黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設分析

劉道芳，陳濟民，許志輝

（黃河水利委員會信息中心，河南 鄭州 450004）

0 引言

黃河下游河道寬淺，河勢變化劇烈，特別是洪水期極易發(fā)生“橫河”“斜河”現(xiàn)象，威脅防洪安全。自新中國建立以來，河勢信息主要依靠縣級河務部門人工乘船沿河查勘獲取，一般在每年汛前、汛后進行，并手工標繪工程靠溜、靠河等河勢信息。隨著黃河遙感應用的深入，遙感逐步取代人工，成為快速獲取下游河勢的主要技術手段[1-3]。在每年汛前、汛中、汛后通過采集中高分辨率遙感影像，提取主溜線、水邊線、河道工程等信息[4-7]，疊加河務部門的人工觀測數(shù)據(jù)和水文部門的大斷面測驗資料，制作黃河下游 1∶50 000 河勢圖。通過多期河勢圖套繪，分析河勢變化，預估出險位置，為河道整治、工程布設、防洪搶險提供技術保障，為研究黃河下游河勢演變規(guī)律、灘區(qū)治理開發(fā)提供信息支持[8-10]。

為快速從遙感影像上提取河勢信息，許多學者利用遙感技術采用多種方法開展了河勢信息提取研究，涉及黃河河道水體快速提取[11]、河道主溜線快速檢測[12]及洪災監(jiān)測模型[13]等方面，取得了一些研究成果。但這些研究多限于河勢信息提取方面，對于黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設方案的研究尚不多見。

雖然黃河下游河勢遙感監(jiān)測已經(jīng)開展多年，也積累了大量的河勢遙感監(jiān)測資料，但黃河下游河勢遙感監(jiān)測還存在以下問題：1）數(shù)據(jù)處理與存儲能力尚不能滿足要求。近些年，隨著國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的不斷增多，空間分辨率的不斷提高，對遙感數(shù)據(jù)的處理能力與存儲空間提出了更高要求，特別是汛期河勢應急監(jiān)測時，數(shù)據(jù)處理和存儲能力愈顯不足。2）河勢信息提取主要依靠經(jīng)驗人工提取，提取速度慢，自動化水平有待提高。3）河勢信息主要通過河勢圖的形式提供服務，尚未全部實現(xiàn)數(shù)字化和數(shù)據(jù)庫管理及對比分析。

針對以上問題，分析研究并建設黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)，提高河勢遙感監(jiān)測信息服務水平，為黃河下游防洪決策提供有效及時的信息支持，更好地服務于黃河防洪現(xiàn)代化。

1 建設目標和思路

1.1 建設目標

從黃河下游防洪安全及工程管理需求出發(fā)，充分利用國產(chǎn)中高分辨率遙感衛(wèi)星，綜合利用其他衛(wèi)星，以及工程、斷面實測數(shù)據(jù)，建設多數(shù)據(jù)源的河勢提取、管理及分析系統(tǒng)，實現(xiàn)河勢信息自動化半自動化提取、河勢信息查詢?yōu)g覽、發(fā)展趨勢對比分析、險情預估等功能，為黃河工程布設、防汛調(diào)度及決策提供基礎信息支撐。

1.2 建設思路

黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設遵循經(jīng)濟、實用、創(chuàng)新、共享的原則，建設以下內(nèi)容：建設衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)據(jù)資源的快速獲?。婚_發(fā)河勢信息解譯系統(tǒng)，實現(xiàn)河勢信息的快速提??；建設河勢信息服務系統(tǒng)，實現(xiàn)河勢信息的便捷化服務；擴充遙感數(shù)據(jù)處理軟硬件和存儲設施，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的集中管理、快速處理、集中發(fā)布；建設河勢信息數(shù)據(jù)庫，集成雨水情水文測驗等信息，及時、快捷、方便地為黃河防汛提供信息及技術支持。

