3S技術(shù)在江蘇省退圩還湖中的應(yīng)用

王軼虹，王冬梅，梁文廣，高士佩

（江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017）

3S技術(shù)是遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的統(tǒng)稱，是將遙感、衛(wèi)星定位及導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)等相結(jié)合的空間信息處理技術(shù)［1］，在水利行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用［2-7］。

退圩還湖是通過清除湖泊保護(hù)范圍內(nèi)人工修建的圩?。ǖ虊危┧鶉鷫ǔ龅母?、建設(shè)用地、養(yǎng)殖圩等，恢復(fù)湖泊水面，以達(dá)到增加湖泊調(diào)蓄庫容和防洪庫容，提高區(qū)域防洪能力和水環(huán)境容量［8-11］。實(shí)施退圩還湖工程，首先要進(jìn)行退圩還湖規(guī)劃和實(shí)施方案的編制，傳統(tǒng)方法需要投入大量的人力、物力才能完成。3S技術(shù)是對地觀測的三大支撐技術(shù)，能夠快速進(jìn)行精確定位、獲取地理信息和綜合分析。

本文以江蘇省退圩還湖為例，展示了3S技術(shù)在退圩還湖規(guī)劃及實(shí)施方案編制中的應(yīng)用情況。

1 3S技術(shù)應(yīng)用概述

RS是指應(yīng)用探測儀器，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特征記錄下來，通過分析揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)［12］。RS能動(dòng)態(tài)地、周期性地獲得地表數(shù)據(jù)及其變化信息，通過遙感影像處理技術(shù)制作成專題地圖并及時(shí)更新，從而滿足規(guī)劃編制和退圩還湖工程實(shí)施后的管理需求。例如，借助對退圩還湖區(qū)遙感圖像的處理、分析，采用人機(jī)交互的方式，可快速、準(zhǔn)確地掌握擬退圩還湖地區(qū)種植、養(yǎng)殖及自由水面分布及動(dòng)態(tài)變化情況［13］。

GIS用來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析和建模，以解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題［14］。GIS可以對收集到的地理信息進(jìn)行歸類、整理，建立可視化地理圖像，實(shí)現(xiàn)信息查詢、檢索，空間數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，制作各類專題地圖。規(guī)劃中涉及到地理信息包括水利和環(huán)境的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，大多與空間地理位置有關(guān)。GIS可分析和處理在一定區(qū)域分布范圍內(nèi)的各種現(xiàn)象和過程，從而輔助解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題，如編制湖泊開發(fā)利用現(xiàn)狀圖、水系連通圖、退圩還湖排泥場圖等，為退圩還湖過程中的水利決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

GPS提供地理坐標(biāo)，進(jìn)而精準(zhǔn)確定地理位置，可為對象提供一個(gè)統(tǒng)一的空間坐標(biāo)參考框架，并與其他數(shù)字化系統(tǒng)有效的聯(lián)結(jié)與組合［15］。GPS能準(zhǔn)確測定目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高程，提供目標(biāo)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的位置信息。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS后，可供下一步制圖、建模時(shí)使用。

綜上所述，3S技術(shù)可為摸清湖泊開發(fā)利用現(xiàn)狀、編制湖泊退圩還湖規(guī)劃和實(shí)施方案及后期監(jiān)管提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，并為決策提供依據(jù)。

2 江蘇省退圩還湖概況

江蘇省地處江淮沂沭泗下游，上有洪水壓境，下排普遍不暢，湖泊調(diào)蓄是解除洪澇威脅的關(guān)鍵。江蘇省是我國淡水湖泊分布集中的?。▍^(qū)）之一，根據(jù)江蘇省人民政府2005年公布的《江蘇省湖泊保護(hù)名錄》，全省湖泊面積在0.5 km2以上的有137個(gè)（省管湖泊13個(gè)），湖泊總面積達(dá)6 260.34 km2，總庫容為131.1億m3。全省湖泊面積在1 000 km2以上的湖泊有太湖和洪澤湖，總面積為4 114 km2，占全省湖泊總面積65.72%；面積在500～1 000 km2的湖泊只有高郵湖，面積為649.13 km2，占全省湖泊總面積10.37%；面積在100～500 km2的湖泊有陽澄湖、駱馬湖、滆湖、石臼湖和白馬湖，總面積為877.4 km2，占全省湖泊總面積14.02%。

