我國高分辨率衛(wèi)星在湖泊監(jiān)測和保護(hù)中的應(yīng)用

文|孫亞勇 馬建威 黃詩峰

水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心/中國水利水電科學(xué)研究院

一、引言

湖泊作為水資源的重要載體，是江河水系、國土空間和生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有重要的資源功能、經(jīng)濟(jì)功能和生態(tài)功能。全國現(xiàn)有水面面積1km2以上的天然湖泊2865個，總面積7.80萬公頃，淡水資源量約占全國水資源量的8.50%。這些湖泊在防洪、供水、航運、生態(tài)等方面具有不可替代的作用，是大自然的璀璨明珠，是中華民族的寶貴財富[1]。

當(dāng)前，湖泊水系也是我國水資源短缺、水生態(tài)損害、水環(huán)境污染和水災(zāi)害新老水問題體現(xiàn)最為集中的區(qū)域[2]。近幾十年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和人類活動的影響，湖泊面積萎縮、水域空間減少、水系連通不暢、水環(huán)境狀況惡化、生物棲息地破壞，湖泊功能嚴(yán)重退化[3]。全國水面面積大于 10 km2的 635個湖泊中，231 個湖泊總萎縮面積達(dá) 18%。保護(hù)江河湖泊，事關(guān)人民群眾福祉，事關(guān)中華民族長遠(yuǎn)發(fā)展。中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳2017年印發(fā)《關(guān)于在湖泊實施湖長制的指導(dǎo)意見》，并且水利部部署了全國河湖“清四亂”（亂占、亂采、亂堆、亂建）等一系列專項整治行動，旨在解決一批損害河湖健康的突出問題[2-4]。但對全國湖泊基本情況及其相關(guān)信息仍不能全面掌握，水面面積 1 km2以下湖泊信息不全、河湖動態(tài)信息指標(biāo)不完整。不能及時了解全國湖泊動態(tài)發(fā)展以及河湖治理情況，湖泊突出問題監(jiān)管還是依靠各地自查上報，依靠高分遙感、無人機(jī)等信息技術(shù)手段不足。

隨著衛(wèi)星傳感器技術(shù)、航空航天技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。我國相繼推出的 “風(fēng)云”、“海洋”、“減災(zāi)”、“資源”和“高分”等衛(wèi)星系列，已實現(xiàn)了大范圍、多頻次、低中高空間分辨率的地表覆蓋測量。目前，通過衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、視頻監(jiān)控等手段相結(jié)合，構(gòu)建覆蓋全國的空天地一體化水利感知網(wǎng)，成為湖泊動態(tài)監(jiān)測和保護(hù)應(yīng)用的行業(yè)共識。利用多源高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，開展湖泊水體動態(tài)監(jiān)測、水域空間管控、岸線管理、水資源調(diào)查應(yīng)用，正在向業(yè)務(wù)化信息服務(wù)方向推進(jìn)。本文以湖北省為例，介紹目前高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)情況，分析和展示我國高分辨率衛(wèi)星在湖泊監(jiān)測和保護(hù)應(yīng)用的成果，從而為高分辨率衛(wèi)星遙感在湖泊監(jiān)測和保護(hù)中進(jìn)一步應(yīng)用提供借鑒。

二、湖北湖泊現(xiàn)狀

據(jù)湖北省水利廳公布的數(shù)據(jù)，從20世紀(jì)50年代初到80年代末，全省0.07km2以上湖泊從1332個銳減為843個，銳減了36.7%，相應(yīng)中水位時的水面面積從8528.2km2銳減為2983.5km2。其中，水面3.3km2以上湖泊，從322個減少為125個，減少了61%[5]。20世紀(jì)80年代以后，湖北湖泊數(shù)量、面積、容積萎縮勢頭有所減緩，但總體上仍呈萎縮趨勢[6]。據(jù)水利普查最新資料表明，湖北3.3km2以上湖泊僅剩110個[7]。湖泊作為水資源的重要載體，在調(diào)蓄洪水、提供水源、交通航運、美化景觀、休閑娛樂、漁類繁衍、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及提供生物棲息地、維護(hù)生態(tài)多樣性、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候等方面發(fā)揮著不可替代的作用。但是我國的湖泊長期面臨著一系列水問題，如湖泊快速萎縮造成了河湖阻隔、生態(tài)系統(tǒng)破壞、水體污染導(dǎo)致了湖泊功能退化。因此，保護(hù)湖泊面積不再減少、保護(hù)水質(zhì)不再惡化、保護(hù)水生態(tài)環(huán)境不再破壞，已經(jīng)刻不容緩。

