3S技術(shù)在浙江省水域調(diào)查項目中的應(yīng)用

丁遵隆，杜 贇

（臺州市水利水電勘測設(shè)計院，浙江 臺州 318000）

1 問題的提出

2005年，浙江省組織完成了全省水域調(diào)查，為浙江省的水域保護(hù)管理工作提供重要的基礎(chǔ)資料，但限于當(dāng)時的技術(shù)水平及調(diào)查手段，調(diào)查成果多以圖表形式表達(dá)及儲存，沒有形成完整的水域信息管理系統(tǒng)。近年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化推進(jìn)，各類建設(shè)項目占用一定數(shù)量的水域，舊水利規(guī)劃不能與國土規(guī)劃、城市建設(shè)相適應(yīng)。另一方面，由于浙江省水利工程建設(shè)及河湖治理的大力開展，使水域有了一定程度的增加和位移，原有水域調(diào)查成果已不能真正反映水域現(xiàn)狀。

《浙江省水域保護(hù)辦法》于2019年5月1日起施行，重新界定了水域的范疇，并對水域保護(hù)管理工作提出新的要求，明確要開展水域保護(hù)規(guī)劃編制、重要水域名錄公布、建立統(tǒng)一的水域信息管理系統(tǒng)、定期對水域動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評價等，這些都需要系統(tǒng)地開展一次水域調(diào)查，進(jìn)一步摸清全省水域家底。現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)成果的應(yīng)用為水域調(diào)查提供了良好的工作基礎(chǔ)和調(diào)查手段，特別是以遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)為代表的“3S”技術(shù)(以下簡稱“3S技術(shù)”)，為水域調(diào)查實現(xiàn)坐標(biāo)定位、信息數(shù)據(jù)處理并建立全省統(tǒng)一的水域信息管理系統(tǒng)、定期對水域動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評價創(chuàng)造條件。

當(dāng)前，3S技術(shù)在國民經(jīng)濟建設(shè)、國家安全保障、資源環(huán)境管理以及災(zāi)害監(jiān)測上發(fā)揮著重要作用，同時也為科學(xué)研究、社會生產(chǎn)提供新一代的觀測手段、描述語音和思維工具[1]。目前，國內(nèi)有關(guān)水域調(diào)查的相關(guān)文獻(xiàn)較少，本文介紹3S技術(shù)在水域調(diào)查中的應(yīng)用，旨在為相關(guān)行業(yè)及工作有一點參考，也為更多地區(qū)開展水域調(diào)查提供一種思路。

2 水域調(diào)查技術(shù)路線

水域調(diào)查，是以GIS數(shù)據(jù)庫建庫為目的的各類水域空間信息采集及基礎(chǔ)屬性錄入。水域調(diào)查的主要工作內(nèi)容為資料準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理、內(nèi)業(yè)勾繪加外業(yè)調(diào)繪補充、空間分析和數(shù)據(jù)庫建立。水域調(diào)查流程見圖1。調(diào)查方法主要有3種：現(xiàn)有成果經(jīng)復(fù)核采用、地形圖解析和影像判繪、外業(yè)實地調(diào)查和測量。

圖1 水域調(diào)查流程圖

2.1 資料準(zhǔn)備

水域調(diào)查資料包括高分辨率遙感影像、第三次國土調(diào)查初步成果、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和部分在建重要水利工程規(guī)劃水域管理范圍線。

基礎(chǔ)底圖采用國家基礎(chǔ)測繪比例尺地形圖，市、區(qū)采用1:2 000比例尺，河道上游山區(qū)采用1:10 000比例尺地形圖。航拍影像資料要求優(yōu)于0.2 m分辨率（若缺少則采用優(yōu)于0.5 m分辨率衛(wèi)星影像資料）進(jìn)行校核，航拍影像現(xiàn)勢性不超過3 a，衛(wèi)星影像資料現(xiàn)勢性不超過1 a。第三次全國土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為補充資料。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 遙感影像處理

