、流域、省、市、县五级应用，并在实践中逐步改进提高。

2.2  重点监管工程基础信息入库

2015年水利部印发实施计划后，在全国进行了工作部署。将全国坡耕地水土流失综合治理工程、丹江口库区及上游水土保持工程、中央预算内小流域综合治理项目、国家农业综合开发水土保持项目、国家水土保持重点建设工程（革命老区）等5类重点治理项目的资料收集、整理、审核、入库。以763个国家水土保持重点治理项目县为重点，按年度将国家水土保持重点治理项目前期工作、计划实施、检查验收等资料录入国家信息系统。2015年已完成“十二五”以来历史数据的录入，2016完成本年度数据和2015年新增数据入库。

水利部统一了信息系统业务流程及数据录入范围、格式、要求，形成全国统一的数据入库标准。两年来，水利部对各流域机构、各省级单位（包括项目管理人员、系统应用技术支撑单位技术人员）进行了实际操作培训，各省对重点县人员进行培训。明确了工作责任分工，并及时进行了督促检查。录入数据库的内容主要有：重点项目前期（国家级、省级规划的治理任务、投资、起始年、项目区边界、典型措施配置等，项目实施方案的项目区基本信息、投资、资金安排、年度及资金筹措，建设内容的分图斑录入等），项目计划（下达的治理面积、投资、任务复核确认等），项目实施（施工合同中的承建单位、每月进度信息等）、检查验收（检查中的通知、意见，自验工作的年度总结、监理报告、验收报告、审计信息、财务结算、措施实施、资金使用、项目效益，省级抽验的竣工验收等）。还包括基础图件（项目区土地利用现状图、措施布置图、竣工验收图，施工、检查、验收的图片等）。对空间数据提出了明确的要求，项目区（小流域或片区）及措施图斑边界，使用坐标文件录入，为高分遥感和无人机监测提供基础信息。对一个具体工程，要实现项目区规划治理措施的上图，年度实施措施的图斑化（地块）管理，规划与实施措施的动态对照。

2.3  重点治理“图斑化”精细管理示范

根据水利部要求，每一个省选1个典型县，再从中选取1－2条典型小流域，将图斑上图（治理措施的设计图斑、验收图斑的矢量图），小流域前期工作、计划实施、检查验收等资料入库，利用信息系统对治理图斑复核。系统提供了导入RM和导入shp两种文件格式图斑，将图斑导入坐标图。水利部及省级部门为地方提供典型小流域高分遥感影像资料。2015年完成以往治理措施的对照、复核，2016年完成当年治理措施的对照、检查和复核。

2016年5月水利部水土保持监测中心组织对全国22个省的坡耕地水土流失综合治理工程进行检查、评估，5个检查组全部配备了无人机，由专业技术人员操控，在每个省抽取的小流域检查时，使用无人机航飞，实拍近几年坡耕地治理措施的位置、分布、规模等信息，与已录入平板中的信息对比，核实坡改梯工程的建设情况。

3  高分遥感与无人机技术在生产建设项目监督管理中的应用

3.1  目标与技术创新

目标是对生产建设项目实行全过程、全方位管理。从水土保持方案上报、审查、审批，到水土保持施工监理、水土保持监测，最后的验收评估和水土保持验收，全过程的信息化管理。流域机构、地方各级水土保持部门可以查询、下载水利部批复的水土保持方案，可以上传监督检查意见、现场影像。水利部可以查看地方水土保持方案信息。方案编制单位、监理单位、监测单位可以上传方案文本和图件、监理报告、监测季报和总结报告。每一个生产建设项目都有动态信息，各级水土保持管理部门可以随时了解和掌握工程进展、水土保持工作开展情况、存在问题等，以及时作出决定和采取措施。

创新的技术手段是实现现代空间技术、信息技术与水土保持监管业务的深度融合，主要是利用高分遥感和无人机技术对生产建设项目水土流失防治责任范围、扰动地表面积、取土场及弃渣场的设置、水土保持措施实施等情况适时监控。配套研制了基于安桌系统的移动野外信息采集端。生产建设项目开工前卫星遥感定位、定边界，开工后卫星对照监控，发现未编制方案、边界变化等情况时自动报警，指导地方水土保持部门进行现场核实和监督。

3.2  监督管理信息系统及生产建设项目基础信息入库

结合生产建设项目“天地一体化”监管示范，将“水土保持监督管理系统”升级为V3.0，并在中央级、流域机构级、省级进行了三级部署。为促进地市级信息化管理，增加了新开发的地市级应用系统，实现上下协同一致、信息互通共享的监管系统。升级版的系统增加了矢量数据录入、存贮等功能，使得高分遥感和无人机遥感信息可以互通。此外，系统的运行环境也从原来利用水利防汛专网改进为利用公网，实现了系统运行的重大突破，极大的畅通了更广泛的用户使用该系统。根据水利部总体部署和要求，2014年全面完成系统安装与连通，完成系统所需数据的录入，完成与水利部管理系统的数据交换，实施水土保持监督管理信息及时发布，开始用信息系统管理生产建设项目。要求各省推进市县级水土保持部门的应用，实现水土保持监督管理相关信息的查询、统计、浏览和下载。

