李英杰，齐 岗，王贵叶

(1.自然资源部第一航测遥感院，陕西 西安 710054；2.自然资源部第一地理信息制图院，陕西 西安 710054)

0 引言

随着国家对生态环境建设的高度重视，治理水土流失、改善生态环境已迫在眉睫。水土保持规划设计作为水土流失治理的指导性工作，其合理、准确与否，将直接影响治理后工程效益的充分发挥。传统的水土保持规划设计资料收集多采用实地调查、现场搜集资料方式，费时费力，手段落后[1]。规划设计平台多是基于二维CAD辅助制图软件，涉及到图斑面积量算、修改等都需要人工手动量测及调整，图斑空间信息与属性信息不能联动查询，缺乏土方量计算等三维分析功能。在缺少资料的情况下，技术人员靠估算和借鉴其他类似地区的资料来获取诸如土壤侵蚀、效益计算等指标数据，规划设计效率低、准确性不高。

低空遥感技术具有机动灵活、快速高效优势，其成果低空遥感数据具有更强的时效性、更高的精度和分辨率，能满足水土保持规划设计的各项需求。本文通过以低空遥感技术获取的DEM(数字高程模型)和DOM(数字正射影像)为数据源，在自研三维系统平台探索了三维环境下水土保持设计的整个流程，这为水土保持信息化建设提供了一种前进的方向。

1 低空遥感数据制作流程

低空遥感数据获取通常是根据测区范围、地形起伏和航飞分辨率的要求，选用合适的无人机航摄系统，通过摄区踏勘、航线规划、航摄飞行、航摄数据整理与预处理等工作流程，完成航摄任务，获取目标区域的原始航飞影像[2]。

从获取的原始影像到生成DEM、DOM数据需要一系列人机交互操作方可完成。制作DEM、DOM数据常用的软件有PiexlGrid、INPHO、像素工厂、VirtuoZo、JX4和MapMatrix，其中前三款软件主要用于空中三角测量加密以及制作较粗的DEM和DOM数据，后三款软件主要用于立体测图及精细DEM、DOM数据的制作。DEM、DOM制作流程如图1所示。

图1 DEM、DOM数据制作流程图

通过原始影像资料获取、外业像控点测量及解算、空中三角测量加密、影像匹配生成粗DEM并编辑、立体环境采集等高线并编辑、构建三角网生成精细DEM成果。在DEM成果基础上，影像数字微分纠正获取正射影像，再经过匀光、镶嵌、拼接、裁切等操作，生成符合项目要求的DOM数据[3]。

2 三维水土保持规划设计应用

2.1 三维水土保持规划设计系统

以低空遥感技术获取的DEM和DOM为数据源，以三维GIS为技术支撑，以满足水土保持规划行业的业务需求为目标，在可视化较强的三维系统平台StampGIS上开发一套界面友好，操作简便、扩展性强的软件系统。平台设计包括浏览、查询、分析、水保资料、水保规划设计、量算、用户数据及用户数据编辑7大功能模块。根据水保规划设计的实际需要，细化功能模块的功能，运用Javascript、HTML、CSS等前端语言，结合底层平台的接口，编码完成三维水保规划设计系统的开发。

平台初步定型后，需通过平台测试来发现平台中潜在的问题；测试分为内部测试和试运行两个部分，测试的重点是数据的支持能力、平台流畅性和功能完善程度。当发现问题后，要及时去优化，通过测试与优化的不断重复，直至形成可以实用的三维平台。

2.2 三维水土保持规划设计应用

本次实验选择的区域为榆林市横山区鲍家寺景区，项目区位于横山区响水镇的韭菜沟村，总面积2.32 km2。东西长约1.3 km，南北长约1.8 km。项目区地质构造属鄂尔多斯地台斜、陕北台凹的中北部，地貌类型为风沙滩地，地处毛乌素沙漠南缘，气候属暖温带半干旱气候区，土壤以风沙土黄土为主。

针对实验区制定了本次三维水土保持设计工作流程[4]，如图2所示，下面针对工作流程进行详细介绍。

图2 水土保持设计工作流程

2.2.1 实验区数据收集

通过查阅单位内部地理信息数据库，收集到覆盖实验区域2017年低空无人机遥感成果DEM和DOM。当年低空遥感航飞采用了MD4-1000中型四旋翼无人机，Sonyα7R 数码相机，其中DEM的高程精度为0.53 m，DOM影像分辨率为0.1 m。同时还收集到覆盖该区域的水系、植被、地貌、道路交通、居民地等矢量数据，为实验后续开展打下坚实数据基础。

2.2.2 土地现状提取

在进行水土保持规划设计时，首先要对项目区的土地利用现状进行采集分析，初步明确水土保持现状。基于收集到低空遥感获取的DOM和DEM成果数据，结合水土保持规划相关规范标准，采用研发的三维水保规划设计系统对项目区土地利用现状进行目视解译，将现状用地分为旱地、河流水面、荒草地、裸地、内陆滩涂、坡耕地、疏林、梯田、有林地、采矿用地、村庄、风景名胜设施用地以及公路用地共13类用地，并对不同类别现状用地的小斑数量、面积及占比进行了统计，生成了土地利用现状统计表(见表1)。

