河口地區(qū)遙感信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用

胡 紅 ，李新輝 ，胡廣鑫 ，徐麗梅

（1. 水利部海河水利委員會(huì)海河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，天津 300170；2. 天津海事測(cè)繪中心，天津 300211；3. 天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300171）

隨著環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶的快速發(fā)展，河口地區(qū)河道岸線、灘涂、碼頭、道路的形態(tài)和布局產(chǎn)生了較大變化，河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目急劇增加，違法水事行為發(fā)生的概率也成倍增加，河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目的監(jiān)督管理任務(wù)日趨加重。所有這些，都十分迫切需要加快、加大水行政管理監(jiān)督檢查的力度，以加強(qiáng)執(zhí)法監(jiān)督、規(guī)范水事活動(dòng)，并通過法制調(diào)整各方面的關(guān)系，保障河口開發(fā)、治理和保護(hù)的順利進(jìn)行[1]。傳統(tǒng)的水政監(jiān)察，需進(jìn)行大量的人工調(diào)查、試驗(yàn)驗(yàn)證和多部門協(xié)商討論，人力物力花費(fèi)巨大，建設(shè)周期長(zhǎng)。遙感技術(shù)具有宏觀性強(qiáng)、時(shí)效性好、信息量豐富的特點(diǎn)，應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行水政監(jiān)察，可以有效地實(shí)現(xiàn)廣面積監(jiān)測(cè)、迅速采集信息。與原有河口管理模式相比，遙感技術(shù)可以快速獲取項(xiàng)目區(qū)數(shù)據(jù)，通過解譯得到項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀，并且可以監(jiān)測(cè)到人力難以到達(dá)的海域范圍，節(jié)省大量的人力、物力，建設(shè)周期短而且更加及時(shí)有效。通過建設(shè)覆蓋海河、永定新河、獨(dú)流減河、漳衛(wèi)新河等四河口區(qū)域（以下簡(jiǎn)稱四河口）的遙感信息系統(tǒng)，利用遙感技術(shù)手段對(duì)河口地區(qū)進(jìn)行周期性的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，記錄河道岸線、灘涂及沿岸水利工程和建筑物變化情況，從而準(zhǔn)確地掌握河口地區(qū)岸線變化、項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展情況，同時(shí)配合實(shí)地調(diào)查取證，為水政監(jiān)察工作提供充分的執(zhí)法依據(jù)，有效提高四河口水行政執(zhí)法監(jiān)管水平[2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)建設(shè)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體分為3個(gè)邏輯層：支撐層、應(yīng)用層及界面層。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1）支撐層。支撐層包括基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境與綜合數(shù)據(jù)庫，其中綜合數(shù)據(jù)庫由空間、水利專題、遙感影像、解譯成果等數(shù)據(jù)庫組成。支撐層主要為上層應(yīng)用提供穩(wěn)定的軟、硬件環(huán)境，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)信息的安全、可靠、快速分類存貯和管理[3]。

2）應(yīng)用層。應(yīng)用層是本系統(tǒng)的核心，由信息管理、遙感分析、水政遙感監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)組成。可提供信息處理、查詢、分析和管理等功能，從而滿足海委水政監(jiān)察遙感信息系統(tǒng)相關(guān)信息的調(diào)用管理和業(yè)務(wù)分析功能，為執(zhí)法監(jiān)管工作提供決策依據(jù)。

3）界面層。用戶界面層又稱人機(jī)交互層，包含系統(tǒng)使用者與應(yīng)用軟件之間一系列的交互接口，其功能是建立系統(tǒng)各部分之間的關(guān)聯(lián)，從而控制應(yīng)用層的協(xié)調(diào)運(yùn)行，運(yùn)行控制參數(shù)的輸入和運(yùn)行結(jié)果的表達(dá)與顯示等。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)

1.2.1 子系統(tǒng)劃分

遙感信息系統(tǒng)依托水利部海河水利委員會(huì)信息中心已有的基礎(chǔ)設(shè)施和安全體系進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)，為水行政主管部門和政府相關(guān)職能部門的水政執(zhí)法和水資源日常管理工作提供強(qiáng)有力的支撐，系統(tǒng)部署如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及部署圖

子系統(tǒng)劃分如下：

1）信息管理子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理、遙感影像、水利專題、水政專題、管理規(guī)劃及綜合等多源信息管理與調(diào)用。

2）遙感影像分析子系統(tǒng)。運(yùn)用已有的遙感影像分析系統(tǒng)，完成原始遙感影像的幾何糾正、鑲嵌、融合、分類等操作，實(shí)現(xiàn)遙感信息的處理、分析與解譯[4]。

3）水政遙感監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。采用 B/S 架構(gòu)，結(jié)合RS 和 GIS 技術(shù)，開發(fā)水政遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線瀏覽、查詢、分析、制圖等功能。

1.2.2 功能設(shè)計(jì)

