遙感與無(wú)人機(jī)技術(shù)在湖南省河湖管理中的綜合應(yīng)用

張曉斌，喬 祺，石 林

（1.湖南省洞庭湖水利事務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙410007；2.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007）

自湖南省實(shí)施河長(zhǎng)制以來(lái)，省委、省政府將全面推行河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制納入生態(tài)強(qiáng)省、建設(shè)美麗富饒新湖南的重要內(nèi)容，全省各地以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導(dǎo)向，水資源管理不斷加強(qiáng)，水環(huán)境質(zhì)量不斷優(yōu)化，河湖管護(hù)機(jī)制日趨健全，河湖管理工作取得了階段性勝利。

但近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，資源環(huán)境可持續(xù)利用壓力日趨增大，河湖管理已演變?yōu)槎嘁蛩?、多方位、多視角、多主體的復(fù)雜問(wèn)題。設(shè)立監(jiān)測(cè)站、建立測(cè)報(bào)系統(tǒng)、定期巡邏等傳統(tǒng)措施存在著信息傳輸發(fā)布不及時(shí)、人力物力消耗大、分析方法簡(jiǎn)單粗略、各區(qū)域連通性差、缺乏智能的決策方法等弊端，已不能滿足新形勢(shì)下河湖管理需求，必須依靠各種科技手段，并統(tǒng)一統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)規(guī)劃、配合運(yùn)用，完善基礎(chǔ)設(shè)施體系與制度建設(shè)，實(shí)現(xiàn)河湖水系各類特征數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析、展示、上傳等功能，全面支撐河湖要素的全面感知與及時(shí)預(yù)警。

本文以遙感技術(shù)與無(wú)人機(jī)為例，探討兩者在湖南省河湖管理中的綜合應(yīng)用，為提升湖南省河湖管理信息化與智能化提供應(yīng)用實(shí)例。

1 遙感技術(shù)與無(wú)人機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)是指從高空或外層空間接收來(lái)自各類地物發(fā)出的電磁波信息，并利用一定手段對(duì)這些信息進(jìn)行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對(duì)各類地物或現(xiàn)象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控測(cè)和識(shí)別的現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)[1]。

遙感技術(shù)受限條件少，可大范圍獲取數(shù)據(jù)資料且不受地形地物阻隔的影響，它不僅能獲得地物可見(jiàn)光波段的信息，還能獲得紫外、紅外、微波等波段的信息[2]。遙感通常為瞬時(shí)成像，及時(shí)獲取所測(cè)目標(biāo)物的最新資料，便于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)目標(biāo)地物的變化規(guī)律過(guò)程及規(guī)律。遙感技術(shù)提供了大量實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速、廉價(jià)的地理信息，為各種自然、社會(huì)現(xiàn)象及其分布規(guī)律的研究帶來(lái)了“質(zhì)”的改變。

1.2 無(wú)人機(jī)技術(shù)

無(wú)人機(jī)是一種無(wú)人駕駛飛行器，不與目標(biāo)地面物體直接接觸[3]。無(wú)人機(jī)技術(shù)最早用于軍事領(lǐng)域，后來(lái)逐漸演化并用于各類測(cè)量、研究、生產(chǎn)等民用領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由三個(gè)方面組成：飛機(jī)飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及地面控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比能夠基本克服交通不暢、惡劣天氣等不利因素，既可以利用自身高視角寬尺度的飛行和機(jī)載遙感設(shè)備來(lái)進(jìn)行地面拍攝，又可以借助其靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)結(jié)合相關(guān)技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的快速實(shí)時(shí)傳輸和后期局部數(shù)據(jù)建模分析，且操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本更加低廉，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)措施消耗大、效率低、精度差等不足。

2 水利工程劃界中的綜合應(yīng)用

2020年3月23日，湖南省水利廳與湖南省自然資源廳發(fā)布了《關(guān)于做好全省水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作的通知》（湘水發(fā)〔2020〕8號(hào)），要求在2020年底前基本完成全省國(guó)有大中型和重點(diǎn)小型水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作；2021年底前完成其他規(guī)模以上水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作。

在內(nèi)業(yè)作業(yè)時(shí)通過(guò)收集的水利基本信息、已有大比例尺地形圖資料和衛(wèi)星遙感影像資料，進(jìn)行水利工程的地形和水文分析，通過(guò)地形和影像的疊加，制作初步的水利管理與保護(hù)范圍劃線工作底圖。對(duì)于缺少大比例尺地形圖或者高分辨率影像資料的地區(qū)，采用無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)航飛的方式獲取測(cè)區(qū)范圍DOM影像資料，進(jìn)行工作地圖的制作劃界。本次劃界工作結(jié)合1∶2 000數(shù)字正射影像和1∶2 000數(shù)字線劃圖，制作水利工程管理與保護(hù)范圍劃界的工作底圖。

