衛(wèi)星遙感技術(shù)在河湖監(jiān)管中的應(yīng)用與展望

文 | 黃詩峰 孫亞勇 胡夢成 張瑞

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

一、前言

江河湖泊具有重要的資源功能和生態(tài)功能，是洪水的通道、水資源的載體、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。當(dāng)前我國河湖存在著水域面積萎縮、管理范圍侵占、生態(tài)用水不足、水體污染嚴(yán)重等突出問題，人民群眾對水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足成為了我國目前治水的主要矛盾。根據(jù)新時代水利改革發(fā)展的總基調(diào)要求，河湖監(jiān)管工作已是“水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的重中之重[1]。但是，由于江河湖泊眾多，并受限于監(jiān)管手段有限等因素，河湖水資源管理、河湖資源保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、長效管護(hù)、監(jiān)管執(zhí)法等方面的工作相對滯后。

相比傳統(tǒng)監(jiān)管手段存在不高效、不全面、不及時、不精確等問題，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、快速、動態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)對大范圍的河湖狀態(tài)全天候全天時的動態(tài)監(jiān)測。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，為開展河湖管理動態(tài)監(jiān)控、加強(qiáng)河湖管理提供了有效途徑。

二、衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展及水利應(yīng)用現(xiàn)狀

衛(wèi)星遙感技術(shù)是以人造地球衛(wèi)星作為遙感平臺，對地球和低層大氣進(jìn)行光學(xué)和電子觀測的技術(shù)，具有觀測范圍廣、獲取信息量大、動態(tài)更新快等特點(diǎn)，很早就引起各國重視。美國早在1961年就發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星，其后1972年、1978年又先后發(fā)射了第一顆陸地衛(wèi)星和第一顆海洋衛(wèi)星，當(dāng)前民用遙感衛(wèi)星中空間分辨率最高的也是美國的世界觀測衛(wèi)星（WorldView），其影像空間分辨率達(dá)到0.31m。歐盟、俄羅斯、日本、加拿大等國家和組織相繼發(fā)射了一系列遙感衛(wèi)星，如歐洲航天局哨兵（Sentinel）系列衛(wèi)星、俄羅斯資源（Resurs）系列衛(wèi)星、日本的先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星（ALOS）、加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星（Radarsat）等。我國遙感衛(wèi)星的發(fā)展晚于歐美先進(jìn)國家，1988年發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號（FY-1），1999年發(fā)射第一顆數(shù)字傳輸型資源衛(wèi)星中巴地球資源衛(wèi)星01星（CBERS-01），其后遙感衛(wèi)星發(fā)展進(jìn)入快車道，先后成功發(fā)射了氣象、資源、海洋、環(huán)境減災(zāi)、測繪等系列遙感衛(wèi)星[2]。特別是2010年以來，通過高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)，我國先后發(fā)射高分一號到高分七號7顆衛(wèi)星，同時民用商業(yè)遙感衛(wèi)星如高景一號、北京二號、吉林一號、珠海一號等也紛紛升空，具有高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率的對地觀測體系初步形成，可在2～3天內(nèi)實(shí)現(xiàn)對全國任意地區(qū)有效觀測，對地觀測能力大大增強(qiáng)。

豐富的國產(chǎn)遙感衛(wèi)星資源極大地推動了遙感應(yīng)用的深度和廣度，也為水利遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。尤其是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)的實(shí)施，有力支撐了防汛抗旱、水資源管理、水土保持等業(yè)務(wù)，促進(jìn)了自主衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在水利領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。在防洪方面，基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，開展了2013年黑龍江大洪水，2016年長江中下游洪澇災(zāi)害，2018年金沙江、雅魯藏布江堰塞湖及2020年江西、安徽特大洪澇災(zāi)害等衛(wèi)星遙感監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對災(zāi)情的快速、及時、動態(tài)的監(jiān)測；在抗旱方面，開發(fā)了水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全國旱情的定期遙感監(jiān)測；在水資源方面，基于衛(wèi)星遙感開展了示范區(qū)重要水源地水體范圍監(jiān)測、重要水源地蓄水量估算、水功能區(qū)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測以及灌溉面積監(jiān)測等工作；在水土保持方面，遙感技術(shù)也成為土壤侵蝕監(jiān)測評價、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管、水土保持效益評價三大業(yè)務(wù)的支撐技術(shù)。