遙感信息系統(tǒng)為用戶提供數(shù)據(jù)管理、信息服務(wù)、圖像瀏覽、輔助決策和專題圖繪制等功能。

1）數(shù)據(jù)管理?；?ArcSDE 和 Oracle9i 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，對(duì)系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)與管理，包括影像、解譯成果、基礎(chǔ)地理和水利工程空間、專題等數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的安全、可靠、快速分類存貯和管理，便于業(yè)務(wù)應(yīng)用的調(diào)用和處理[5–6]。

2）信息服務(wù)。提供水文、水利工程、水政專題等信息及文檔資料的檢索服務(wù)，同時(shí)基于 GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)水文站點(diǎn)、水利工程、水事糾紛發(fā)生地區(qū)、河口開發(fā)項(xiàng)目地址等信息的空間分布展示。包括：a.站點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息查詢（日、月、年均水位，流量，含沙量等）；b. 工程基本信息查詢（所屬行政區(qū)、管理單位、建成日期及基本設(shè)計(jì)參數(shù)等）；c. 水政工作專題信息管理，主要包括水事糾紛、水事案件、河口開發(fā)、河口治理等工程的相關(guān)信息和文檔，以及水政監(jiān)察工作所需的法規(guī)、規(guī)程、參數(shù)等；d. 提供靈活的查詢方式（從形式上分為點(diǎn)擊拾取、空間定位，從方法上分為精確、模糊、組合等檢索），對(duì)水政執(zhí)法、水政審批和水利工程及其相關(guān)資料進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)象查詢、地圖定位及底圖服務(wù)切換。

3）圖像瀏覽。以精確的矢量數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)比例尺的遙感影像為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)圖像瀏覽功能。主要功能如下：a. 具有 GIS 基本瀏覽功能，如放大、縮小、漫游、全景顯示等；b. 自動(dòng)標(biāo)注功能，在鼠標(biāo)移動(dòng)過程中，通過選擇圖層和字段值，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)所在位置一定緩沖區(qū)內(nèi)的工程或地名信息自動(dòng)顯示；c. 圖層風(fēng)格設(shè)置功能，可由用戶根據(jù)需要或喜好定制顯示各個(gè)圖層的圖例模式、顏色、大小等；d. 坐標(biāo)拾取功能，鼠標(biāo)移動(dòng)或點(diǎn)擊時(shí)，在狀態(tài)欄或其他窗口顯示鼠標(biāo)當(dāng)前位置的經(jīng)緯度；e. 面積長(zhǎng)度測(cè)量功能，通過鼠標(biāo)手動(dòng)繪制路線或區(qū)域，自動(dòng)計(jì)算長(zhǎng)度和面積測(cè)量結(jié)果。

4）專題圖繪制。根據(jù)業(yè)務(wù)需要篩選水政專題信息，并提供繪制和輸出功能，最終生成有水政標(biāo)記點(diǎn)并融合遙感數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)彩色圖樣。

2 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

考慮到海河口等四河口遙感信息系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)的差異性及之間的耦合關(guān)系，為了降低需求變化對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)帶來的變動(dòng)，海河口等四河口遙感信息系統(tǒng)在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了分層設(shè)計(jì)，對(duì)界面層、業(yè)務(wù)層、平臺(tái)層等進(jìn)行分離，減少了各個(gè)層次之間的耦合關(guān)系。主要技術(shù)手段如下：

1）Java 技術(shù)。使用 Java 技術(shù)開發(fā)海河口等四河口遙感信息系統(tǒng)；Java 技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)環(huán)境提供了平臺(tái)獨(dú)立性，可以在 Windows，Solaris，Linux 或其它操作系統(tǒng)上使用完全一樣的代碼。除此之外 Java 還有 11 個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、可移植性、面向?qū)ο蟆⒔忉屝?、分布式、高性能、健壯性、多線程、安全、動(dòng)態(tài)、中立體系結(jié)構(gòu)。

2）AJAX 技術(shù)。在海河口等四河口遙感信息系統(tǒng)開發(fā)中使用 AJAX 技術(shù)，通過異步模式，加上不用刷新整個(gè)頁面，只是頁面局部刷新，從而減少了等待時(shí)間，為用戶提供了更為自然的瀏覽體驗(yàn)；優(yōu)化了瀏覽器和服務(wù)器之間的傳輸，減少不必要的數(shù)據(jù)往返，減少了帶寬占用；AJAX 引擎在客戶端運(yùn)行，承擔(dān)了一部分本來由服務(wù)器承擔(dān)的工作，從而減少了大用戶量下的服務(wù)器負(fù)載。

