遙感技術(shù)在河長制中的應(yīng)用探討

閻 雨，鞠 勇，王亞娟

（中科遙感科技集團(tuán)有限公司，北京 100020）

遙感技術(shù)在河長制中的應(yīng)用探討

閻 雨，鞠 勇，王亞娟

（中科遙感科技集團(tuán)有限公司，北京 100020）

2016 年 12 月印發(fā)的《關(guān)于全面推行河長制的意見》，提出加強(qiáng)水資源、水域岸線管理保護(hù)等六大任務(wù)，這標(biāo)志著我國將水資源管理與保護(hù)提升到一個新高度，在此背景下，利用各種先進(jìn)技術(shù)和方法提升有效的管理，是目前研究的熱點。遙感技術(shù)具有觀測范圍廣、采集信息量大、獲取信息速度快等特點，根據(jù)河長制的六大任務(wù)，有針對性地討論遙感技術(shù)在水資源、河湖岸線利用現(xiàn)狀調(diào)查，水質(zhì)與水污染及災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用，并提出更大程度地發(fā)揮遙感技術(shù)的優(yōu)勢助推河長制的實施是今后研究的熱點和難點。

遙感技術(shù)；河長制；水資源；水環(huán)境；機(jī)器學(xué)習(xí)

0 引言

據(jù) 2016 年中國水資源公報統(tǒng)計，2016 年我國水資源總量為 32 446.4 億m3，其中地表水資源量為31 273.9 億m3，地下水資源量為 8 854.8 億m3，地下水與地表水資源不重復(fù)量為 1 192.5 億m3[1]，人均水資源擁有量較低。近幾年，隨著現(xiàn)代工業(yè)廢水亂排，城市垃圾亂放，農(nóng)村農(nóng)藥噴灑等問題的增多，河流污染日益嚴(yán)重，使得本來已是極少的淡水資源加劇短缺，無法為人所用。此外，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，我國河湖管理保護(hù)也出現(xiàn)了一些新問題，如非法排污、設(shè)障、捕撈、養(yǎng)殖、采砂、采礦、圍墾、侵占水域岸線等，導(dǎo)致河道干涸，湖泊萎縮，水環(huán)境狀況惡化，河湖功能退化，給保障水資源安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2016 年 12 月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推行河長制的意見》[2]，提出六大河長制工作任務(wù)，涉及上下游、左右岸、河內(nèi)外等對象，水工程、水資源、水環(huán)境、水災(zāi)害、水生態(tài)等領(lǐng)域，省、市、縣、鄉(xiāng)、村等多級行政區(qū)域，水利、環(huán)保、國土、交通、住建等多部門，需要體制機(jī)制創(chuàng)新、工程和非工程等措施并舉，這標(biāo)志著水資源監(jiān)測管理到了一個新高度。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法費(fèi)時、費(fèi)力，監(jiān)測體系不健全，很難在較短時間內(nèi)全面獲取信息，而遙感技術(shù)集覆蓋范圍大，獲取信息速度快、周期短、受條件限制少、手段多，信息量大等優(yōu)勢于一體，可提供客觀、真實的大范圍，多尺度、多維度（地理、光譜、時間等空間）的數(shù)據(jù)資料。在此背景下，找到遙感技術(shù)服務(wù)于河長制工作的切入點，將遙感技術(shù)運(yùn)用到河長制工作中顯得尤為重要[3-6]。

1 遙感技術(shù)在河長制中的應(yīng)用

河長制的六大任務(wù)是加強(qiáng)水資源保護(hù)、河湖水域岸線管理保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)和執(zhí)法監(jiān)管。要求以保護(hù)水資源，防治水污染，改善水環(huán)境，修復(fù)水生態(tài)為主要任務(wù)，在全國江河湖泊全面推行河長制，構(gòu)建責(zé)任明確、協(xié)調(diào)有序、監(jiān)管嚴(yán)格、保護(hù)有力的河湖管理保護(hù)機(jī)制，為維護(hù)河湖健康生命，實現(xiàn)河湖功能永續(xù)利用提供制度保障。針對這些任務(wù)，主要討論遙感技術(shù)在地表水資源調(diào)查與保護(hù)、河湖水域岸線管理保護(hù)、水質(zhì)與水污染及災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用。