三、衛(wèi)星遙感技術(shù)在河湖監(jiān)管中的應(yīng)用

我國地理氣候條件特殊，水系復(fù)雜，隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，河湖管理保護(hù)新老問題交織，生態(tài)環(huán)境問題十分突出。2016年以來，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳先后印發(fā)了《關(guān)于全面推行河長制的意見》《關(guān)于在湖泊實(shí)施湖長制的指導(dǎo)意見》，在全國江河湖泊全面推行河長制、湖長制，建立地方黨政領(lǐng)導(dǎo)牽頭的河湖管理保護(hù)責(zé)任體系和相應(yīng)的制度體系，有力推進(jìn)河湖治理保護(hù)各項(xiàng)工作，調(diào)動地方政府履行河湖管理、保護(hù)主體責(zé)任，促進(jìn)河湖庫管理有人、管得住、管得好，解決中國復(fù)雜水問題?？焖侔l(fā)展的遙感技術(shù)具有快速、客觀、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，能夠?yàn)楹雍O(jiān)測提供重要支撐。

1.江河湖泊水體遙感監(jiān)測

地表水體監(jiān)測對于防汛抗旱以及水資源、生態(tài)和環(huán)境的保護(hù)都起著極其重要的作用。衛(wèi)星遙感可以快速獲得廣大地區(qū)全面、客觀、準(zhǔn)確的河流、水庫、湖泊等地表水體信息，可以克服傳統(tǒng)手段高投入、長周期、低效率的缺點(diǎn)。對于光學(xué)衛(wèi)星遙感影像，天然水體的反射率在可見光范圍內(nèi)總體上比較低，且隨著波長增大逐漸降低，在藍(lán)綠光波段水體反射率約4%～5%，在近紅外波段最低，幾乎完全吸收。因此水體在遙感影像上呈暗色調(diào)，水陸界線相對比較清楚?；谶@一水體光譜特點(diǎn)，可采用歸一化水體指數(shù)（NDWI）來提取水體信息。對于雷達(dá)衛(wèi)星影像，水體后向散射強(qiáng)度弱，水體灰度值小。平坦水面在雷達(dá)影像上通常表現(xiàn)為黑色，與其他地物有著較為明顯的區(qū)別。基于這一水體影像特征，一般采用閾值法即可快速提取水體。閾值的確定主要有經(jīng)驗(yàn)法、雙峰法以及最大類間方差法等，其中最大類間方差法具有精度高、不用人工干預(yù)等特點(diǎn)，使用最廣[3]。圖1為鄱陽湖水體遙感監(jiān)測專題圖。

圖1 鄱陽湖水體面積遙感監(jiān)測專題圖

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，可用于水體提取的遙感影像數(shù)據(jù)源越來越多，大范圍快速水體提取技術(shù)日益成熟。采用遙感技術(shù)監(jiān)測江河湖泊面積的變化，一方面可以從自然的角度來探求江河湖泊面積的年內(nèi)和年際變化的規(guī)律和趨勢，分析人類活動對于地表自然水體的影響，以及更好地通過流域管理來保護(hù)河流湖泊。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測可對河流、湖泊、水庫進(jìn)行監(jiān)測和識別，對保護(hù)生態(tài)健康具有重要意義。

2.河湖岸線和河口遙感監(jiān)測

河湖岸線和河口是河湖監(jiān)管重要內(nèi)容，衛(wèi)星遙感技術(shù)是河湖岸線及河口變化監(jiān)測與調(diào)查評價的重要支撐技術(shù)[4]。河道水沙變化會引起河道沖淤和地貌變化，河道采砂也會導(dǎo)致河勢發(fā)生變化，在國際界河上河道中泓線的變化還會引起國土面積的變化。因此河湖岸線及河勢變化遙感監(jiān)測一直是水利遙感研究的問題之一。圖2為黑龍江的局部河道及江心洲岸線遙感監(jiān)測專題圖，從中可以看出，河道岸線及江心洲變化非常明顯。另外，河口作為陸地和海洋的交匯處，在徑流、潮流、風(fēng)浪流等水動力因素的相互作用下，一方面使泥沙輸移、擴(kuò)散和沉積，另一方面還對局部河床產(chǎn)生沖刷作用，從而使河床地形以及平面邊界發(fā)生變化。黃河、長江及珠江等河口變化均較大。北方黃河因多沙，河口以淤積為主，河口三角洲也是我國新增濕地最多的區(qū)域。南方珠江有八個入海水道，八大口門近幾十年來變化也非常大。河口地區(qū)遙感動態(tài)監(jiān)測可為河口治理提供重要依據(jù)。