高分辨率遙感影像是通過遙感技術(shù)獲得的地球表面客體或事物的圖像，需要通過處理生成正射影像，由于獲取多源數(shù)據(jù)傳感器的因素，一些遙感圖像中出現(xiàn)周期性的噪聲，因此應(yīng)首先進(jìn)行預(yù)處理，消除或減弱周期性的噪聲和尖銳性噪聲，除壞線和條帶，對薄云減弱處理。同時由于太陽高度角的原因，有些圖像出現(xiàn)山體陰影，采用比值法消除。對遙感影像采用數(shù)值微分糾正的方法進(jìn)行正射校正、信息增強、融合、鑲嵌等處理，并同時保留影像鑲嵌線矢量文件[2]。

2.2.2 三調(diào)初步成果數(shù)據(jù)提取

三調(diào)初步成果中土地利用類型分類詳細(xì)，但對于水域調(diào)查工作來說數(shù)據(jù)冗余，需從中提取與水域相關(guān)的地類，在ArcGIS中根據(jù)屬性表中的土地利用類型進(jìn)行篩選。

2.2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

國家基礎(chǔ)測繪比例尺地形圖為西安80坐標(biāo)系統(tǒng)或城市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，需轉(zhuǎn)換成CGCS2000坐標(biāo)系系統(tǒng)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需實地測量同名點，采用布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。

2.3 內(nèi)業(yè)勾繪加外業(yè)調(diào)繪補充

三調(diào)數(shù)據(jù)中已初步提取遙感影像中水面范圍并分類，但與水利部門實際管轄的水域范圍的概念有較大差異，因此需以高分辨率遙感影像和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)在ArcGIS中通過目視解譯和外業(yè)實地調(diào)繪相結(jié)合的方式由人工勾繪采集完成，重要水域信息缺乏或變化較大的，進(jìn)行外業(yè)實地調(diào)查和測量，最終獲得水域空間信息。

2.4 空間分析

水域基礎(chǔ)信息采集是對水域空間信息的分析和利用，賦予水域的名稱、等級、所屬流域等可以通過水域編碼將基礎(chǔ)信息、空間信息與工程信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，水域范圍、水域面積等信息可利用GIS軟件空間分析完成，例如在GIS軟件屬性表中可直接通過臨水線計算水域面積，通過河道管理范圍線獲得河道中心線計算河道長度，通過水域面積和河道長度計算河道平均寬度等。

2.5 GIS數(shù)據(jù)庫建立

水域空間信息和屬性信息采集完成后，需建立GIS數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫格式為File GeoDatabase。.gdb數(shù)據(jù)庫包括9大類圖層：河道、湖泊、水庫、山塘、人工水道、蓄滯洪區(qū)、工程、其他水域、行政界線。建庫時，需要建立拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行拓?fù)浞治觯笈袛?個坐標(biāo)點是否相同的XY容差參數(shù)為0.05 m，共邊的相鄰多邊形，組成公共邊的坐標(biāo)點在2個多邊形中記錄的坐標(biāo)值必須相同，確保相鄰多邊形之間不存在0.01 m的重疊，圖層內(nèi)部不能產(chǎn)生面自重疊，面與面之間不能互重疊，水域面與其他面圖層空間上不能重疊，水面線范圍小于或等于臨水線范圍，臨水線范圍要小于或等于水域管理范圍線范圍，涉河工程要在水域范圍附近。

3 3S技術(shù)及其在水域調(diào)查中的應(yīng)用

3.1 3S技術(shù)

3S即為全球定位系統(tǒng)GPS、地理信息系統(tǒng)GIS及遙感RS，是對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、儲存、應(yīng)用與分析的3大技術(shù)，這3大技術(shù)既獨立發(fā)展，又有著密切聯(lián)系[3]。

全球定位系統(tǒng)（GPS）是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)通過無線電與地面接收機進(jìn)行連接，獲得地面點位置、速度、時間等信息的一種技術(shù)，GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要由3部分組成，即GPS衛(wèi)星（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面部分）以及GNSS接收機，在社會發(fā)展的各等方面有著非常廣泛的應(yīng)用[4]。