1.1 地表水資源調(diào)查與保護(hù)

通過對高分辨率遙感影像進(jìn)行融合、幾何校正、鑲嵌、勻色等處理獲得監(jiān)測區(qū)某時相全覆蓋遙感影像圖。然后利用人工目視及半自動化解譯及機(jī)器學(xué)習(xí)方法，根據(jù)目標(biāo)物的顏色、色調(diào)、陰影、形狀、紋理、大小、成像時間、地理位置等因素，確定正確的地物分類，判讀流域水資源的基本信息，如河流湖泊邊界、位置、面積、河網(wǎng)分布等[2]，生成河流湖泊分布圖，為河湖管理及保護(hù)提供決策支持。

1.2 河湖水域岸線管理保護(hù)

河長制的一大任務(wù)即加強(qiáng)河湖水域岸線管理保護(hù)。監(jiān)測河道管理范圍內(nèi)妨礙行洪的房屋建設(shè)情況，掌握河湖水域岸線利用現(xiàn)狀，解決非法占用或毀壞河湖岸線極其重要。

利用高空間、高時間分辨率遙感監(jiān)測結(jié)合人工巡查可及時發(fā)現(xiàn)并處理各種違法事件，并將現(xiàn)場實況和處置情況及時傳送至河長制辦公室（以下簡稱河長辦），助力河長辦公。

1.2.1 河流湖泊岸線調(diào)查

遙感技術(shù)具有周期性的特征，在不長的時間間隔內(nèi)，可以迅速獲得多張同一地點的遙感圖像。尤其是近幾年微小衛(wèi)星的快速發(fā)展，如美國 Planet Scope 衛(wèi)星，近 200 顆衛(wèi)星每天連續(xù)采集，可達(dá)到全國 3 m 鑲嵌影像每周至每月更新的能力。3 m 空間分辨率結(jié)合極高的時間分辨率，能清楚地看出河流湖泊岸線現(xiàn)狀及動態(tài)變化，衛(wèi)星影像拍攝的河流岸線環(huán)境如圖 1 所示。

圖 1 Planet Scope 衛(wèi)星影像拍攝的河流岸線環(huán)境

1.2.2 岸線環(huán)境監(jiān)測

對比多時相遙感影像，可發(fā)現(xiàn)岸線破壞、占壓、碓棄等情況，監(jiān)測湖泊萎縮、水域建筑物、非法采砂和圍湖圈地等行為。通過統(tǒng)計位置、面積等信息，制作由各種因素導(dǎo)致岸線發(fā)生變化的專題圖，編寫岸線變化監(jiān)測報告，可為岸線管理和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和支撐。該項監(jiān)測已在國外廣泛應(yīng)用，如圖 2 所示為秘魯國家自然保護(hù)區(qū)非法采金破壞河流岸線的衛(wèi)星影像，對比 2016 年 1 月 29 日和7 月 21 日的 Planet 影像，可明顯看到非法采金區(qū)在圖中羅馬編號的 5 個方向上迅速擴(kuò)張。如能廣泛應(yīng)用于河長制中，則能為相關(guān)管理部門快速提供客觀證據(jù)，助力河長工作。

圖 2 秘魯國家自然保護(hù)區(qū)非法采金破壞河流岸線

1.3 河湖水質(zhì)及水污染監(jiān)測

1.3.1 河湖水質(zhì)監(jiān)測

對水體來說，水的光譜特征主要由水本身的物質(zhì)組成決定，同時又受到各種水狀態(tài)的影響。根據(jù)清潔水與不同程度污染水的反射率不同及出現(xiàn)在遙感影像上的顏色差異可判別水質(zhì)。