目前，江蘇省省管湖泊退圩還湖工程已全部進(jìn)入規(guī)劃及實(shí)施方案的編制階段，11個(gè)縣市的省管湖泊規(guī)劃獲得了江蘇省政府的批復(fù)，2個(gè)市縣湖泊的實(shí)施方案獲得了江蘇省水利廳的批復(fù)。規(guī)劃批復(fù)的湖泊退圩還湖工程實(shí)施后可恢復(fù)湖泊自由水面面積492 km2，能顯著提高防洪排澇能力，改善湖泊生態(tài)環(huán)境。2017年江蘇省政府印發(fā)了《江蘇省生態(tài)河湖行動(dòng)計(jì)劃（2017～2020年）》，明確提出到2020年全省恢復(fù)湖泊水域面積不少于100 km2。

3 RS技術(shù)在退圩還湖中的應(yīng)用

3.1 確定擬退圩還湖區(qū)域的湖泊開發(fā)利用現(xiàn)狀

利用RS技術(shù)查明擬退圩還湖區(qū)域的開發(fā)利用現(xiàn)狀。選擇遙感數(shù)據(jù)源為0.3 m高分航空遙感正射真彩色影像和0.8 m的GF-2號(hào)衛(wèi)星遙感真彩色影像，利用遙感影像的判讀標(biāo)志（如色調(diào)、形狀、大小、紋理、位置等），建立地物原型與影像模型之間的直接和間接關(guān)系，形成監(jiān)測目標(biāo)遙感解譯標(biāo)志，從而獲得全面、詳細(xì)的第一手資料。

由遙感影像提取擬退圩還湖區(qū)域的開發(fā)利用現(xiàn)狀。將1∶10 000數(shù)字地形圖與遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)，疊加后，比較數(shù)字地圖與遙感影像中開發(fā)利用空間分布、幾何形狀的差異，提取遙感影像中的養(yǎng)殖、種植、圍網(wǎng)等項(xiàng)目，對數(shù)字地形圖上地物的空間分布和幾何形狀進(jìn)行修正，注記屬性碼，經(jīng)建立拓?fù)潢P(guān)系和消除邏輯錯(cuò)誤后，生成2016年江蘇省興化市蜈蚣湖及南蕩退圩還湖區(qū)域的開發(fā)利用現(xiàn)狀圖（見圖1）。

圖1 2016年江蘇省興化市蜈蚣湖及南蕩退圩還湖區(qū)域的開發(fā)利用現(xiàn)狀

圖2 2010年江蘇省白馬湖退圩還湖前的開發(fā)利用現(xiàn)狀

3.2 在退圩還湖工程運(yùn)行監(jiān)管中的運(yùn)用

通過獲取并對比退圩還湖區(qū)域不同時(shí)段的遙感圖像，可以對退圩還湖工程區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，了解其狀況是否與規(guī)劃相符合。如通過白馬湖退圩還湖過程中不同時(shí)期的遙感影像對比（見圖2～3），發(fā)現(xiàn)退圩還湖工程尚未達(dá)到規(guī)劃要求，規(guī)劃清退的圩區(qū)未按要求清退，排泥場的布置也與規(guī)劃不符，從而為主管部門的下一步工作方向提供了重要參考。

此外，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，可以及時(shí)準(zhǔn)確了解情況，提出可靠的處理措施，提高水利工程管理的科學(xué)性和及時(shí)性。運(yùn)用RS結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，快速、同步地對圍湖造地、圍網(wǎng)養(yǎng)殖變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，建立圍湖造地、圍網(wǎng)養(yǎng)殖動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，為管理機(jī)構(gòu)維護(hù)正常的水事活動(dòng)秩序、發(fā)現(xiàn)并查處圍湖造田等違法行為、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