圖2 黑龍江某河段河道淤積及江心洲演變監(jiān)測

3.江河湖泊水污染遙感監(jiān)測

水污染監(jiān)測與治理是河湖管理中的重要方面，加強(qiáng)水污染監(jiān)測對維系河湖健康、推進(jìn)綠色可持續(xù)發(fā)展、保障區(qū)域水安全具有重要意義。近年來，隨著我國加大河湖治理力度，總體上河湖水質(zhì)明顯改善，但是局部地區(qū)、局部水域的水環(huán)境污染情況仍比較嚴(yán)重。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以反演水體中葉綠素a、懸浮物濃度、濁度等水質(zhì)指標(biāo)，在大范圍水污染事件監(jiān)測方面有突出優(yōu)勢，近年來廣泛應(yīng)用于對水華、黑臭水體等水色特征明顯的污染事件監(jiān)測。藍(lán)藻作為水華的一種，在我國南方內(nèi)陸湖泊時有爆發(fā)，是水體富營養(yǎng)化后表現(xiàn)出地藻類超常生長的一種水生態(tài)失衡的現(xiàn)象。正常水體在紅光-近紅外-短波紅外波段是強(qiáng)吸收，而藍(lán)藻水華在近紅外的反射率要遠(yuǎn)大于紅光和短波紅外波段，使水體光譜表現(xiàn)出與植被光譜相似的特征。可采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）或者浮游藻類指數(shù) （FAI）來提取藍(lán)藻。

基于遙感技術(shù)的水華監(jiān)測已經(jīng)成為部分湖庫水源地水華、藍(lán)藻監(jiān)測的主要手段，很好地支撐了水華、藍(lán)藻治理工作。圖3 為巢湖藍(lán)藻衛(wèi)星遙感監(jiān)測專題圖。

圖3 巢湖藍(lán)藻遙感監(jiān)測專題圖（2020年3月17日）

另外，黑臭水體是城市河道、湖泊的一種主要水色污染現(xiàn)象，是城市河湖水污染整治的重點(diǎn)。目前，由于黑臭水體常發(fā)生在城市小河道、湖泊、坑塘中，需要高分辨率影像觀測，黑臭水體遙感監(jiān)測尚未形成成熟的業(yè)務(wù)監(jiān)測能力，監(jiān)測手段仍以地面人工調(diào)查為主。隨著高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)源的豐富，衛(wèi)星遙感在城市黑臭水體監(jiān)測中越來越能夠發(fā)揮重要的作用。

4.江河湖泊疑似違法遙感監(jiān)測

遙感技術(shù)很早就應(yīng)用于土地執(zhí)法監(jiān)察、城市規(guī)劃執(zhí)法監(jiān)察中。近年來，隨著各類水事活動更加頻繁, 水事違法案件日漸增多, 傳統(tǒng)的水政監(jiān)察執(zhí)法手段的不足和弊端日益凸顯，遙感技術(shù)在水政監(jiān)察中得到廣泛應(yīng)用[5-6]。非法侵占水域?yàn)┑?、非法采砂、非法堆放固體廢棄物、非法排污以及河道內(nèi)建設(shè)非法建筑物等違法行為，嚴(yán)重影響河湖生態(tài)健康?；诙嘣磩討B(tài)遙感數(shù)據(jù)，利用河湖及周邊地區(qū)變化檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對江河湖泊疑似違法的快速監(jiān)測，為水政執(zhí)法提供支撐。中國水利水電科學(xué)研究院與湖北省合作開展的湖北省湖泊遙感監(jiān)測工作，利用遙感影像和影像識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對湖北省湖泊動態(tài)監(jiān)測，分別采用優(yōu)于6m分辨率的全色（光）影像圖和優(yōu)于2.5m分辨率全色（光）影像圖對湖北省755個湖泊和22個重點(diǎn)湖泊的岸線、保護(hù)區(qū)、控制區(qū)及湖體內(nèi)物體進(jìn)行監(jiān)測和分析，對識別的異常情況進(jìn)行分析、判斷、存儲，并將告警提示同步顯示在平臺和手持終端設(shè)備上，同時實(shí)現(xiàn)對執(zhí)法過程的遠(yuǎn)程記錄和監(jiān)督。該項(xiàng)目將衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用到湖泊執(zhí)法監(jiān)測中，在全國水利系統(tǒng)開創(chuàng)先例。圖4為湖北省湖泊違法事件衛(wèi)星遙感監(jiān)測專題圖。