1.3.2 河湖水華監(jiān)測

水華指淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態(tài)現(xiàn)象，是水體富營養(yǎng)化的一種特征。隨著水體富營養(yǎng)化的發(fā)展，水華面積逐年擴(kuò)散，持續(xù)時間逐年延長，對人體及河湖魚蝦都造成極大的危害?？衫眯l(wèi)星數(shù)據(jù)，提取水華分布面積和位置并進(jìn)行制圖，然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，做出水華暴發(fā)程度的結(jié)論。利用 2017 年 7 月 26 日 Planet Scope 衛(wèi)星影像監(jiān)測出的巢湖藍(lán)藻繁殖導(dǎo)致的輕度水華現(xiàn)象如圖 3 所示。

圖 3 巢湖水華衛(wèi)星遙感監(jiān)測

1.3.3 水體懸浮物監(jiān)測

自然因素和人類活動造成水土流失、河流侵蝕，河流帶走大量泥沙入湖、入海，是水中懸浮泥沙物質(zhì)的主要來源。這些泥沙物質(zhì)進(jìn)入水體，會對進(jìn)入水中的光發(fā)生散射和反射，從而增大水體的反射率。濃度不同的水體光譜衰減特性不一樣，隨著泥沙渾濁度和懸浮沙粒的增大，水的反射率逐漸增高。

當(dāng)懸浮物在回水區(qū)、靜水區(qū)集聚，會腐爛發(fā)酵使水質(zhì)變質(zhì)造成污染，利用高覆蓋高光譜遙感影像可以很容易地發(fā)現(xiàn)懸浮物集聚的地區(qū)及分布情況，并估算懸浮物數(shù)量。

1.3.4 城市污水監(jiān)測

城市大量排放的工業(yè)廢水和生活污水中帶有大量有機(jī)物，它們分解時耗去大量氧氣，使污水發(fā)黑、發(fā)臭。衛(wèi)星遙感技術(shù)可通過水體在光譜影像上的差異判定水體污染的變化，實時觀察污染物運(yùn)動特點，并將水中懸浮物作為判定指示物追蹤污染源[3]。

1.3.5 其他水污染監(jiān)測

使用熱紅外傳感器，能根據(jù)熱效應(yīng)的差異有效探測出熱污染排放源。利用光學(xué)技術(shù)或計算機(jī)對熱圖像作密度分割，根據(jù)少量同步實測水溫，繪制水體的等溫線。在熱圖像上，熱水溫度高，反射能量多，呈淺色調(diào)；冷水呈深色調(diào)。

油污染在紫外、可見光、近紅外、微波圖像上呈淺色調(diào)，在熱紅外圖像上呈深色調(diào)，為不規(guī)則斑塊狀。利用衛(wèi)星遙感可準(zhǔn)確地獲取溢油發(fā)生的位置，估算污染面積，并對可能的擴(kuò)散趨勢（擴(kuò)散趨勢和方向）進(jìn)行預(yù)測。

1.4 災(zāi)害監(jiān)測

1.4.1 冰凌監(jiān)測

冰凌是較高緯度地區(qū)大江大河特有的自然水文現(xiàn)象，時序相反的倒封和開河形勢極易導(dǎo)致流凌不斷聚集形成冰塞、冰壩，造成水位大幅度提高，導(dǎo)致水體漫灘或決堤等凌汛災(zāi)害。

利用多時相、大范圍的遙感數(shù)據(jù)可從宏觀上監(jiān)測冰凌情況。通過監(jiān)測不同時相下河流湖泊冰塞、冰壩面積變化，以及冰塞、冰壩導(dǎo)致的岸線變化，進(jìn)而分析可能出現(xiàn)的災(zāi)情，制作多時相冰凌變化對比圖，在防災(zāi)減災(zāi)方面具有優(yōu)勢。

1.4.2 洪災(zāi)監(jiān)測

我國自然災(zāi)害多發(fā)，每年各種災(zāi)害造成的損失巨大，其中洪澇災(zāi)害位居第一。洪澇災(zāi)害的發(fā)生一般具有突發(fā)性特點，要進(jìn)行洪澇災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報、救災(zāi)和災(zāi)后重建，需要對洪澇災(zāi)害相關(guān)信息進(jìn)行及時、準(zhǔn)確、可靠的采集和反饋。遙感技術(shù)具有宏觀、快速、實時、動態(tài)和信息豐富等優(yōu)勢，且雷達(dá)衛(wèi)星更具有穿云透霧的能力，能有效服務(wù)于洪澇災(zāi)害監(jiān)測治理。

