高分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像在河長制監(jiān)測中的應用

呂玉鳳，鄒 蒲，肖 俊，胡 文

（湖南航天遠望科技有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國河湖管理保護出現(xiàn)了一些新問題，如非法采砂、采礦、排污、養(yǎng)殖、采砂、采礦、侵占水域岸線、僵尸船等，導致河道干涸，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峻挑戰(zhàn)[1]。2016 年11 月，中辦、國辦印發(fā)《關于全面推行河長制的意見》，由黨委或政府領導擔任河長，對水污染治理、水生態(tài)修復、水資源保護承擔第一責任。全面推行河長制是落實綠色發(fā)展理念、推進生態(tài)文明建設的內(nèi)在要求，是解決我國復雜水問題、維護河湖健康生命的重要舉措[2]。利用衛(wèi)星遙感技術助力河長制管理，可以大大減少人工徒步巡河時間，有效地加強水環(huán)境治理力度，創(chuàng)新河流監(jiān)管工作方法，提高河長及河長辦的工作效率[3]。

本文以湖南省內(nèi)淥水河流域工作區(qū)為例，對衛(wèi)星遙感技術在河長制監(jiān)測中的應用進行探討。

1 河長制遙感監(jiān)測要素

結合河長制工作六大任務，研究高分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星在輔助河長制工作開展中的作用，確定衛(wèi)星可監(jiān)測的要素。在水資源保護方面，衛(wèi)星遙感可以監(jiān)測水面范圍變化，及時獲取河流邊界長度、面積、水位變化等數(shù)據(jù)，建立河流水位與面積、水位與河水儲量等關系模型，在水位變化監(jiān)測、河流行蓄滯洪監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。在水域岸線管理方面，可以通過衛(wèi)星遙感影像實現(xiàn)對岸線破壞、岸線建設以及河岸采砂的長期動態(tài)監(jiān)測，有效強化岸線保護和節(jié)約利用。在水污染防治和水環(huán)境治理中，衛(wèi)星遙感能夠監(jiān)測出水面養(yǎng)殖、水生物漂浮物、工礦企業(yè)、入河排污口等對水生態(tài)環(huán)境具有潛在污染的要素，對于優(yōu)化排污口布局，實施入河排污口的整治提供重要參考依據(jù)。在水生態(tài)修復方面，衛(wèi)星遙感能夠監(jiān)測遭受的岸線破壞是否修復，一些非法的水面養(yǎng)殖是否取締等，輔助建設清潔型流域，實現(xiàn)河道環(huán)境整潔優(yōu)美。湖南省委省政府高度重視河長制的實施，先后發(fā)行了1～5 號河長令，其中2 號總河長令要求全面清理整頓全省河道水域長期停泊不用、無人管理的船舶（即僵尸船）[4]。衛(wèi)星遙感能夠快速監(jiān)測“僵尸船”?？康攸c和數(shù)量，對“僵尸船”的情況迅速完成摸底工作并提供客觀證據(jù)，能有效輔助“僵尸船”的清理工作。

2 總體技術方法

（1）利用批量數(shù)據(jù)處理方法處理研究區(qū)高分國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；

（2）結合監(jiān)測要素實際特征，建立衛(wèi)星影像各要素的解譯標志；

（3）采用人機交互解譯方式，提取研究區(qū)河長制監(jiān)測要素，并通過實地核查的方法，提取研究區(qū)河長制監(jiān)測要素圖斑，整體技術路線見圖1。

圖1 河長制衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術路線圖

2.1 高分國產(chǎn)衛(wèi)星影像處理

研究區(qū)數(shù)據(jù)源為高分二號和北京二號國產(chǎn)衛(wèi)星影像，空間分辨率全色0.8 m，多光譜3.2 m，其中北京二號幅寬24 km，高分二號2 臺相機組合幅寬45.3 km，共采用28 景數(shù)據(jù)對研究區(qū)進行監(jiān)測。通過批量數(shù)據(jù)處理方法，采用PCI 軟件實現(xiàn)對遙感影像采集控制點、同名點，正射校正、融合、波段增強、降位等批量預處理操作，對預處理后的影像進行勻光、勻色，將色調(diào)統(tǒng)一調(diào)整，最后對影像進行拼接鑲嵌及最終的色調(diào)處理。