2 建設內(nèi)容

2.1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸通道建設

隨著國產(chǎn)陸地衛(wèi)星資源的不斷增多，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)成為河勢遙感監(jiān)測最重要的數(shù)據(jù)來源，要想快速獲取遙感數(shù)據(jù)，建立與國產(chǎn)衛(wèi)星的分發(fā)機構——中國資源衛(wèi)星應用中心的數(shù)據(jù)通道非常必要。

為此，依托現(xiàn)有水利部專線和水利政務網(wǎng)絡，開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，建設衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸通道。在中國資源衛(wèi)星應用中心部署專用推送服務器和系統(tǒng)，推送服務器通過中國資源衛(wèi)星應用中心與水利部專線做地址映射，聯(lián)通進水利政務網(wǎng)絡，通過水利政務網(wǎng)絡中連接部署在黃河水利委員會的接收服務器，完成數(shù)據(jù)傳輸。第一時間將需要的數(shù)據(jù)從中國資源衛(wèi)星應用中心的服務器推送到流域機構的服務器，使河勢遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)準實時獲取，為河勢信息的解譯提取爭取時間。

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理軟硬件和存儲設施建設

黃河下游河勢信息的快速處理、自動化解譯、高效存儲、集中發(fā)布、對比分析等功能的實現(xiàn)，離不開遙感數(shù)據(jù)處理軟硬件環(huán)境與存儲設施的支持?；诂F(xiàn)有軟硬件環(huán)境及存儲設施基礎，對現(xiàn)有軟件系統(tǒng)進行升級完善，增購系統(tǒng)需要的硬件及存儲資源，構建遙感數(shù)據(jù)綜合管理服務平臺，借助成熟 GIS 軟件構建遙感數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)及河勢信息服務平臺，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的批量、高效、一鍵式處理，河勢信息的自動化、半自動化提取，遙感影像與矢量等數(shù)據(jù)的存儲、管理與快速發(fā)布。遙感數(shù)據(jù)處理軟硬件和存儲設施拓撲圖如圖1 所示。

圖1 遙感數(shù)據(jù)處理軟硬件和存儲設施拓撲圖

2.3 河勢信息解譯功能開發(fā)

河勢信息解譯功能由遙感影像水邊線半自動提取、河道主溜線輔助解譯、工程靠溜情況輔助解譯等模塊組成。從遙感數(shù)據(jù)中快速提取主溜線、水邊線、工程靠溜等信息是河勢遙感監(jiān)測的首要任務。根據(jù)主溜線特征和水體的光譜信息，開發(fā)河勢信息提取功能模塊，從遙感數(shù)據(jù)中自動化或半自動化地提取主溜線、水邊線等信息十分必要。河勢信息遙感解譯流程如圖2 所示。

圖2 河勢信息遙感解譯流程圖

2.3.1 水邊線提取

水邊線提取一般根據(jù)水體指數(shù)將水體先提取出來，生成以水為主要信息的柵格圖像，再通過直方圖及分類方法逐步測試出區(qū)分水與非水的閾值。將位于該值范圍內(nèi)的像元分類為水域，不在該值范圍內(nèi)的像元確定為非水區(qū)域，這樣就將水從柵格影像中提取出來。閾值的選擇必須根據(jù)區(qū)域研究對象及周圍環(huán)境的特點確定，大小受成像時間、區(qū)域環(huán)境、大氣狀況等信息的影響很大，在選擇時要綜合考慮各種因素。確定閾值后，將水域的柵格像元的值設為 1，非水域柵格像元的值設為 0，生成 0 和 1 組成的柵格影像。

將水域二值影像利用轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換為矢量文件。提取出的水域中包括黃河水域、水庫、坑塘等全部水域，將不是黃河水域的信息刪除后形成黃河河道水域并轉(zhuǎn)換為水邊線。

2.3.2 主溜線提取

主溜是河道中水流最深、流速最大的地方。目前，完全基于遙感影像光譜特征依靠算法自動提取河道主溜仍難以實現(xiàn)，主要原因如下：在河道內(nèi)雖然有主溜區(qū)和非主溜區(qū)區(qū)分，但二者同為水體，相互之間邊界不太明顯；反映在遙感影像上，二者光譜特征之間的差別十分細微，幾乎難以區(qū)分開來，因此主溜線自動提取較為困難。