以郴州市蘇仙區(qū)水利工程劃界工作為例，工作底圖與目前的水利工程現(xiàn)狀有5年的時(shí)間間隔，部分水利工程的工程結(jié)構(gòu)及周圍建筑環(huán)境發(fā)生了較大變化。因此，為補(bǔ)充采集水庫(kù)管理所的范圍及其布局、庫(kù)區(qū)內(nèi)的建筑物和溢洪道等要素信息，采用無(wú)人機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料分析的形式，使得水利工程劃界工作成果更為嚴(yán)謹(jǐn)可靠。

通過(guò)分析底圖和現(xiàn)在運(yùn)行的水利工程的差異，劃界對(duì)象中的雷溪河堤防和水閘、飛天新城堤防均為近幾年實(shí)施的工程（2016年以后），劃界底圖為2014年10月航拍成果，為了明確這些水利工程的管理與保護(hù)范圍線，通過(guò)無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)航拍，圖像配準(zhǔn)、幾何校正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等過(guò)程，更新了部分工作底圖，更新前后的地圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 更新前的工作底圖

圖3 更新后的工作底圖

此外，通過(guò)遙感技術(shù)與GIS技術(shù)配合可建立精確的地理信息系統(tǒng)管理服務(wù)平臺(tái)，依靠建設(shè)的水利劃界范圍和保護(hù)范圍數(shù)據(jù)庫(kù)以及基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)水利工程管理保護(hù)范圍劃定工作的程序式管理，為建立全省水利信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供支持，有利于對(duì)劃界成果實(shí)行信息化動(dòng)態(tài)管理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)河湖及水利工程現(xiàn)代化管理。

3 “清四亂”中的綜合應(yīng)用

河湖管理中的“四亂”指亂占、亂采、亂堆、亂建四類[4]。實(shí)施“河長(zhǎng)制”之前的河湖水域監(jiān)管，主要采用人工巡查、督查、測(cè)量、群眾舉報(bào)等傳統(tǒng)方式，準(zhǔn)確性難以保證，效率低且人力成本較高，違法占用水域現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，很難滿足現(xiàn)代管控的需求。

高分辨率遙感影像通過(guò)處理生成正射影像，再經(jīng)過(guò)預(yù)處理，消除或減弱噪聲和尖銳性噪聲，采用數(shù)值微分糾正等方法進(jìn)行正射校正、信息增強(qiáng)、融合、鑲嵌等處理。

目前河湖“四亂”問(wèn)題可采用人工目視解譯、計(jì)算機(jī)解譯以及兩者結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)[5]。人工目視解譯需根據(jù)水體光譜特性與其它地物的差異，對(duì)河湖管理保護(hù)范圍內(nèi)存在的亂占、亂采、亂堆、亂建問(wèn)題識(shí)別出來(lái)。該方法對(duì)解譯人員的綜合素質(zhì)和解譯經(jīng)驗(yàn)要求較高，人力資源消耗大且效率較低，但解譯精度較高。計(jì)算機(jī)解譯是基于遙感影像算法的自動(dòng)識(shí)別方法，首先建立訓(xùn)練樣本庫(kù)，然后采用光譜特性分析方法進(jìn)行算法解譯。“清四亂”工作采用人工解譯與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式，在計(jì)算機(jī)輔助解譯的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工目視解譯，既可大大提高解譯效率，又能對(duì)地物反射特性復(fù)雜的區(qū)域，進(jìn)行人工甄別，避免誤判，保證解譯精度。

對(duì)已收集到的影像進(jìn)行整理匯總分析，按照“四亂”分類，建立遙感信息數(shù)據(jù)庫(kù)名錄，精確顯示每個(gè)問(wèn)題“四亂”的類型、位置、面積及所屬管轄單位（河段）信息，描述問(wèn)題區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化信息。再根據(jù)區(qū)域地形、水文、植被情況、水體利用現(xiàn)狀等特征信息，建立典型地物解譯標(biāo)志，最終通過(guò)外業(yè)調(diào)查，對(duì)遙感發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行一一驗(yàn)證。同一地點(diǎn)亂建民房問(wèn)題遙感解譯圖片與現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)如圖4、圖5所示。

