胡健波

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

3S技術(shù)在公路環(huán)評(píng)中的應(yīng)用

胡健波

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

3S技術(shù)(遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS)作為3種空間高新技術(shù)系統(tǒng)，可滿足快速高效的空間信息定位、提取和分析需要，已經(jīng)在公路環(huán)評(píng)中得到廣泛應(yīng)用。在公路環(huán)評(píng)中應(yīng)用3S技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)并通過(guò)具體案例展示了幾個(gè)具有推廣價(jià)值的用途，包括結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)和全球定位系統(tǒng)的室內(nèi)踏勘和現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)航、利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的環(huán)境敏感點(diǎn)詳查與展示、利用地理信息系統(tǒng)的疊圖分析、結(jié)合全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)照片漫游展示，以供同行借鑒。

環(huán)境影響評(píng)價(jià)；公路；3S技術(shù)；現(xiàn)場(chǎng)踏勘；無(wú)人機(jī)

公路作為一種大型的線型基礎(chǔ)設(shè)施，周邊環(huán)境要素分布范圍廣、空間異質(zhì)性高，其環(huán)境影響評(píng)價(jià)與空間位置密切相關(guān)(穿越或者鄰近)。3S技術(shù)是遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)及全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的總稱(chēng)，即RS的大面積獲取地物信息的能力，GIS的空間查詢、管理和分析能力，GPS快速精準(zhǔn)定位的能力。這三種空間相關(guān)的高新技術(shù)系統(tǒng)可滿足快速高效的空間信息定位、提取和分析的需要，已經(jīng)在公路環(huán)評(píng)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。目前，比較專(zhuān)業(yè)的3S技術(shù)應(yīng)用是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)制作公路沿線的土地利用和植被分布等大范圍的小比例尺生態(tài)圖件，而比較常見(jiàn)、簡(jiǎn)單的應(yīng)用是利用手持GPS在現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)記錄敏感點(diǎn)位置。隨著技術(shù)的普及和大眾化，3S技術(shù)應(yīng)該在公路環(huán)評(píng)中發(fā)揮更大的作用。在參與公路環(huán)評(píng)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，發(fā)掘了具有行業(yè)內(nèi)推廣價(jià)值的4種3S技術(shù)應(yīng)用，并通過(guò)具體案例進(jìn)行展示。

1 結(jié)合衛(wèi)星RS和GPS的室內(nèi)預(yù)踏勘和現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)航

傳統(tǒng)的公路環(huán)評(píng)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)踏勘，尤其是在村鎮(zhèn)密集、交通不便、高海拔、偏遠(yuǎn)等地區(qū)，面臨著諸多困難[1]。由于踏勘區(qū)域范圍大而且陌生，需要花費(fèi)很大精力在定位和找路上，存在投入高、周期長(zhǎng)、效率低等弊端。衛(wèi)星遙感技術(shù)以其覆蓋面廣的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用到生態(tài)環(huán)境調(diào)查中，其優(yōu)勢(shì)在大型公路環(huán)評(píng)項(xiàng)目中得到了更好的體現(xiàn)[4]?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘前，通過(guò)衛(wèi)星遙感影像可以在室內(nèi)預(yù)踏勘，提前熟悉現(xiàn)場(chǎng)地形、植被、土地利用、噪聲敏感點(diǎn)、河流等情況，減少現(xiàn)場(chǎng)踏勘的盲目性；識(shí)別地方公路、通村公路甚至田間小路，提前制定踏勘路線，避免因迷路而造成往返窩工；甚至可以在現(xiàn)場(chǎng)踏勘中途碰到交通意外堵塞時(shí)，及時(shí)調(diào)整路線。

最常用且免費(fèi)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，主要來(lái)自以Google Earth為代表的數(shù)字地圖或地球軟件。Google Earth采用國(guó)際通用的WGS84坐標(biāo)系，將數(shù)以TB計(jì)的亞米級(jí)分辨率衛(wèi)星影像按照其地理位置貼在一個(gè)地球的三維地形上，以達(dá)到從衛(wèi)星上俯瞰地球的逼真體驗(yàn)效果。雖然Google Earth不提供最新的衛(wèi)星影像，但是用于幫助時(shí)效性要求不高的公路環(huán)評(píng)項(xiàng)目室內(nèi)踏勘和現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)航已然足夠。

