林曉渝，李 健，高 智，季 婧

（1.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

長線型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目施工前水土保持遙感監(jiān)測應(yīng)用研究— 以某成品油管道工程為例

林曉渝1，李 健2，高 智2，季 婧1

（1.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

以某成品油管道工程為研究對象，以Alos及高分1號衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，以ENVI5.1為技術(shù)平臺，研究基于因子疊加分析的長線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感監(jiān)測方法。在該方法中，土地利用數(shù)據(jù)、植被覆蓋度、土壤侵蝕數(shù)據(jù)提取是關(guān)鍵手段。通過對工程施工前土地利用類型進(jìn)行分類，計(jì)算植被覆蓋度，并在疊加坡度因子后分析項(xiàng)目建設(shè)區(qū)施工前土壤侵蝕強(qiáng)度分布情況，從而實(shí)現(xiàn)工程施工前水土流失情況的背景監(jiān)測，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)更為全面，亦為全施工周期水土流失動(dòng)態(tài)對比監(jiān)測定了基礎(chǔ)。

長線型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目；水土保持；遙感監(jiān)測；因子疊加分析法

近年來，大中型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目日益增加，線路長、范圍廣、擾動(dòng)區(qū)域分散且跨度大、施工周期長短不一是其顯著特點(diǎn)，實(shí)地量測、調(diào)查監(jiān)測、資料分析等傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測方法已難以滿足監(jiān)測要求。遙感技術(shù)由于具有宏觀、綜合、動(dòng)態(tài)、快速的特點(diǎn)，已經(jīng)在土壤侵蝕監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。采用衛(wèi)星遙感影像或無人機(jī)航拍影像，能夠方便、及時(shí)、較準(zhǔn)確的獲取土地利用情況、植被覆蓋度和土壤侵蝕數(shù)據(jù)等信息，對不小于100 hm2的點(diǎn)型項(xiàng)目及山區(qū)（丘陵區(qū)）長度不小于5 km、平原區(qū)長度不小于20 km的線型項(xiàng)目[7]起到較好的水土保持監(jiān)測效果。

長期以來，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測常在施工期開展，直至驗(yàn)收。對于施工前項(xiàng)目建設(shè)區(qū)及直接影響區(qū)等中大尺度范圍背景水土流失情況缺乏監(jiān)測，且難以采用常規(guī)方法對該階段進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測。通過遙感方式，利用施工前施工區(qū)域衛(wèi)星影像進(jìn)行解譯，能夠獲得該時(shí)段的背景水土流失數(shù)據(jù)，對施工產(chǎn)生的水土流失情況進(jìn)行對比，從而得到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目完整建設(shè)周期的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)。

近日，水利部辦公廳發(fā)布《水利部辦公廳關(guān)于推進(jìn)衛(wèi)星遙感水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的通知》（辦信息〔2016〕189號），肯定了遙感監(jiān)測在水土保持監(jiān)測中的成功應(yīng)用，要求各單位根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)認(rèn)真梳理衛(wèi)星遙感在水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性及技術(shù)路線，并將積極做好水利衛(wèi)星遙感應(yīng)用的統(tǒng)籌規(guī)劃和技術(shù)服務(wù)支撐[8]。

1 項(xiàng)目概況

某成品油管道項(xiàng)目，位于長江中下游平原，長度近600 km，包含管道工程和油庫工程。管道工程作業(yè)帶寬度5 ～20 m，油庫7座。土地利用類型主要為耕地，容許土壤侵蝕模數(shù)500 t/(km2· a)。土建施工作業(yè)內(nèi)容主要為管溝開挖、管道敷設(shè)和管溝回填。項(xiàng)目計(jì)劃工期56個(gè)月。

2 數(shù)據(jù)源、監(jiān)測內(nèi)容及技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)源

本次遙感監(jiān)測采用日本ALOS對地觀測衛(wèi)星AVNIR - 2傳感器多光譜10 m正射影像，包含有紅、綠、藍(lán)、近紅外4個(gè)波段，同時(shí)考慮衛(wèi)星參數(shù)及影像質(zhì)量，選擇1景高分1號(四波段，分辨率2 m)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。項(xiàng)目區(qū)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)含云量均小于2%，重疊度不小于4%。最終數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)采用WGS84坐標(biāo)系，比例尺為1∶50 000，采用UTM投影。

2.2 研究內(nèi)容

根據(jù)SL 592 — 2012《水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》并結(jié)合工程實(shí)際情況，水土保持遙感監(jiān)測研究主要內(nèi)容為土地利用、植被覆蓋度、土壤侵蝕類型與強(qiáng)度分級等。