3）GIS 技術(shù)。GIS 技術(shù)以可視化的形式向用戶展示數(shù)據(jù)，以及各類信息在空間上的分布狀況，使信息的展示更加直觀，從而為用戶提供了應(yīng)用上的方便。通過發(fā)布動(dòng)態(tài)與靜態(tài)服務(wù)的方式展示影像數(shù)據(jù)。其中，動(dòng)態(tài)服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度定位、空間要素查詢、空間計(jì)算等業(yè)務(wù)和系統(tǒng)功能。而底圖數(shù)據(jù)則是通過靜態(tài)服務(wù)的方式，將遙感影像數(shù)據(jù)以金字塔結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行圖片切片處理，從而使地圖加載速度得到很大幅度的提升[7–8]。

本系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，Tomcat 6.0 部署運(yùn)行；對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問、權(quán)限的控制，統(tǒng)一使用信息交換平臺(tái)。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

1）控規(guī)管理功能。主要用于添加河口控制管理?xiàng)l件，此處控制管理?xiàng)l件主要是指依據(jù)已有法規(guī)、規(guī)劃、審批成果進(jìn)行綜合分析，提取河口控制管理范圍，并以此范圍作為約束條件對(duì)水行政管理范圍內(nèi)的建筑物或排泥場(chǎng)等的建設(shè)情況、規(guī)劃范圍內(nèi)規(guī)定的違章建筑及非法采砂等進(jìn)行監(jiān)督管理。

2）全要素集成顯示。實(shí)現(xiàn)了將地圖上某一元素的水政專題、遙感、空間等信息的集成顯示。比如海河閘，在影像圖上可集成顯示其光譜、空間和水政專題等信息（如水政執(zhí)法、水文、水質(zhì)、水利工程等信息），并具有直觀性水政和形象性，為水政監(jiān)察工作帶來了豐富的信息支持。

3 推廣應(yīng)用

系統(tǒng)建設(shè)完成后，主要取得了以下成果：

1）實(shí)現(xiàn)指定時(shí)間和空間位置的遙感解譯成果的顯示和查詢功能。根據(jù)指定的時(shí)間和位置，顯示遙感解譯成果，并通過查詢統(tǒng)計(jì)功能，獲取河口地區(qū)各類地物的統(tǒng)計(jì)信息。

2）利用變化監(jiān)測(cè)的功能，從不同時(shí)期的遙感圖像中，定性定量地分析和確定地物變化的特征和過程，它涉及到變化類型、分布狀況及變化信息的描述，即可確定變化前后的地物類型、界限和分析變化的屬性。（比如秋季與春季對(duì)比分析，永定新河河口東疆港附近發(fā)生了變化，由原來的岸灘變?yōu)椴煌杆砻妫兓?220 m3）。

3）通過控規(guī)管理功能，對(duì)水行政管理范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行識(shí)別，并通過疊加對(duì)比河口治導(dǎo)線或河道岸線綜合分析，找出可疑建筑，為水政監(jiān)察服務(wù)。

4）水政執(zhí)法和審批信息管理。對(duì)巡查、違法案件、水事糾紛、舉報(bào)等登記，以及取水許可、河道建設(shè)項(xiàng)目、采砂等審批信息業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

目前項(xiàng)目成果已經(jīng)應(yīng)用于四河口的水政監(jiān)察工作中，有效提高了四河口水行政監(jiān)管的管理水平，成效如下：

1）可以利用遙感影像從整體上了解海河口、永定新河口、獨(dú)流減河口的變化情況，對(duì)河口地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，記錄河口河道岸線、灘涂及河道沿岸水利工程和建筑物變化情況，為水政監(jiān)察工作節(jié)省了大量的時(shí)間和物力，帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。

2）對(duì)臨海新城、東疆港、南疆港，以及臨港和南港工業(yè)區(qū)的建設(shè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可直觀地看出工業(yè)區(qū)的建設(shè)進(jìn)展，并可分析出變化量。

3）海河口等四河口遙感信息系統(tǒng)的信息管理子系統(tǒng)作為河口的知識(shí)管理系統(tǒng)，定期將巡查登記、水事糾紛、違法案件等信息錄入系統(tǒng)中，可節(jié)省大量的物力和財(cái)力并具有可持續(xù)發(fā)展性。

4）對(duì)黃驊港的建設(shè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可直觀地看出黃驊港的建設(shè)進(jìn)展，并可分析出變化量，為河口監(jiān)察工作帶來便捷并節(jié)省人力。

4 結(jié)語

通過該系統(tǒng)的建設(shè)，完善了水政監(jiān)察的技術(shù)手段，提升了河口管理的層次和水平，為規(guī)范河口開發(fā)秩序、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障泄洪安全提供技術(shù)支持，有較好的社會(huì)效益。應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)河口進(jìn)行水政監(jiān)察，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法建筑物及水污染事件，針對(duì)現(xiàn)狀情況，為水政執(zhí)法提供可靠依據(jù)，制止違法建筑物，改善河道水質(zhì)狀況，有利于改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，確保水資源與水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，具有較好的環(huán)境效益。

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