主溜線人工輔助提取的步驟如下：1）對圖像進行輻射、幾何校正等基礎處理，減弱大氣等對遙感數(shù)據(jù)的影響，增加精確的地理坐標。2）對某些波段進行增強處理，突出主溜線在遙感影像上的特征，為人工輔助提取主溜線提供依據(jù)。3）參考其他波段彩色合成圖像、河流水沙條件、判讀經(jīng)驗等，在計算機上采用人工交互的方法提取主溜線。

2.3.3 水邊線主溜線修改

依據(jù)遙感圖像解譯的河道水邊線、主溜線的位置，參考各縣河務部門查勘的、水文部門測量的河勢資料，對河道水邊線、主溜線的位置，進行編輯修改。

2.3.4 工程靠溜情況輔助分析解譯

主溜靠近工程、使工程臨水的現(xiàn)象，稱為靠河。在靠河工程中，若工程壩垛靠主溜，則稱為靠溜。工程靠河、靠溜情況是黃河防洪決策的重要依據(jù)，在每年汛前、汛后的河勢查勘中，河務部門工作人員乘船沿河而下，對工程靠河情況進行實地詳細查勘，掌握每處工程每個壩垛具體的靠河靠溜及工情的具體變化等情況。

工程靠河或靠溜情況是河勢分析的一項重要內(nèi)容，工程靠溜與否是預估河勢發(fā)展的一項參考依據(jù)。利用遙感和 GIS 技術，開發(fā)工程靠溜情況輔助分析功能模塊，根據(jù)水邊線、主溜線解譯成果，結合工程分布情況，在一體化集成分析環(huán)境下，分析獲得每處工程每個壩垛具體的靠河、靠溜情況。利用 GIS空間分析功能，實現(xiàn)對工程靠溜的自動判斷分析，并根據(jù)需要自動產(chǎn)生工程靠溜的各種統(tǒng)計報表。

2.4 河勢信息服務功能開發(fā)

2.4.1 框架結構

黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)采用 B/S 架構，用戶可通過 Web 客戶端技術模式訪問系統(tǒng)。架構分為數(shù)據(jù)層、服務層、交互層，其中：數(shù)據(jù)層提供黃河下游河勢信息對象；服務層通過矢量和地圖2 種服務，為用戶提供數(shù)據(jù)及地圖數(shù)據(jù)訪問服務；交互層為用戶提供編輯操作交互窗口和地圖展示。

2.4.2 技術實現(xiàn)

黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)前端開發(fā)采用目前比較流行的 HTML + CSS + JavaScript 技術方案，基于 WebGIS 地圖或空間數(shù)據(jù)等服務實現(xiàn)，在不安裝任何插件的情況下，在瀏覽器上可以繪制較為完美的地圖，并能實現(xiàn)動態(tài)標繪、渲染與交互，搭建快捷，用戶體驗良好。服務器數(shù)據(jù)訪問可以采用基于 .Net 通過WebAPI 技術實現(xiàn)與后臺數(shù)據(jù)的交互，支持通過瀏覽器對空間數(shù)據(jù)進行瀏覽、查詢統(tǒng)計等操作，同時為達到快速響應目的，采用數(shù)據(jù)冗余等機制對實際數(shù)據(jù)服務做優(yōu)化，實現(xiàn)監(jiān)測影像、河勢和分析成果的快速瀏覽與統(tǒng)計輸出，提高用戶體驗效果，增強編輯操作的穩(wěn)定性和高效性。

2.4.3 功能組成

實現(xiàn)不同時期河勢監(jiān)測成果豎幅對比、橫幅對比、變化分析、成果統(tǒng)計、制圖、河勢變化預警、移動應用等功能，通過放大縮小等操作，多個窗口聯(lián)動顯示同區(qū)域的數(shù)據(jù)，用戶可查看監(jiān)測成果不同之處，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測對象信息變化情況；實現(xiàn) 2 個不同時期河勢監(jiān)測成果的變化分析，得到變化區(qū)域監(jiān)測對象信息要素，并在前端以不同符號展現(xiàn)，查看變化圖斑的信息，按河段給出分析統(tǒng)計、制圖。相關功能分析如下：