水利部审批的生产建设项目基础信息经过水利部水土保持监测中心连续几年的工作，已基本完成入库。近两三年来，由水利部审批的水土保持方案的特性表数据、报告书PDF文本、相关图件已实现审批前全部入库，批复文件已全部录入系统，流域机构、地方水土保持机构可下载、查阅，监督检查过程中可以随时查阅文件和图表。同时，各省水行政主管部门已开始录入本省水土保持方案的基础信息，这些基础数据是今后信息化管理的基础条件。

3.3  生产建设项目“天地一体化”监管示范试点

根据水利部生产建设项目水土保持“天地一体化”监管示范实践，总结提练较为成熟的水土保持监管技术流程，建立技术支撑先进、信息互通共享、监管及时有效的生产建设项目水土保持监管体系，开发并实施基于高新技术的水土保持监管工作新模式，推进水土保持管理的信息化和现代化。

根据水利部2015年工作部署，七大流域机构各选取一个生产建设项目集中的县、每个省各选取一个生产建设项目监管示范县，全国共选取了38个县域，开展了水土保持监管试点。水利部对各流域机构、各省技术支撑单位进行了监管技术培训，主要包括基于高分遥感影像的生产建设活动水土保持监管调查、现场复核、调查数据入库以及监督管理系统应用等，省级对试点县工作人员进行培训。通过水利部接收的国产高分遥感数据免费向各省提供试点县的基础数据，2015年完成生产建设项目扰动地表情况的遥感调查和复核工作，对面积大于0.1hm2的生产建设扰动地块（2m 分辨率遥感影像上对应250个像元范围）全部进行解译，勾绘扰动图斑边界，根据生产建设项目水土保持方案批复责任范围（简称红线）与实际扰动范围（简称黄线）的对照，将扰动地块筛分为合规、疑似违规等情况。对面积大于1hm2的生产建设扰动地块全部进行现场复核，确认是否为生产建设项目扰动、建设单位、项目类别、扰动面积等信息，确认生产建设项目属合规（已批准水土保持方案且黄线在红线范围内）、违规（未批准水土保持方案已扰动即有黄线无红线、黄线超出红线）状态，据此提出监管意见。

目前，大部分单位已完成2015的工作任务。2016年水利部将推出新一景的高分遥感影像，对一年来新出现的扰动地块进行监测、跟踪和监督。

为了使高分遥感和无人机遥感信息更好地服务于生产建设项目的全程监督管理，水利部开发了现场检查、复核的移动终端。将生产建设项目责任范围（红线）叠加在高分影像上，并装入移动终端，现场复核时可直接导航至项目地点，开展实地检查，边界上图，现场录入相关信息。并且可以将现场检查情况，随时上网回传于信息系统，实现快速、准确的掌握现场信息。

3.4  无人机技术在生产建设项目监管中的应用

除上述水利部统一部署的监督管理工作外，一些机构也在水土保持相关工作中积极使用了无人机。如在生产建设项目水土保持方案编制阶段，现场查勘，预选弃渣场，绘制DEM地形图，为编制水土保持方案提供了快速、准确的基础信息。在水土保持设施验收的技术评估工作中，采用无人机进行全面航飞，检查水土保持措施实施范围、面积，检查有无新设取土场、弃渣场，检查有无造成较大的水土流失危害影响等。目前，有许多水土保持方案编制单位、水土保持监测单位均配备了无人机，参加了操作人员培训，积极在工作实践中使用。水利部七大流域机构水土保持监测中心站均有自己的无人机，仅松辽委监测中心站就拥有7架无人机，并广泛使用。

作者简介

姜德文，男，1959年11月出生，博士，教授级高级工程师，享受国务院政府特殊津贴专家，水利部5151人才工程部级人选，水利部综合事业局首席专家。1977年8月参加工作，1982年1月毕业于北京林业大学水土保持专业，获农学学士学位;工作后又师从北京林业大学校长朱金兆教授，并获得农学博士学位;1982年分配到内蒙古水利厅水土保持处工作，从事水土保持科研管理、规划设计、试点和重点治理小流域管理等工作，1995年调任内蒙古水利科学研究院任副院长，从事水利与水土保持科研、技术开发、管理工作;1996年5月至1999年8月在水利部水土保持司交流工作。1999年9月至今在水利部水土保持监测中心工作，曾担任咨询评估处处长。姜德文博士是国家注册咨询工程师，注册监理工程师，被国家环保总局聘任为国家生态功能保护区评审专家，被农业部聘任为生态农业建设专家，被水利部聘任为水土保持方案审查专家、水资源论证评审专家，担任中国水土保持学会预防监督专业委员会副主任委员、生态修复专业委员会副主任委员、监测与信息化专业委员会副主任委员。现任水利部水土保持监测中心副主任。

来源：《中国水利》2016年第16期，图片来自网络）（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 游志龙    审核 / 卞艺潼

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)