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種計算機系統(tǒng)，具有輸入、存儲、查詢、分析、顯示、輸出各類地理信息數(shù)據(jù)的功能，是一種可以對空間信息進(jìn)行處理和分析的計算機工具。

遙感（RS）是一種非接觸的探測技術(shù)，通過使用傳感器，或利用物體本身的輻射、反射特性獲取目標(biāo)物體各類信息并加以利用的一門科學(xué)。

2019年浙江省水域調(diào)查，結(jié)合目前3S技術(shù)發(fā)展趨勢，以高分辨率遙感影像和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，以全球定位系統(tǒng)（GPS）和自然資源部門第三次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)（以下簡稱三調(diào)數(shù)據(jù)）作為補充，加上歷史資料的比對及現(xiàn)場實地調(diào)查，獲取水域基本信息，最后通過GIS平臺綜合各類數(shù)據(jù)，形成水域地理信息數(shù)據(jù)庫，以作為各級水利管理單位管理、決策、規(guī)劃的參考及依據(jù)。

3.2 GPS技術(shù)的應(yīng)用

目前各類航測、遙感技術(shù)發(fā)展迅速，但是對于傳統(tǒng)水利斷面及水利特征點，仍然少不了野外實地測量，而野外實地測量，特別是大范圍的野外特征點數(shù)據(jù)采集，必然要使用GPS技術(shù)。水域調(diào)查是以建立水域GIS數(shù)據(jù)庫為目的而開展的，如果采用傳統(tǒng)野外數(shù)字化測圖模式，雖然從數(shù)據(jù)管理（如分層、編碼等方面）正在逐步向GIS靠攏，但從信息量的獲取角度看，數(shù)字測圖成果與GIS之間還有一點距離。

野外數(shù)字測圖與GIS建庫在數(shù)據(jù)獲取與存儲，屬性采集方面都要有所區(qū)分，比如臨水線特征點的采集，外業(yè)采集得到的點通過數(shù)字化成圖后轉(zhuǎn)換至GIS中與實際曲線不盡相同，圖2（a）為實際河道曲線，圖2（b）為傳統(tǒng)測量與GIS數(shù)據(jù)庫成圖比較。

圖2 實際地形與地形測量成圖比較圖

臨水線特征點需要與臨水線滿足拓?fù)潢P(guān)系，臨水線特征點在地形圖中的要求即是位于臨水線上，而臨水線所屬河道岸線有無堤防，屬水庫還是河道等屬性信息無法體現(xiàn)。

GIS建庫需要采用以GIS建庫為核心的數(shù)字測圖模式，即“GIS采集前端 — GIS數(shù)據(jù)編輯與建庫 — 圖形編輯”。按照GIS的理念采集空間和屬性數(shù)據(jù)，建立GIS數(shù)據(jù)庫，并按照要求最終完成圖像的可視化編輯[5]。

3.3 RS技術(shù)的應(yīng)用

高分辨率遙感影像是通過航天遙感技術(shù)獲取的，隨著技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星影像的地面分辨率由10.0，5.0，2.0，1.0 m逐步提高，它是政府部門用于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新的主要數(shù)據(jù)源之一。高分辨率遙感影像具有地物紋理信息豐富等特點，通過高分辨率遙感影像，可以從圖像上提取地形地物信息，更高的影像分辨率意味著可以獲取的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，也更豐富。以高分辨率遙感影像為代表的RS技術(shù)，在水域調(diào)查中，經(jīng)過處理的高分辨率遙感影像可以直接獲取河道、水庫、碼頭等水域調(diào)查對象的矢量水域空間信息，大大提高水域空間信息獲取的效率，節(jié)約成本。