遙感技術(shù)對洪澇災(zāi)害的監(jiān)測評估是將遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、計算機(jī)技術(shù)、水文學(xué)、氣象學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科結(jié)合起來[4]，通過對比洪災(zāi)前后湖泊岸線變化，獲得洪水區(qū)域水體及過水面積等信息，制作洪水淹沒示意圖，結(jié)合洪澇災(zāi)害淹沒區(qū)域的三維信息，建立洪水淹沒模型。以三維方式直觀、動態(tài)展現(xiàn)洪水變化過程及其對周邊地物和建筑所帶來的影響，為防洪救災(zāi)提供決策依據(jù)，對洪澇災(zāi)害損失進(jìn)行評價。

1.5 河長制績效考核

1.5.1 劃界管理

河長制以行政區(qū)劃責(zé)任區(qū)，監(jiān)管區(qū)域包括水域和陸地，面廣量多，各行政區(qū)之間不可能有裁判員進(jìn)行評判。如何分清問題出在哪個行政區(qū)，由誰來監(jiān)管是個難題。通過遙感技術(shù)結(jié)合視頻識別、人工檢測數(shù)據(jù)及專家的解讀分析，綜合分析判斷所出問題的源和根，可服務(wù)于河長的工作績效考核。這種大數(shù)據(jù)的共享與服務(wù)是實現(xiàn)水利資源管理的有效途徑[5]。

1.5.2 推送服務(wù)

可將每日更新的重點河湖監(jiān)測區(qū)遙感影像、關(guān)注區(qū)每月遙感無云鑲嵌一張圖推送到河長制綜合管理信息系統(tǒng)平臺，也可將已監(jiān)測的信息以圖片、統(tǒng)計表格及報告的形式及時推送到河長制管理系統(tǒng)中，助力河長工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 水體遙感監(jiān)測技術(shù)

河流、湖泊等水體性質(zhì)與一般陸地表面的物理性質(zhì)差異較大，因此通過光學(xué)或雷達(dá)圖像均能準(zhǔn)確、快速地提取。在計算的過程中大多利用閾值和水體指數(shù)法，閾值法是利用水體在近紅外波段反射率非常低為依據(jù)，區(qū)別水體與其他地物的；水體指數(shù)法是利用平原地區(qū)陸地水體在 TM2 模式下比 TM5模式下的反射率高，而其他地物不具備這一特性進(jìn)行水體信息提取的。

水體污染的遙感監(jiān)測是以污染水與清潔水的反射率不同及出現(xiàn)在遙感影像上的顏色差異監(jiān)測水污染的。影響水質(zhì)的主要因子有水中懸浮物，以及溶解有機(jī)、油類、化學(xué)等物質(zhì)和藻類。根據(jù)水體的光學(xué)和溫度特性，可利用可見光和熱紅外遙感技術(shù)對水體的污染狀況進(jìn)行監(jiān)測。

2.1.2 智能處理技術(shù)

機(jī)器學(xué)習(xí)是指通過計算機(jī)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的內(nèi)在規(guī)律性信息，獲得新的經(jīng)驗和知識，以提高計算機(jī)的智能性，使計算機(jī)能夠像人一樣決策。借助機(jī)器學(xué)習(xí)自動處理衛(wèi)星影像，可充分挖掘遙感圖像中大量的有用信息，增強(qiáng)分類器的能力，有效提高衛(wèi)星影像自動分類的精度和速度，使高精度動態(tài)監(jiān)測全自動處理成為可能，且能節(jié)約大量人力、時間，提高效率，降低成本，保證信息的實時發(fā)布。