結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)和全球定位系統(tǒng)的室內(nèi)踏勘和現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)航分三步：第一步是將公路線位文件(JPG等柵格圖片或CAD矢量圖形)轉(zhuǎn)換成kml/kmz格式；第二步是在Google Earth中利用標(biāo)注工具對(duì)感興趣的目標(biāo)和行車(chē)路線進(jìn)行標(biāo)注并保存；第三步是將公路線位和標(biāo)注文件導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)踏勘用的智能手機(jī)或平板電腦中(含有GPS定位模塊并安裝Google Earth等支持kml/kmz格式的地圖軟件)。

圖1 Google Earth上的公路線位(紅色線條)以及串聯(lián)周邊四處村莊的導(dǎo)航路線(黃色粗線)Fig.1 Road construction project (the red line), and navigation route (the bold yellow line) to four nearby villages

圖1是利用衛(wèi)星影像預(yù)先篩選聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)并制定現(xiàn)場(chǎng)踏勘路線的案例。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，公路通車(chē)后的交通噪聲影響范圍一般不會(huì)超過(guò)200 m。經(jīng)Google Earth衛(wèi)星影像篩選，本案例的聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)包括程四淀村、小高莊村、小田莊村和小龍灣村，需要實(shí)地踏勘并做公眾參與調(diào)查。程四淀村調(diào)查完畢后，去往小高莊村的交通十分不便，只有村間土路。最終通過(guò)衛(wèi)星影像制定的導(dǎo)航路線，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)離公路線位的A、B兩個(gè)村莊，跨過(guò)津薊高速的涵洞，再北上才能到達(dá)小高莊村。然后經(jīng)過(guò)閆東渠的跨河小橋，方能到達(dá)小田莊村和小龍灣村。

2 利用UVA航拍技術(shù)的環(huán)境敏感點(diǎn)詳查與展示

數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)評(píng)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)踏勘中，然而受限于人的高度，無(wú)法用一張照片覆蓋較大環(huán)境敏感點(diǎn)的全貌，只能拍攝一些重要特征以示其存在。例如，要表示公路設(shè)計(jì)線位距離某村莊很近，只能拍攝距離最近的幾處房屋，表示線位附近有某學(xué)校這一噪聲敏感點(diǎn)，只能拍攝學(xué)校的校門(mén)。衛(wèi)星遙感技術(shù)則能夠在非常高的位置俯瞰地球，然而也容易受云霧遮擋且分辨率有限。飛機(jī)是最佳的拍攝較大環(huán)境敏感點(diǎn)的平臺(tái)，但是受到飛行場(chǎng)地、飛行條件和成本的嚴(yán)重制約。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)民用化進(jìn)程的不斷加快，低成本且高度自動(dòng)化的航拍技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)[5]，更具有體型小、機(jī)動(dòng)靈活、方便快捷、易操控等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于公路等線型工程周邊環(huán)境調(diào)查十分可行[6-8]。例如，目前世界上最流行的DJI Phantom系列微型四旋翼航拍無(wú)人機(jī)，號(hào)稱(chēng)會(huì)飛的照相機(jī)，軸距35 cm，重量約1.4 kg，從起飛到百米高的空中拍照再降落這一完整過(guò)程耗時(shí)不超過(guò)5 min。在短暫的時(shí)間內(nèi)，周邊幾百米范圍內(nèi)的景物瞬間全部被收入航拍照片中，效率高、成像分辨率高、無(wú)遮擋的優(yōu)勢(shì)突出。

圖2 某設(shè)計(jì)公路(紅色線條)附近的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)無(wú)人機(jī)航拍照片F(xiàn)ig.2 An UAV photo of the target that needs to be protected near a road construction project (the red line)

圖2是青海民和(甘青界)至小峽(平安)段公路建設(shè)項(xiàng)目在工可階段設(shè)計(jì)線位穿越的一處藏族村莊，社會(huì)影響十分敏感。該村以位于村北半崖上的白馬寺(省級(jí)文物保護(hù)單位)命名，村民世世代代守護(hù)白馬寺，補(bǔ)償拆遷的難度極大；而且設(shè)計(jì)線位離寺廟較近，通車(chē)后交通噪聲會(huì)對(duì)佛事活動(dòng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響。本案例中，無(wú)人機(jī)起飛和降落的地點(diǎn)是在白塔西側(cè)約20 m處的空地上。從無(wú)人機(jī)航拍照片中可以清晰地辨認(rèn)出白馬寺的金頂和白墻，甚至臺(tái)階、立柱、帷帳等都清晰可見(jiàn)，根據(jù)以上特征能夠確認(rèn)該建筑是寺廟或者宮殿，足以引起現(xiàn)場(chǎng)踏勘人員的重視。另外，從照片中也可以判斷在此處公路線位擺動(dòng)余地不大，建議調(diào)整到既有高速公路南側(cè)。如果不采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，很難用簡(jiǎn)短的文字準(zhǔn)確描述本案例中寺廟、村莊、設(shè)計(jì)線位、既有高速公路之間的位置關(guān)系。