圖3 2016年江蘇省白馬湖退圩還湖后的遙感影像

4 GIS技術(shù)在退圩還湖中的應(yīng)用

4.1 專題地圖的制作

將經(jīng)過幾何校正的遙感數(shù)據(jù)、遙感專題圖件作為背景圖層導(dǎo)入Arcmap中，與水系、交通道路、水利工程、生態(tài)紅線、行水通道等圖層疊加，可以準(zhǔn)確確定開發(fā)利用項(xiàng)目的分布、規(guī)模與生態(tài)紅線等水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)系，確定規(guī)劃和實(shí)施方案的排泥場（堆土區(qū)）、堤防、近岸生態(tài)修復(fù)帶等項(xiàng)目的位置信息，并通過計(jì)算確定以上項(xiàng)目的面積、長度、寬度和距離等要素。

4.2 退圩還湖區(qū)域變化特征分析

利用GIS將不同時(shí)段的遙感調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，可以對退圩還湖區(qū)域的生態(tài)環(huán)境演替與人為影響情況作出判斷，對某一時(shí)段湖泊開發(fā)利用現(xiàn)狀及生態(tài)環(huán)境特征的變化進(jìn)行分析，找出湖泊開發(fā)中存在的問題與規(guī)律。

4.3 建模分析

退圩還湖規(guī)劃編制過程中，需要考慮退后湖泊的水動(dòng)力特征。將GIS與水文、水力學(xué)模型有機(jī)結(jié)合，大大提高了湖泊水文、水動(dòng)力分析的效率，成果更為直觀。

5 GPS技術(shù)在退圩還湖中的應(yīng)用

5.1 測繪數(shù)字化水利工程現(xiàn)狀圖

利用成熟的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTD、RTK）對已有水利工程取水口、堤防、閘、泵，建筑物、耕地和道路等進(jìn)行定位，測繪出水利工程現(xiàn)狀圖。測繪現(xiàn)狀湖泊和退圩還湖后湖區(qū)的數(shù)字化地形圖，建立數(shù)字高程模型（DEM），準(zhǔn)確計(jì)算退圩還湖工程的土方量，為投資估算奠定基礎(chǔ)。

5.2 為遙感影像提供精確的幾何矯正數(shù)據(jù)

以往的遙感影像制圖依賴于相當(dāng)比例尺的地形圖上明顯的地物點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)解析，其精度受地形圖比例尺和地物解析精度限制。采用GPS的RTD技術(shù)，可為RS校正提供高精度地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)，提高RS幾何校正的精度。前期利用遙感影像結(jié)合GPS進(jìn)行外業(yè)調(diào)查，可以確定圈圩養(yǎng)殖和種植、圍網(wǎng)養(yǎng)殖等開發(fā)利用類型的解譯標(biāo)志，建立遙感影像的判讀標(biāo)志，提高判讀精度，后期可以修正遙感影像的解譯結(jié)果。

5.3 快速準(zhǔn)確地了解退圩還湖區(qū)域概況

GPS可全天候?qū)讌^(qū)進(jìn)行調(diào)查與測量，確定目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高程，且使用簡單方便，并可對測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和編號(hào)，以備下一步地理信息系統(tǒng)中制圖時(shí)使用或在對該目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際考察時(shí)提供準(zhǔn)確的位置信息。GPS為退圩還湖遙感監(jiān)測的外業(yè)調(diào)查提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的保證，相較傳統(tǒng)方法，其工作限制條件較少，具有全天候的觀測能力，測量精度高且費(fèi)用低，操作簡便，易于攜帶，可滿足獲取環(huán)境、地形和地質(zhì)數(shù)據(jù)的基本要求。

6 結(jié)語

退圩還湖規(guī)劃及實(shí)施方案的編制與工程實(shí)施、管理過程中需要掌握大量的地理信息，繪制大量圖件。3S技術(shù)所具有的快捷、多功能、實(shí)時(shí)的巨大優(yōu)勢，為退圩還湖工作提供了強(qiáng)有力的工具，將其應(yīng)用于退圩還湖規(guī)劃編制和工程實(shí)施管理中，對提高測量準(zhǔn)確度、節(jié)省人力物力，實(shí)現(xiàn)精確制圖、工程管理和提高決策水平具有重要意義，建議大力推廣使用。