三、衛(wèi)星數(shù)據(jù)源

我國具有優(yōu)于2.5m高分辨率成像能力的民用公益性對地觀測衛(wèi)星主要由“資源”系列和“高分”系列組成。其中，在軌運行的高分辨率“資源”系列主要包括2011年12月22日發(fā)射的資源一號02C、2012年1月9日發(fā)射的資源三號和2016年5月30日發(fā)射的資源三號02衛(wèi)星；在軌運行的高分辨率“高分”系列主要包括2013年4月26日發(fā)射的高分一號、2014年8月19日發(fā)射的高分二號、2018年3月31日發(fā)射的高分一號B/C/D和2018年6月2日發(fā)射的高分六號衛(wèi)星。為此，根據(jù)湖泊動態(tài)監(jiān)測的業(yè)務(wù)化需求，采用“資源”系列和“高分”系列衛(wèi)星的多源影像數(shù)據(jù)，開展了湖北省22個湖泊的兩月一次的遙感業(yè)務(wù)監(jiān)測工作。其中，湖北省湖泊監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本特征的統(tǒng)計見表1。

表1 湖北省湖泊監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本特征

四、監(jiān)測方法

針對2.5m分辨率全色或多光譜衛(wèi)星遙感影像，在數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，包括遙感數(shù)據(jù)的輻射校正、幾何校正、正射校正、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、影像融合、影像鑲嵌和裁切等處理，對全省22個重點湖泊的岸線、保護(hù)區(qū)、控制區(qū)及湖體內(nèi)建筑物進(jìn)行變化檢測和影像識別，利用背景影像與實時遙感圖像進(jìn)行前后時相的影像疊加處理，通過自動檢測或人工識別，找出湖泊內(nèi)、岸線、保護(hù)區(qū)、控制區(qū)的地物變化信息，提取變化圖斑。湖泊水體與違法侵占遙感動態(tài)監(jiān)測識別流程圖見圖1。

圖1 湖泊水體與違法侵占遙感動態(tài)監(jiān)測識別流程圖

五、監(jiān)測應(yīng)用

根據(jù)湖北省湖泊監(jiān)測與保護(hù)業(yè)務(wù)需求，從2016年1月開始針對梁子湖、斧頭湖、牛山湖等22個重點湖泊的岸線、保護(hù)區(qū)、控制區(qū)及湖體內(nèi)物體進(jìn)行兩月一次的遙感監(jiān)測工作。截至2018年12月共處理了396幅高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，提取了396個湖泊水體矢量，提取的22個湖泊總面積的動態(tài)變化結(jié)果見圖2。其中，采用系統(tǒng)自動分割后人工編輯水面邊線的方式對全省22個重點湖泊“兩月一勘查”，2018年度共提取湖泊水面面積9140.028 km2，部分湖泊水體范圍提取結(jié)果見圖3。通過面向?qū)ο蟮淖兓瘷z測方法，并輔以變化信息人工判讀識別，對湖泊及周邊保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的疑似違法信息進(jìn)行提取，2018年22個重點湖泊“兩月一勘查”共提取27處疑似違法點，涉及湖泊10個，部分疑似違法點提取結(jié)果見圖4。違法侵占的類型主要有：圍湖占地、攔湖筑汊、填湖修路、城建侵占。

圖2 2016-2018年湖北省22個重點湖泊總面積動態(tài)變化遙感監(jiān)測結(jié)果

圖3 基于高空間分辨率衛(wèi)星影像湖泊水體面積提取結(jié)果

圖4 基于高空間分辨率衛(wèi)星影像湖泊違法侵占監(jiān)測結(jié)果

六、小結(jié)

我國高分辨率衛(wèi)星已具備月頻次全國范圍的覆蓋成像能力，為開展全國范圍的月頻次湖泊監(jiān)測應(yīng)用提供了可能。以湖北省為例，開展的22個重點湖泊遙感監(jiān)測應(yīng)用，在河湖監(jiān)管、水利督查和湖泊保護(hù)領(lǐng)域取得很好的成效。基于多源高分辨率衛(wèi)星遙感，利用自動提取技術(shù)掌握了湖泊水體的動態(tài)變化，結(jié)合人工解譯方法，對比時間序列影像提取湖泊水域的變化圖斑，對湖泊水域的違法違規(guī)行為及時有效發(fā)現(xiàn)并依法查處。未來可進(jìn)一步建立全國湖泊基礎(chǔ)信息庫，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)加強(qiáng)河湖監(jiān)管，提升遙感影像解譯和大數(shù)據(jù)挖掘水平，構(gòu)建部門協(xié)同、區(qū)域聯(lián)動、社會參與的湖泊管理系統(tǒng)，進(jìn)而實現(xiàn)湖泊管理全流程、全過程的高效管理、決策與服務(wù)。