2.3 技術(shù)路線

工程水土流失監(jiān)測主要以“因子疊加分析法”進(jìn)行土壤侵蝕分布情況提取，技術(shù)路線見圖1。

圖1 水土流失遙感監(jiān)測技術(shù)路線圖

3 研究方法及步驟

3.1 土地利用數(shù)據(jù)提取

在分類之前通過目視判讀和野外調(diào)查，對遙感圖像上某些樣區(qū)中影像地物的類別屬性有了先驗(yàn)知識，對每一種類別選取一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本，計(jì)算機(jī)計(jì)算每種訓(xùn)練樣區(qū)的統(tǒng)計(jì)或其他信息，同時(shí)用這些種子類別對判決函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，使其符合于對各種子類別分類的要求，隨后用訓(xùn)練好的判決函數(shù)去對其他待分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分類。使每個(gè)像元和訓(xùn)練樣本作比較，按不同的規(guī)則將其劃分到和其最相似的樣本類，以此完成對整個(gè)圖像的分類。分以下6個(gè)步驟完成監(jiān)督分類：

3.1.1 類別特征判別

根據(jù)分類目的、影像數(shù)據(jù)自身的特征和分類區(qū)收集的信息確定分類系統(tǒng)；對影像進(jìn)行特征判斷，評價(jià)圖像質(zhì)量，決定是否需要進(jìn)行影像增強(qiáng)等預(yù)處理。

3.1.2 樣本選擇

在ENVI中通過感興趣區(qū)(ROIs)確定每一類別選取一定數(shù)目的樣本，建立分類函數(shù)。

3.1.3 分類器選擇

根據(jù)分類的復(fù)雜度、精度需求等確定分類器。目前監(jiān)督分類可分為基于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析學(xué)，包括平行六面體、最小距離、馬氏距離、最大似然；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；基于模式識別，包括支持向量機(jī)、模糊分類等，針對高光譜有波譜角(SAM)，光譜信息散度，二進(jìn)制編碼等。本次選擇最小距離分類器。

3.1.4 影像分類

選擇最小距離法進(jìn)行監(jiān)督分類，即利用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)計(jì)算出每一類的均值向量和標(biāo)準(zhǔn)差向量，以均值向量作為該類在特征空間中的中心位置，計(jì)算輸入圖像中每個(gè)像元到各類中心的最小距離，就將該像元就歸入到該類。

3.1.5 分類后處理

分類后處理包括更改類別顏色、分類統(tǒng)計(jì)分析、小斑點(diǎn)處理(類后處理)、柵矢轉(zhuǎn)換等操作。處理完成后，將帶有植被覆蓋率的數(shù)據(jù)疊加。按照GB/T 21010 — 2007《土地利用現(xiàn)狀分類》在提取出的土地利用一級分類信息中，將林地、草地進(jìn)行二級分類劃分，合并后即得到土地利用數(shù)據(jù)。

3.1.6 結(jié)果驗(yàn)證

采用選擇的感興趣區(qū)對分類結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，確定分類的精度和可靠性。

3.2 坡度劃分

基于ArcGis平臺地表分析工具，計(jì)算項(xiàng)目區(qū)DEM數(shù)據(jù)，提取坡度數(shù)據(jù)。坡度按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》劃分為0° ～ 5°，5° ～ 8°，8° ～ 15°，15° ～ 25°，25° ～ 35°，＞35°等6個(gè)等級。

3.3 植被覆蓋度提取

3.3.1 植被覆蓋度計(jì)算

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。目前已經(jīng)發(fā)展了很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法，較為實(shí)用的方法是利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度，常用的植被指數(shù)為NDVI。以下是在像元二分模型的基礎(chǔ)上研究的模型：

式中：NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。2個(gè)值的計(jì)算公式為：

利用這個(gè)模型計(jì)算植被覆蓋度的關(guān)鍵是計(jì)算NDVIsoil和NDVIveg。這里有2種假設(shè)：

（1）當(dāng)區(qū)域內(nèi)可以近似取VFCmax=100%，VFCmin=0%。公式(1)可變?yōu)椋?/p>

式中：NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，置信度的取值主要根據(jù)圖像實(shí)際情況來定。

（2）當(dāng)區(qū)域內(nèi)不能近似取VFCmax= 100%，VFCmin= 0%。

當(dāng)有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，取實(shí)測數(shù)據(jù)中的植被覆蓋度的最大值和最小值作為VFCmax和VFCmin，這2個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)對應(yīng)圖像的NDVI作為N DVImax和NDVImin。當(dāng)沒有實(shí)測數(shù)據(jù)情況下，取一定置信度范圍內(nèi)NDVImax和NDVImin。VFCmax和VFCmin根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算。得到研究區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。分別取累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。

3.3.2 植被覆蓋度等級劃分

植被覆蓋度等級劃分參照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行確定，具體執(zhí)行情況見表1。

表1 植被覆蓋度等級劃分表

3.3.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

依靠遙感信息分析和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的計(jì)算所產(chǎn)生的各個(gè)要素的直接結(jié)果不僅具有不同的量綱，而且實(shí)際值的差異相當(dāng)大，無法直接參與空間疊加定量計(jì)算，必須經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，以避免由于個(gè)別指標(biāo)的過分夸大而影響結(jié)果的合理性。研究中采用了分級標(biāo)準(zhǔn)化的方法，即對于原始結(jié)果進(jìn)行分級分等和對于各個(gè)等級實(shí)現(xiàn)定量賦值。