圖4 亂建問(wèn)題遙感解譯

圖5 亂建問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)核查

2019年湖南省水利廳河湖管理處組織了開(kāi)展“四亂”問(wèn)題的衛(wèi)星遙感核查工作，并于2019年4—5月分三批向各市州交辦遙感發(fā)現(xiàn)疑似河湖“四亂”問(wèn)題1 258個(gè)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，確認(rèn)540個(gè)問(wèn)題屬實(shí)。

4 河長(zhǎng)巡河中的綜合應(yīng)用

傳統(tǒng)的人力巡河方式，由于行程和時(shí)間受限，數(shù)據(jù)采集不夠，巡河結(jié)果往往缺乏全面性與科學(xué)性，利用無(wú)人機(jī)與衛(wèi)星遙感影相互輔助與配合，構(gòu)建立體化監(jiān)控體系，不僅能為河長(zhǎng)巡河提供極大的便利，還能對(duì)敏感區(qū)域和重點(diǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化智能監(jiān)管。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)范圍廣，獲取信息全面，但受時(shí)效性與解譯成本限制，遙感技術(shù)對(duì)于亂排、亂堆等較小目標(biāo)，可能無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這種情況下應(yīng)充分利用無(wú)人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

目前，無(wú)人機(jī)巡河已成為河湖管理的重要趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)巡河有兩大優(yōu)勢(shì)：一是提高巡河效率，規(guī)避可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)機(jī)器的輔助真正達(dá)成巡河全覆蓋。針對(duì)違法捕魚、非法采砂等行為，體積小、速度快、隱蔽強(qiáng)的無(wú)人機(jī)可以提供有效、實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)偵查和取證，對(duì)破壞河流生態(tài)健康的行為形成有力震懾。二是生成河流數(shù)據(jù)庫(kù)，專業(yè)測(cè)繪無(wú)人機(jī)在巡河的同時(shí)，開(kāi)展全河段適航掃描，生成含有匹配Pos數(shù)據(jù)的DOM影像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可以搭建河湖問(wèn)題信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

河長(zhǎng)巡河過(guò)程中，利用無(wú)人機(jī)獲取河道高清視頻和全景圖片，可有效進(jìn)行污染源、排污口、非法占用河道建筑物、水面及岸線垃圾等排查，提取監(jiān)測(cè)對(duì)象的地理位置、特征坐標(biāo)、視頻、全景等數(shù)據(jù)，并上傳至湖南省河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制工作綜合管理信息系統(tǒng)，初步形成疑似問(wèn)題清單。無(wú)人機(jī)巡河拍攝圖片如圖6、圖7所示。

巡河結(jié)束后，結(jié)合衛(wèi)星遙感影像對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深度識(shí)別。通過(guò)不同時(shí)期遙感影像對(duì)比，收集河岸帶變化、水域面積變化、水體污染等信息，數(shù)字化解析問(wèn)題發(fā)生前、中、后的全時(shí)間序列，深入、全面地了解非法行為實(shí)施的全過(guò)程，追根溯源最大程度地剖析問(wèn)題，為行政執(zhí)法提供便利。

將遙感影像與無(wú)人機(jī)巡查發(fā)現(xiàn)的疑似問(wèn)題與河長(zhǎng)、河湖管理部門日常巡查發(fā)現(xiàn)上報(bào)的問(wèn)題進(jìn)行比對(duì)，互相驗(yàn)證和補(bǔ)充。通過(guò)問(wèn)題比對(duì)與核實(shí)，完善全省河湖問(wèn)題清單。為河湖管理相關(guān)管理部門提供宏觀輔助決策支持，較于傳統(tǒng)方法，河湖管控效率有了大幅提升。

圖6 無(wú)人機(jī)巡河拍攝圖片（a）

圖7 無(wú)人機(jī)巡河拍攝圖片（b）

5 結(jié)論

本文立足于現(xiàn)代科技手段在湖南省河湖管理中的應(yīng)用，以遙感技術(shù)與無(wú)人機(jī)技術(shù)為例，發(fā)揮其各自特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，相互輔助與配合，打造了現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)在河湖管理綜合應(yīng)用的范例，為提升湖南省河湖管理效率、加快“河長(zhǎng)制”信息化與現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)全省科技治水管水提供參考。

資助項(xiàng)目：“河長(zhǎng)制”背景下的河湖管理實(shí)用技術(shù)研究（湘水科計(jì)[2017]230-31）。