3 利用GIS的疊圖分析

公路建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響程度與空間位置密切相關(guān)，而空間分析是地理信息系統(tǒng)(GIS)的長(zhǎng)項(xiàng)。將公路線位和環(huán)境圖件疊合在一起，是常用的生態(tài)影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)方法——圖形疊置法。該方法適用于具有區(qū)域性影響的特大型建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)[9]。疊圖分析實(shí)用、簡(jiǎn)便，且非常直觀，特別適合無(wú)界樁和圍欄但有圖紙的環(huán)境敏感區(qū)域的穿越、鄰近程度分析[10]。目前，GIS已經(jīng)成為了公路環(huán)境影響評(píng)價(jià)的常規(guī)手段之一[11-13]。

疊圖分析的過(guò)程分兩步：第一步是從公路設(shè)計(jì)圖紙中提取出帶有地理信息的公路線位，舍棄等高線、標(biāo)注等要素；第二步是對(duì)環(huán)境圖件進(jìn)行幾何糾正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使其與公路線位處于相同的坐標(biāo)系之下。完成這兩步之后，先后在GIS中加載并導(dǎo)出即完成疊圖。由于兩者均具有地理信息，可以直接利用GIS的測(cè)量工具對(duì)公路穿越或者鄰近敏感區(qū)域的位置樁號(hào)、長(zhǎng)度等進(jìn)行測(cè)量，比較不同比選方案對(duì)敏感區(qū)域的穿越或者鄰近程度，為公路線位環(huán)境比選提供依據(jù)。

圖3 天津某公路(紅色細(xì)線)與天津市域供水水源工程規(guī)劃圖疊加Fig.3 A road construction project (the red line) in Tianjin overlapped with Tianjin water source engineering planning

圖3是天津武寧公路(寶坻寧河界—九園公路)與天津市域供水水源工程規(guī)劃圖疊加案例。現(xiàn)場(chǎng)踏勘前，通過(guò)疊圖發(fā)現(xiàn)工程跨越引灤入港輸水管線(K8至K9+500之間)和引灤入津明渠(終點(diǎn))。然而，規(guī)劃圖僅用于示意，水渠的位置大致正確但寬度明顯不準(zhǔn)確，疊圖可以確認(rèn)工程跨越引灤入港輸水管線，但具體樁號(hào)需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘并走訪主管部門(mén)后方能確定(實(shí)際位置是K9+200)，不能確認(rèn)工程是否跨越引灤入津明渠，需要去現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)(實(shí)際上并不跨越)。疊圖分析可以用于公路穿越和鄰近敏感區(qū)域的初步識(shí)別，但是準(zhǔn)確程度取決于環(huán)境圖件的比例尺及其準(zhǔn)確性，具體細(xì)節(jié)需要核實(shí)。

圖4 某公路沿線植被類(lèi)型分布Fig.4 Vegetation type distribution along a road construction project

當(dāng)環(huán)境圖件是矢量圖形而非柵格圖片時(shí)，GIS還能在疊圖后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。圖4為某公路沿線植被類(lèi)型分布圖。該案例中，公路線位存在4處比選方案，以衛(wèi)星遙感解譯得到的植被類(lèi)型分布圖為底圖，疊圖并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)得到不同比選方案占用的植被類(lèi)型組成和面積。結(jié)果表明，A、B、C路線方案中，雖然推薦方案更長(zhǎng)，占用更多土地資源，但是重要的耕地資源和針葉林占用得較少；E路線方案中，推線方案更短，而且占用更少的耕地。

4 結(jié)合GPS和GIS的現(xiàn)場(chǎng)照片漫游展示

公路環(huán)評(píng)中往往需要拍攝大量現(xiàn)場(chǎng)圖片，記錄鄰近的居民住宅、學(xué)校，跨越的河流、植被等，同時(shí)記下拍攝位置、拍攝對(duì)象屬性等信息，經(jīng)挑選后作為報(bào)告書(shū)和評(píng)審匯報(bào)的佐證材料。然而，絕大多數(shù)最終用不上的照片，在挑選舍棄之前都經(jīng)歷了歸類(lèi)整理，造成較大浪費(fèi)。另外，“樁號(hào)+方位+距離”的位置記錄方式并不方便按圖索驥，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)公路尚不存在于現(xiàn)實(shí)世界中。