3.4 GIS技術(shù)的應(yīng)用

水域調(diào)查的成果是全省水域調(diào)查數(shù)據(jù)庫（GIS數(shù)據(jù)庫），并近一步完善全省水域管理信息系統(tǒng)，促進(jìn)水域管理信息系統(tǒng)開發(fā)與建設(shè)，實現(xiàn)水域基礎(chǔ)信息的數(shù)字化管理并為今后水域動態(tài)管理提供直觀的決策基礎(chǔ)，使水利管理部門可以通過水域管理信息系統(tǒng)實現(xiàn)對水域?qū)傩钥臻g數(shù)據(jù)存儲、瀏覽、查詢、統(tǒng)計、分析等功能，符合當(dāng)前社會經(jīng)濟發(fā)展發(fā)現(xiàn)和需求[6]。GIS用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和管理，將物體的空間和屬性數(shù)據(jù)互相關(guān)聯(lián)，使其更接近于真實世界的真實情況。GIS數(shù)據(jù)庫完成后，從GIS的圖形和屬性庫中，可以發(fā)現(xiàn)各類目標(biāo)之間相連（河道支流匯入河道干流）、相鄰（界河與行政界線）及共生關(guān)系（碼頭與河道的關(guān)系），GIS數(shù)據(jù)庫的拓?fù)湟?guī)則，可以厘清省、市、縣各級河道的管理范圍，河道的起終點位置、長度，水域面積等，有效避免數(shù)據(jù)打架、交叉情況的發(fā)生。

4 全省水域信息管理系統(tǒng)

在水利水域領(lǐng)域內(nèi)，項目的管理水平與城市發(fā)展相融合的水利工程建設(shè)現(xiàn)狀矛盾突出，嚴(yán)重影響各地水利主管部門的運行效率和服務(wù)水平，建立全省水域信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)水域基礎(chǔ)信息及工程建設(shè)的數(shù)字化管理可以為今后水域動態(tài)管理提供直觀的決策基礎(chǔ)，提高水利部門管理的運行效率和管理質(zhì)量。以全省水域信息管理系統(tǒng)為平臺，大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的保存，在數(shù)據(jù)妥善保管的同時，可以使用KDD技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析，代替領(lǐng)導(dǎo)專家決策[7]。

水域信息管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與輸入，數(shù)據(jù)編輯與更新，數(shù)據(jù)存儲與管理，水域空間查詢與分析，成果展示與輸出等功能。數(shù)據(jù)編輯與更新可以采用定期更新或?qū)崟r更新相結(jié)合的方法，由縣級水行政主管部門派專人負(fù)責(zé)變更數(shù)據(jù)的獲取及提交，并形成長效管理機制，更新僅針對變化的水域，對未發(fā)生變化的水域不得擅自變更。經(jīng)審批的水域調(diào)查、水域界線變化、工程建設(shè)等情況，結(jié)合河道整治、涉水審批、執(zhí)法監(jiān)察等管理信息，及時更新相關(guān)數(shù)據(jù)庫。

5 結(jié) 語

GIS的發(fā)展趨勢是與全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS）的集成，從而構(gòu)成實時的、動態(tài)的GIS。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感的多譜段、多時相、多傳感器和多分辨率的特點，為GIS不斷注入“燃料”，反過來又可以利用GIS來支持從遙感影像數(shù)據(jù)中自動提取各類信息[8]。在水域調(diào)查及后續(xù)水域動態(tài)數(shù)據(jù)更新中，GPS以其便利獲取高精度數(shù)據(jù)優(yōu)勢作為外業(yè)精確數(shù)據(jù)獲取的主要手段；RS獲取信息量大，可以快速獲取較大范圍的監(jiān)測區(qū)域影像，影像數(shù)據(jù)分辨率高，可識別信息多，可以作為定期更新的主要技術(shù)方法；GIS數(shù)據(jù)處理功能強大，可以快速查詢水域空間信息、基礎(chǔ)信息及工程信息，并進(jìn)行分析，是后續(xù)水域管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

本文根據(jù)浙江省水域調(diào)查情況，介紹3S技術(shù)的基本情況及其在水域調(diào)查中的具體應(yīng)用，為后續(xù)其他地區(qū)的水域調(diào)查及水域管理信息系統(tǒng)建設(shè)提供參考。