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種深度前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它的人工神經(jīng)元可以響應(yīng)一部分覆蓋范圍內(nèi)的周圍單元，對于大型圖像處理有出色表現(xiàn)，已成功應(yīng)用于圖像識別，如：圖 4 所示的丹江口水庫遙感影像，圖 5 所示的丹江口水庫遙感影像通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分類的結(jié)果。

2.2 應(yīng)用優(yōu)勢

將遙感技術(shù)運(yùn)用到河長制工作中具有如下優(yōu)勢：

1）常態(tài)監(jiān)測更方便。可實現(xiàn)對河湖生態(tài)環(huán)境及水環(huán)境的周期性監(jiān)測，提高和拓展河湖日常監(jiān)管及突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力。

2）生態(tài)修復(fù)更及時。可對水生態(tài)環(huán)境修復(fù)進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測，及時了解生態(tài)環(huán)境修復(fù)現(xiàn)狀，為政府部門做好生態(tài)建設(shè)及修復(fù)工作提供指導(dǎo)。

圖 4 丹江口水庫遙感影像

圖 5 丹江口水庫遙感影像卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果

3）應(yīng)急管理更快速?？蓽p少突發(fā)性自然事故災(zāi)害對水生態(tài)環(huán)境造成的破壞，加速應(yīng)急指揮能力建設(shè)。

4）信息獲取更高效?？商岣吆雍芾硇畔⒒?，進(jìn)一步加強(qiáng)各級政府單位快速獲取信息的能力。

3 結(jié)語

在理解河長制重點工作的基礎(chǔ)上，討論了遙感技術(shù)在河長制工作中的主要應(yīng)用及優(yōu)勢。遙感作為信息與地球科學(xué)的邊緣學(xué)科，必將在水利信息化的過程中發(fā)揮更大的作用[7]。但是隨著遙感應(yīng)用日益增多，如何從海量遙感影像中快速、充分挖掘信息已成為一大問題，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對影像自動分類、快速提取信息，將是日后應(yīng)用的一大趨勢。

[1] 中華人民共和國水利部. 2016 年中國水資源公報[R]. 北京：中華人民共和國水利部，2016.

[2] 中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳. 關(guān)于全面推行河長制的意見 [A]. 北京：中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳，2016.

[3] 劉明崗，萬東輝，姬忠光. 遙感在水資源管理中的應(yīng)用[J]. 黑龍江水利科技，2008 (3): 82-83.

[4] 丁志雄，李紀(jì)人. 流域洪水汛情的遙感監(jiān)測分析方法及其應(yīng)用[J]. 水利水電科學(xué)進(jìn)展，2004，24 (3): 8-11.

[5] 馮鈞，許瀟，唐志賢，等. 水利大數(shù)據(jù)及其資源化關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 水利信息化，2013 (4): 6-9.

[6] 蔡陽. 水利信息化“十三五”發(fā)展應(yīng)著力解決的幾個問題[J]. 水利信息化，2016 (1): 1-3.

[7] 董靜. 遙感技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用綜述[J]. 水利信息化，2015 (1): 37-41.

Application discussion of remote sensing in river chief mechanism

YAN Yu, JU Yong, WANG Yajuan
(ChinaRS Geo-informatics Co., Ltd, Beijing 100020, China)

Views on the comprehensive implementation of the River Chief System which was issued in Dec. of 2016 proposes six tasks such as strengthening water resource protection and management of waterfront etc. marking that China has raised water resource management and protection to a new level. Under this background, using various advanced technologies and methods to promote effective management is the focus of current research. Remote sensing(RS) provides a unique perspective from which to observe large regions and acquire abundant useful information in high speed. According to the six tasks of the river chief mechanism, the discussions are focused on RS application status on water resources and water front utilization survey, water environment monitoring and disaster monitoring. It is a hot and diff i cult point to exert RS advantages better in order to boost the implementation of the river chief mechanism.

remote sensing technology; river chief mechanism; water resource; water environment; machine learning

TP7；TV213.4

A

1674-9405(2017)06-0012-05

10.19364/j.1674-9405.2017.06.003

2017-08-01

閻 雨（1972-），男，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師，主要從事遙感應(yīng)用工作。