高分二號及北京二號數(shù)據(jù)利用原始數(shù)據(jù)的RPC 模型，以精度較高的基礎底圖和DEM 為基準，采集足夠且符合要求的GCPs/TPs，為每景影像進行正射校正。再采用PCI 遙感軟銳化融合工具進行圖像融合，該模塊采用的是Pansharp 算法，是一種基于最小二乘法在原始的多光譜、全色影像間達到最佳近似灰度值關系，從而達到最佳色彩組合的融合方法[5]。

融合后的影像RGB 色彩信息不夠豐富，為使色彩接近自然真彩色，采取波段加權處理，由于近紅外波段對植被更敏感，所以考慮將綠色和近紅外波段分別賦予一定的權重，重新構造綠波段，本文將權重設定為0.85，新的綠波段用公式表示為：G=B2×0.85+B4×0.15,影像波段真彩色組合方式為:

式中：B1為紅色波段；B2為綠色波段；B3為藍色波段；B4為近紅外波段。

2.2 河長制監(jiān)測要素信息提取

基于處理完成的正射衛(wèi)星遙感影像，采用人機交互方式，運用解譯標志和實踐經(jīng)驗與知識，從遙感影像上識別河長制監(jiān)測要素相關目標，定性、定量地提取出河長制監(jiān)測要素的分布、位置、面積等信息。對提取的河長制信息，通過野外實地調(diào)查的方式對成果進行驗證，保證提取的遙感成果符合精度要求。河長制監(jiān)測要素包含水面養(yǎng)殖、水生物漂浮物、工礦企業(yè)、岸線管理、僵尸船等，各監(jiān)測要素在影像上有對應的特征，如采砂碼頭砂石堆積處地形高于周邊，部分可見砂石加工器械及運輸車輛，影像顏色比較鮮亮，堆砂加工區(qū)域形狀一般不規(guī)則，岸線破壞因遭受人為破壞，裸露出地表，受破壞的岸線一般紋理雜亂，色調(diào)鮮亮等。

2.3 野外實地調(diào)查

為提高河長制信息提取精度，采取點、線、面相結合的方法進行野外實地調(diào)查，調(diào)查時啟動GPS 定位系統(tǒng)，記錄野外調(diào)查軌跡，并對典型圖斑、有疑問的圖斑進行高比例核查。修改野外核查后的圖斑，最后建立數(shù)據(jù)庫，包括河長制監(jiān)測要素圖斑、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村界線、影像等數(shù)據(jù)。

3 河長制遙感監(jiān)測結果分析

利用2018 年9 月高分二號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，結合野外實地調(diào)查，共確定研究區(qū)內(nèi)河長制監(jiān)測要素圖斑106 處，涉及采砂碼頭、水面養(yǎng)殖、水面漂浮物、排污口等類型；利用2018 年9 月高分二號與2017 年10 月北京二號衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，結合野外實地調(diào)查，監(jiān)測出研究區(qū)共有僵尸船27 處，河長制監(jiān)測結果見表1。

表1 研究區(qū)河長制遙感監(jiān)測結果

3.1 水資源保護—水面范圍遙感監(jiān)測

研究區(qū)水面監(jiān)測利用高分二號多光譜數(shù)據(jù)，基于面向?qū)ο蠓椒?，采用決策專家系統(tǒng)支持的利用模糊分類算法，充分利用影像的光譜、形狀、紋理、上下文、空間關系等特征，將影像分割成若干對象，在分割的對象層次上對水體進行分類提取，能夠快速并較準確地提取水體的特征，研究區(qū)提取水面面積32.41 km2（圖2）。利用衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測水面范圍，對研究區(qū)水面面積變化特征和趨勢進行分析，對河流區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

圖2 基于面向?qū)ο蟮乃娣秶畔⑻崛〗Y果示意圖

3.2 水域岸線管理

3.2.1 采砂碼頭遙感監(jiān)測

研究區(qū)共監(jiān)測出采砂碼頭36 處，其中35 處已經(jīng)廢棄，1 處采砂碼頭在現(xiàn)場核實時正在作業(yè)，現(xiàn)場有采砂工作人員及車輛（圖3a）。近年來，政府嚴厲打擊各類違法、違規(guī)河道采砂行為，不斷加大河道采砂管理整治力度。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測河道采砂，節(jié)約大量的成本，減少巡河工作量，有效監(jiān)測非法采砂行為，在保障防洪安全、水工程安全和保護生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用。