1）監(jiān)測對象信息橫幅、豎幅對比。用戶可以自由選擇關注日期內(nèi)的影像或矢量成果數(shù)據(jù)，然后按從上到下或從左到右順序排列，可控制同時顯示的窗口數(shù)量，在某一地圖窗口內(nèi)進行拖拉、放大、縮小等操作，實現(xiàn)多個地圖的同步變化顯示，同時可以自由切換地圖中的顯示內(nèi)容，對比顯示多個時間點的監(jiān)測對象解譯成果信息。

2）監(jiān)測成果變化分析。根據(jù)用戶提交的請求，實現(xiàn) 2 個時間節(jié)點上的河勢矢量成果空間運算，獲得變化對象的幾何圖形及相關的屬性信息。

3）變化分析成果圖形化展示和統(tǒng)計輸出。通過 Web 客戶端技術及瀏覽器，加載變化分析成果，并用不同顏色渲染顯示對比成果。依據(jù)變化分析成果的幾何圖形及屬性信息，對河勢對象按行政區(qū)域進行分類統(tǒng)計輸出。

4）制圖。制圖模塊可實現(xiàn)地圖打印功能，以方便用戶更加細致地查看地圖。將提取的河道主溜線、水邊線、心灘、工程靠溜數(shù)據(jù)等疊加到黃河下游河道矢量圖上，根據(jù)黃河流向方位，按照出圖要求劃分不同的區(qū)域，進行不同的角度調(diào)整，實現(xiàn)河勢圖生成與輸出打印。

5）河勢變化預警。通過對多期河勢信息進行空間運算，對河勢出現(xiàn)較大變化的河段，渲染為不同的顏色，在前端進行展示預警，為工程布設、河道整治提供參考。

6）移動應用?；谥悄苁謾C、平板電腦等主流移動設備，開發(fā)河勢信息服務 App，將河勢信息在移動端進行展示，并實現(xiàn)對比分析、定位、信息標記等 GIS 功能。

2.5 河勢信息數(shù)據(jù)庫建設

河勢信息數(shù)據(jù)庫包括河勢信息矢量、遙感監(jiān)測影像、基礎地理等數(shù)據(jù)庫。

整理歷史上的河勢信息，并將其數(shù)字化，建設河勢信息矢量數(shù)據(jù)庫，方便歷史河勢信息的分析比較。建設河勢遙感監(jiān)測影像數(shù)據(jù)庫，管理河勢遙感監(jiān)測的影像信息。建設基礎地理數(shù)據(jù)庫，導入系統(tǒng)制圖需要的村莊、居民點、道路、行政區(qū)劃等信息。

2.6 信息集成

根據(jù)河勢分析工作需要，將雨水情、基層實測工程靠溜、大斷面等黃河水利對象信息集成，無縫集成到黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)中，為防洪決策提供星地一體化全方位的信息支撐。河勢信息服務系統(tǒng)主要通過調(diào)用服務、資源整合等方式集成數(shù)據(jù)到統(tǒng)一的分析界面，為防汛決策提供參考。

3 結語

河勢信息對黃河下游防洪調(diào)度、工程布局具有重要作用，遙感是目前快速獲取河勢信息的重要技術手段。建設黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)，對保障黃河下游防洪安全、提高防洪決策水平具有重要作用。黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)的建設，提升了河勢遙感監(jiān)測的自動化和信息化服務能力，促進了河勢遙感監(jiān)測效率的提高，具有一定的推廣價值。

黃河下游河勢遙感監(jiān)測系統(tǒng)雖然開發(fā)了移動端App，但功能還較為單一，需要進一步擴充移動端功能，提升應用效果。主溜線自動解譯模型雖然已有一些研究成果，但還難以滿足生產(chǎn)需要，尚需進一步深入研究。