拍攝時(shí)利用全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄經(jīng)緯度位置信息能夠部分解決以上問(wèn)題。現(xiàn)今，使用智能手機(jī)(含GPS模塊和攝像頭)或者GPS相機(jī)就能夠保證拍攝和定位同步，照片文件中自動(dòng)插入經(jīng)緯度信息，但是經(jīng)緯度信息仍然十分抽象，普通人不可能通過(guò)枯燥的經(jīng)緯度數(shù)字對(duì)應(yīng)地回憶起拍攝照片時(shí)的情景。結(jié)合GPS和GIS能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)照片的自動(dòng)歸類(lèi)整理和漫游展示，軟件的高度自動(dòng)化不用再為照片的數(shù)量而發(fā)愁。

仍然以Google Earth作為GIS的案例軟件，因?yàn)镚oogle Earth不僅具有支持照片定位展示的地理信息系統(tǒng)能力，還集成了大量高清衛(wèi)星影像作為底圖，起到印證現(xiàn)場(chǎng)照片的作用。過(guò)程只有一步，即利用Google公司的Picasa軟件將所有含有經(jīng)緯度信息的照片批量轉(zhuǎn)換成kml/kmz格式文件，并在Google Earth中打開(kāi)[14]。

圖5是利用Google Earth對(duì)某敏感路段涉及的文物和旅游景點(diǎn)照片定位展示的案例。一處是洛哇邦卡摩崖造像,位于公路K4368+700處右側(cè)60 m山體山腳下，為縣級(jí)文物保護(hù)單位，是唐代石刻類(lèi)遺跡；另一處是公路K4368+775處穿越的唐蕃古道(近代旅游建筑，無(wú)文物保護(hù)級(jí)別與要求)，公路建設(shè)可能涉及部分圍欄和觀景臺(tái)的拆遷。此種展示方式，同時(shí)向?yàn)g覽者提供了俯瞰和平視的效果，現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)感很強(qiáng)。

圖5 在Google Earth中定位展示現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.5 Locate and demonstrate filed photos on Google Earth

5 結(jié)語(yǔ)

遙感技術(shù)是“天空之眼”，衛(wèi)星或者飛機(jī)上的視角極大地拓展了大范圍、遠(yuǎn)程觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的能力；地理信息系統(tǒng)是“智能地圖”，輕松管理并分析海量的空間信息；全球定位系統(tǒng)是“虛擬向?qū)А保瑫r(shí)刻告知精準(zhǔn)位置拒絕迷途。3S技術(shù)不能完全替代野外實(shí)地調(diào)查，但是能夠極大地提高效率。公路環(huán)評(píng)項(xiàng)目中存在非常多的與空間相關(guān)的調(diào)查和分析工作，而這恰恰是3S技術(shù)的專(zhuān)長(zhǎng)。本文通過(guò)4種具體案例總結(jié)并展示了3S技術(shù)在公路環(huán)評(píng)中的應(yīng)用，旨在共同探討和挖掘更多的應(yīng)用潛力，以使3S技術(shù)更好地服務(wù)于公路環(huán)評(píng)以及其他非污染生態(tài)類(lèi)環(huán)評(píng)項(xiàng)目。

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Application of 3S Technology in Road EIA Projects

HU Jian-bo

(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Laboratory of Environmental Protection in Water Transport Engineering, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China)

3S technology, as an abbreviation of three high-tech space technologies (Remote Sensing, Geographic Information System, and Global Positioning System), is used to fulfill rapid and efficient spatial information positioning, extraction and analysis needs, and has been widely used in road EIA projects. Based on rich practical experience of 3S technology application in road EIA projects, this paper summarized and showed several useful case studies, including using satellite imagery and GPS to survey indoor and navigate outdoor, using unmanned aerial vehicle for detailed surveys of environmentally sensitive areas, using GIS for overlay analysis, and combining GPS and GIS into field photos roaming. The 3S technology application cases above do not represent all, and we hope they can be used as references for the industry.

environmental impact assessment; road; 3S technology; field survey; unmanned aerial vehicle

2016-11-28

胡健波(1982—)，男，浙江寧海人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)檫b感技術(shù)在交通環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用，E-mail：whogamble@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.03.015

X820.3

A

2095-6444(2017)03-0056-05