圖4 湖北某湖泊疑似違法遙感監(jiān)測

水利部自2018年7月開始，在全國范圍內(nèi)部署對亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖突出問題開展專項(xiàng)清理整治行動，要求對第一次全國水利普查流域面積1000km2以上河流、水面面積1km2以上湖泊的“四亂”問題進(jìn)行全面摸查和清理整治。水利部信息中心聯(lián)合黃委、長委、珠江委相關(guān)單位采用高分辨率遙感技術(shù)開展河湖“清四亂”遙感監(jiān)管，取得良好效果。目前“清四亂”專項(xiàng)行動已轉(zhuǎn)化為常態(tài)工作。

四、發(fā)展趨勢與未來展望

（1）河湖遙感監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)一步豐富和完善

長期以來，一些地方圍墾湖泊、侵占水域、超標(biāo)排污、違法養(yǎng)殖、非法采砂，造成河湖面積萎縮、水域空間減少、水質(zhì)惡化、生物棲息地破壞等問題突出，河湖功能嚴(yán)重退化。衛(wèi)星遙感不僅能為河流湖泊動態(tài)變化監(jiān)測提供支撐，還能為洪澇災(zāi)害、水文水質(zhì)等方面提供重要支撐。未來將進(jìn)一步推進(jìn)衛(wèi)星遙感在河湖岸線、水資源、水質(zhì)、水生態(tài)等方面的工作，挖掘衛(wèi)星遙感的應(yīng)用潛力, 提高河流湖泊監(jiān)測和服務(wù)生態(tài)環(huán)境的能力。

（2）多星組網(wǎng)與空天地一體化提升河流湖泊遙感監(jiān)測能力

遙感數(shù)據(jù)是遙感信息服務(wù)的根本，及時全面的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于衛(wèi)星自身的物理性能限制，高空間分辨率和時間分辨率是一對矛盾體，往往不可兼得。目前，高分辨率光學(xué)衛(wèi)星在南方多云多雨地區(qū)實(shí)現(xiàn)高頻次有效覆蓋上尚存在一定的困難，大范圍高頻次衛(wèi)星遙感影像的獲取是目前遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用的瓶頸問題。隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，遙感對地觀測網(wǎng)絡(luò)正在形成高、中、低軌道相結(jié)合，大、中、小衛(wèi)星協(xié)同，可以獲取高、中、低分辨率互補(bǔ)的遙感數(shù)據(jù)源。為應(yīng)對未來大范圍河湖監(jiān)測需求，需要發(fā)展不同時相、不同空間分辨率、不同光譜、不同傳感器類型聯(lián)合協(xié)同觀測，提升衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的保障能力。

（3）遙感大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)將提升河湖遙感監(jiān)測精度與效率

目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)正朝著高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率方向發(fā)展，遙感影像數(shù)據(jù)量越來越大，如何快速、高效提取河湖監(jiān)管信息成為難題。以遙感大數(shù)據(jù)為支撐的信息挖掘技術(shù)以及以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能，將成為河湖遙感監(jiān)管的支撐技術(shù)，替代傳統(tǒng)的目視解譯與影像分類技術(shù)。

（4）遙感技術(shù)為河湖長制提供技術(shù)支撐

河湖長制是中央貫徹落實(shí)綠色發(fā)展理念的一項(xiàng)重要舉措，全面推行河湖長制、加強(qiáng)河湖管理，事關(guān)生態(tài)安全，事關(guān)人民福祉。截至2018 年年底，全國已全面建立了河長制湖長制，設(shè)立了各級河湖長及河長辦，建立了河湖監(jiān)管的相關(guān)制度，探索形成了明察暗訪相結(jié)合的監(jiān)管方式，為推進(jìn)水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管搭建了重要基礎(chǔ)平臺。目前，河湖長制工作進(jìn)入從“有名”向“有實(shí)”轉(zhuǎn)變的重要階段，客觀、經(jīng)濟(jì)、高效的監(jiān)管手段至關(guān)重要。毫無疑問，遙感技術(shù)，包括衛(wèi)星和無人機(jī)遙感，將為河湖長制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。