3.2.2 岸線建設、岸線破壞遙感監(jiān)測

《關于全面推行河長制意見》中指出，加強河湖水域岸線管理保護，嚴禁以各種名義侵占河道、圍墾湖泊、非法采砂，對岸線亂占濫用、多占少用、占而不用等突出問題開展清理整治，恢復河湖水域岸線生態(tài)功能[2]。研究區(qū)監(jiān)測出涉及岸線管理相關問題11 處，其中4 處為岸線建設，河岸的自然岸線遭受人為破壞并進行建設活動；7 處為岸線破壞，原河岸的自然岸線受人為破壞裸露出地表（圖3b）。通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測河湖岸線，對于穩(wěn)定河勢，保障行洪安全與供水安全，維護河湖健康生命具有重要意義。

圖3 水域岸線管理遙感監(jiān)測

3.3 水污染防治

3.3.1 排污口遙感監(jiān)測

一條河流是否健康，入河廢污水排放量是其中一個很重要的制約因素，管好入河排污口是抓住解決江河湖庫水污染的關鍵。研究區(qū)監(jiān)測出1 處工業(yè)廢水排污口，該排污口為河道周邊一瓷器廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水對河流的直接排放（圖4a）。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測排污口，為加強入河排污口監(jiān)督管理，保護水資源，促進水資源可持續(xù)利用提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2 水面養(yǎng)殖遙感監(jiān)測

通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測，研究區(qū)內(nèi)共有水面養(yǎng)殖13 處。水面養(yǎng)殖主要為水產(chǎn)養(yǎng)殖，包含網(wǎng)箱養(yǎng)殖和圍欄養(yǎng)殖，研究區(qū)監(jiān)測的水面養(yǎng)殖主要為浮式網(wǎng)箱養(yǎng)殖（圖4b）。水產(chǎn)養(yǎng)殖在獲得經(jīng)濟利益的同時，也造成了嚴重的環(huán)境污染，大量殘餌、魚藥及病死魚的亂處理造成水環(huán)境破壞。近年來，全國打擊非法水產(chǎn)養(yǎng)殖越來越嚴厲，各地政府不斷加強對非法養(yǎng)殖的治理措施，確保河道水生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)安全，維護漁業(yè)秩序穩(wěn)定。利用衛(wèi)星遙感技術，可以快速、高效地對水面養(yǎng)殖進行動態(tài)監(jiān)測，為非法水產(chǎn)養(yǎng)殖的治理提供客觀證據(jù)。

3.3.3 工礦企業(yè)遙感監(jiān)測

工礦企業(yè)包含工業(yè)和采礦業(yè)，河道周邊的工礦企業(yè)有可能通過地面、地下的方式將廢水排入河道中，或排放傾倒工業(yè)或礦業(yè)廢渣，對河流水質(zhì)造成污染。研究區(qū)監(jiān)測河道水面緩沖1公里范圍內(nèi)共有工礦企業(yè)26 處，利用衛(wèi)星遙感技術對河道周邊的工礦企業(yè)進行持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，有效防治工礦企業(yè)廢水、廢渣的違法排放，促進社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展（圖4c）。

圖4 水污染防治遙感監(jiān)測

3.4 專項整治

“僵尸船”不但影響河流流域風貌，更嚴重影響城區(qū)行洪及其他橋梁的安全。采用傳統(tǒng)的地面調(diào)查監(jiān)測范圍受局限，結果受客觀影響大，且時效性差，人力物力消耗大，衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍廣、速度快，反映問題客觀、準確且可長期動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢?；谛l(wèi)星遙感技術，研究區(qū)監(jiān)測出“僵尸船”27 處，為相關執(zhí)法部門及時清除“僵尸船”安全污染的隱患，確保河道水域防洪、航運、生態(tài)安全提供決策依據(jù)（圖5）。

圖5 僵尸船遙感監(jiān)測

4 結論

河長制是對水環(huán)境行政治理模式的創(chuàng)新，河長制的實施對保護江河湖泊具有重要意義。衛(wèi)星遙感監(jiān)測是一種科學化、精細化、系統(tǒng)化的監(jiān)督管理，能有效提高水利信息化水平，在河長制實施過程中發(fā)揮重要作用。但本文在河長制遙感監(jiān)測研究過程中發(fā)現(xiàn)，高分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星影像對排污口、河道垃圾等較小面積的要素很難準確監(jiān)測到，因此，如何進一步研究衛(wèi)星遙感技術在河長制工作中的應用，最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢，切實提升河湖治理成效，保障河道健康發(fā)展，值得深入研究和探討。