表1 实验区土地利用现状统计表

对表中各个图斑添加了用地编码、图斑编号、平均坡度、最高最低点高程、图斑面积、所属村庄等属性并进行赋值，实现了图斑在三维系统中立体展示及属性查询，为规划设计人员提供了详细的基础数据支持。由于高分辨率数据、三维系统的使用，使得基于低空遥感数据获取的土地利用现状的图斑划分更精细准确，属性值更丰富。

2.2.3 水土流失现状分析

准确掌握实验区各类性质用地的水土流失强度，可以为水土保持治理规划提供现时参考依据。本文中用沟蚀强度校正面蚀强度，得到的项目区水土流失强度更精细准确。统计各个水土流失强度的面积占比，如表2所示，通过水土流失现状表可以看出项目区水土流失面积为189.56 hm2，占研究区总面积的81.76%。从统计结果来看，项目区轻度水土流失面积比例较大，需依据水土流失强度尽快采取相应的水土保持综合防治措施，防止水土流失进一步加剧。由于低空遥感DEM的高程精度更高，三位环境下现状分析更科学准确。

表2 实验区水土流失现状表

2.2.4 水土保持规划设计

1)面状措施规划布局

考虑到项目区的地质地形环境、水土流失特征以及当地经济、社会、生态发展现状，本次将荒草地规划为水土保持林，以在减少或制止水土流失，改善生态环境的基础上获取最大的经济、社会、生态综合效益。根据地形条件及人均耕地现状(人均耕地0.27 hm2，低于世界人均耕地水平)，将坡耕地规划为梯田。对土地利用现状中的疏林地进行封育治理，结合陕北干旱少雨的气候特征(年降水量397.8 mm)，建议实行全年封禁，并在封禁的基础上进行适量补植。

依据项目区面状措施规划布局，对不同类别规划用地的小班数量、面积及占比进行了统计，生成了规划各类用地情况统计表(表3)。从规划各类用地面积统计表中可以看出，荒草地全被规划为水土保持林，面积占比最高，达到64.97%，疏林地全被封育，此次面状措施的规划实施将很大程度上减少项目区的水土流失，达到治理效果。

表3 实验区规划各类用地面积统计表

在进行面状措施规划布局时，可采用三维系统提供的用地类型、坡度、植被覆盖度查询功能，快速定位面状措施的规划区域；系统还提供任意空间范围的围栏及树木造价估算，提高了效益估算的速度和准确度，方便了规划人员。

2)点状措施规划布局

根据水窖布设规范，结合项目区水保工程土地利用现状图，将水窖布设在村旁、路旁以及有足够地表径流来源的地方。并根据项目区人口数量，每年人均需水量、总需水量，扣除其他水源(如山丘间泉水利用等)可供水量，大概估算出水窖数量。根据谷坊布设规范，结合沟道分析中沟底比降数据，参考沟道纵剖面图，将谷坊群修建在沟底比降大于5%～10%、沟底下切剧烈发展的沟段。根据沟底比降图，从上而下初步拟定每座谷坊位置，下一座谷坊的顶部大致与上一座谷坊基部等高。

依据项目区点状措施规划布局。本次在项目区沟底比降大于5%～10%、沟底下切剧烈发展的沟道的沟段布设谷坊16座，以抬高其侵蚀基点，控制沟底下切，稳定沟坡，防止沟岸扩张，并拦截上游泥沙。根据需求，在村庄、路旁以及有足够地表径流来源的地方，修建水窖9座。效果如图3所示。

图3 实验区水保治理三维点状措施布设图

在进行点状措施规划布局时，可采用三维系统提供任意空间点相距村庄距离实时查询分析，辅助确定水窖布设位置；采用系统提供沟道信息查询分析，辅助确定谷坊布设位置，方便了规划人员。

基于三维环境的水保规划设计相比传统基于二维CAD辅助制图，工作量减小，且规划更直观、更准确、更智能。

2.2.5 水土保持治理后期监测

为了更好地监测水土保持治理工程实施的效果，可以相隔一定时间之后，对同一区域再次低空航飞获取影像，通过水土保持工程措施前后两期影像的对比分析，评价工程措施的效果，并为措施调整提供数据支撑。

3 结语

本文给出了基于低空遥感技术的DEM和DOM数据制作流程，基于三维水土保持规划设计系统进行三维水土保持规划设计应用的流程，并结合实验区域对文中方法进行了验证。实验结果表明基于低空遥感数据的三维水土保持规划设计过程更自动、结果更精确、效果更直观。水土保持涉及的应用方向很多，文中给出了规划设计与低空遥感、三维GIS技术结合方式，与其它具体业务方向的结合是后续需要继续研究方向。