首先，將矢量的植被覆蓋度和土地利用分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，對坡度、土地利用類型及植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.4 土壤侵蝕數(shù)據(jù)提取

依靠地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對所有專題數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為柵格方式的數(shù)據(jù)層面，柵格大小根據(jù)精度要求確定。每一個(gè)柵格作為一個(gè)基本分析單元。所有分析單元依照統(tǒng)一的大地坐標(biāo)、統(tǒng)一的處理方式、統(tǒng)一的柵格大小形成，以確保相應(yīng)的單元具有同樣的空間地理位置和不同專題屬性的位置一致性，全部單元構(gòu)成一個(gè)完整的有序數(shù)值陣列。

所形成的每一個(gè)分析單元同時(shí)具有所有的專題屬性特征，包括空間地理位置、土壤侵蝕類型以及影響侵蝕強(qiáng)度判別的各個(gè)指標(biāo)要素等屬性標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

在提取土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)，運(yùn)用柵格計(jì)算工具，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》中給定的劃分方法為依據(jù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，對每一個(gè)柵格上的專題屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，形成定量結(jié)果，稱為土壤侵蝕指數(shù)，代表該空間位置的土壤侵蝕強(qiáng)度狀況。在判定土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥狼治g分布特征使用。

4 監(jiān)測成果

4.1 土地利用情況

根據(jù)衛(wèi)星影像解譯資料，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)土地利用類型主要為耕地、林地和道路等8種類型，以耕地為主。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，土地利用類型與衛(wèi)星影像解譯情況基本一致，土地利用類型解譯準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

項(xiàng)目建設(shè)區(qū)土地利用情況見表2，土地利用現(xiàn)狀衛(wèi)星影像解譯見圖2。

表2 土地利用情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 項(xiàng)目區(qū)局部土地利用現(xiàn)狀圖

4.2 植被覆蓋情況

根據(jù)衛(wèi)星影像解譯資料，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)植被覆蓋度在 0.00% ～ 12.50%，12.50% ～ 25.00%，25.00% ～ 30.00%，30.00% ～ 45.00%，45.00% ～ 60.00%，60.00% ～ 75.00%，75.00% ～ 87.50%及87.50% ～ 100.00%等8個(gè)區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)不規(guī)則分布，植被覆蓋度為0.300 ～ 0.450的項(xiàng)目建設(shè)區(qū)面積最大，為78.66 hm2。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，植被覆蓋度與衛(wèi)星影像解譯情況基本一致，植被覆蓋度解譯準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)植被覆蓋情況見表3。

表3 植被覆蓋統(tǒng)計(jì)表

4.3 土壤侵蝕情況

根據(jù)衛(wèi)星影像解譯資料，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)耕地、非耕地土壤侵蝕強(qiáng)度從輕度以下到劇烈均有分布，土壤侵蝕強(qiáng)度以輕度及以下為主。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地量測，土壤侵蝕情況基本符合衛(wèi)星影像解譯結(jié)果，衛(wèi)星影像解譯準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

項(xiàng)目建設(shè)區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度情況詳見表4。

表4 土壤侵蝕強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論及建議

（1）通過對施工前項(xiàng)目建設(shè)區(qū)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行解譯分析，結(jié)合數(shù)字高程模型，得到該項(xiàng)目施工前的土地利用現(xiàn)狀、植被覆蓋度和土壤侵蝕強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，使得該項(xiàng)目的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加完整和連貫，為施工期和自然恢復(fù)期的水土保持監(jiān)測指標(biāo)提供了參考依據(jù)。

（2）目前，對遙感影像空間分辨率的要求為不低于2.5 m[7]，本次監(jiān)測范圍和監(jiān)測時(shí)段內(nèi)的遙感影像資源有限，故采用的分辨率為10 mAlos衛(wèi)星影像。在后續(xù)遙感監(jiān)測過程中，可采用分辨率更高的高分衛(wèi)星、資源衛(wèi)星，提高遙感監(jiān)測的精確性。同時(shí)，加強(qiáng)分類監(jiān)督和現(xiàn)場核查，提高遙感監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

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[7]中華人民共和國水利部辦公廳.水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測規(guī)程（試行）》的通知[R].北京：中華人民共和國水利部，2015.

[8]中華人民共和國水利部辦公廳.水利部辦公廳關(guān)于推進(jìn)衛(wèi)星遙感水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的通知[R].北京：中華人民共和國水利部，2016.

（責(zé)任編輯 姚小槐）

S157

：B

：1008 - 701X(2017)01 - 0045 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.016

2016-10-31

林曉渝(1986 - )，男，工程師，碩士，主要從事生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測工作。E - mail：lin_xy@ecidi.com