衛(wèi)星遙感技術(shù)在河湖長制工作中的應(yīng)用

陳熙 湖南省灌溉試驗中心站

傳統(tǒng)的河湖監(jiān)測方法落后且效率不高，監(jiān)測體制也不完整，難以以最短的時間獲取最全面的信息。遙感技術(shù)覆蓋面廣，收發(fā)信息快速、高效、穩(wěn)定、安全且數(shù)量龐大，可提供河湖長制工作所需的數(shù)據(jù)信息。借助于高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)技術(shù)，拍攝地面影像后做解譯處理，建立以湖泊水系信息為研究對象的仿真模型，提取水系基礎(chǔ)地理情況、水污染及周邊水利工程等可用信息，生成綜合數(shù)據(jù)庫，為各級河湖長制工作提供技術(shù)支持。東洞庭湖區(qū)的河湖長制工作是貫徹落實黨和政府的方針政策，在水利部等有關(guān)部門的指揮領(lǐng)導(dǎo)之下開展的，具有重大的科學(xué)意義和實際價值。

1.區(qū)域自然概況

1.1 地貌與水系

洞庭湖是我國第二大淡水湖，主要分為西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖。洞庭湖平水期的總面積約2625平方千米，總?cè)莘e約174億立方米，流域面積可達(dá)25.72萬平面千米。其中東洞庭地位顯要，約占洞庭湖總面積的一半，湖區(qū)南北長約70千米，東西寬達(dá)30千米，形成了一片水域遼闊、物種豐饒的湖泊濕地。東洞庭是典型的自然通江湖泊，在長江流域的洪水徑流調(diào)節(jié)和生物資源的保護(hù)等領(lǐng)域起到了極為關(guān)鍵的作用。

1.2 氣候條件

東洞庭湖區(qū)具有顯著的亞熱帶季風(fēng)氣候特點(diǎn)，氣候溫潤，四季變化分明，熱量充沛，雨量相對集中，湖區(qū)多年來的平均氣溫處于16.4-17.0°C間。東洞庭湖流域極為廣闊，覆蓋湖南省大部，湖北省、廣西、貴州省和重慶市部分地區(qū)。年平均降水量約為1345.7mm。

1.3 水文特征

東洞庭湖多年平均出湖流量約9010立方米、沙量可達(dá)3883萬噸，水沙條件十分優(yōu)越。近70年以來，洞庭湖區(qū)已淤積泥沙近60億噸。長江和洞庭湖的水系關(guān)系在時刻變化著，長遠(yuǎn)來看，東洞庭湖的水沙量有下降的趨勢。城陵磯（七里山）站的平均出湖流量近60年來下降了約43.4%，累計出湖水量減少了1210億立方米，水體平均懸沙濃度也相對減少57%，出湖沙量減少了約5350萬噸。

1.4 湖區(qū)沖淤變化及濕地生物資源

近百年來，洞庭湖的總面積日趨縮減，減少了2466.42平方千米，僅為1896年湖盆總面積的47.92%，萎縮速度令人咋舌。此種現(xiàn)象是多種因素共同作用的結(jié)果，圍湖造田是最直接最主要的原因。1998年長江的特大洪災(zāi)之后，在“退田還湖”政策的強(qiáng)力影響下，洞庭湖面積急速縮減的情況得以緩解，趨于穩(wěn)定。目前，洞庭湖依靠人工修造的防洪大堤圍限，三峽工程的啟動使洞庭湖的來水、來沙情況變化巨大，大大影響了洞庭湖內(nèi)洲灘的沖淤速度，對洞庭湖的湖容影響較大，對湖的總面積則基本無影響。

東洞庭湖的植被包括蘆葦、苔草、蓮等10余種湖草，分布較集中，且各主要灘地的植被類型比較單一，便于進(jìn)行遙感解譯。東洞庭湖國家級自然保護(hù)區(qū)是國內(nèi)非常重要且有代表性的大型濕地和候鳥越冬地，棲息和繁養(yǎng)了大量的鳥類和魚類。經(jīng)過科學(xué)考察，洞庭湖共記錄到魚類114種，包括中華鱘、白鱘等國家一級保護(hù)動物；鳥類306種，每年有大量的白鸛、白鶴、白鷺等國家級保護(hù)候鳥在此棲息越冬，可以說東洞庭湖是大自然賦予人類的天然的、龐大的、豐富的自然寶庫。

2.數(shù)據(jù)與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

遙感可長時間穩(wěn)定的獲取地表面狀信息，對比于傳統(tǒng)的以離散點(diǎn)為基礎(chǔ)的對地觀測方式，是革命性的創(chuàng)新與變革。研究者們選擇不同的分辨率和采樣周期對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析，找到了行之有效的研究方法。如Landsat系列數(shù)據(jù)的空間分辨率很高，適合用在河湖的環(huán)境研究中；MODIS遙感數(shù)據(jù)則具備很高的時間分辨率，在探究懸浮泥沙大區(qū)域分布和擴(kuò)散的趨勢中得到了很成功的應(yīng)用。衛(wèi)星載荷的數(shù)量日趨增加，新傳感器的應(yīng)用范圍持續(xù)的被拓寬，比較有代表性的是我國的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測小衛(wèi)星等，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的可選性及可靠性都得到了極大的提升。遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的篩選原則有科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)做指導(dǎo)，針對關(guān)鍵問題和項目的目的，綜合考量各衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取通道、可靠性及穩(wěn)定性、湖泊水體監(jiān)測的周期性等關(guān)鍵信息，選擇最適用的遙感數(shù)據(jù)源。在東洞庭湖的河湖長制工作中，選用了Landsat8-OLI影像作為分析數(shù)據(jù)源，進(jìn)行全水域的測量與研究。Landsat8-OLI遙感數(shù)據(jù)空間分辨率可達(dá)15m，1景可覆蓋住整個東洞庭湖區(qū)，已發(fā)射近10年，數(shù)據(jù)開源，各項指標(biāo)很好的符合了項目的要求。

東洞庭湖河湖長制工作的輔助數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)兩大關(guān)鍵部分。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)由行政邊界數(shù)據(jù)，東洞庭湖邊界數(shù)據(jù)等核心數(shù)據(jù)組成，水位數(shù)據(jù)則指城陵磯的逐日水位數(shù)據(jù)，城陵磯地處東洞庭湖北側(cè)、長江與洞庭湖的交匯口，地理位置極為特殊且重要，多以城陵磯的水位代表東洞庭湖的水位變化。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理是一項關(guān)鍵的工作，為了得到湖泊信息提取的可用數(shù)據(jù)。主要分為幾何校正、大氣校正、影像的剪取等。遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理通過ENVI軟件完成。ENVI具有完善強(qiáng)大的圖像處理能力，并且可與ArcGIS完美集成，非常適合處理遙感圖像，并獲得有用的圖像信息。

傳感器的掃描姿勢等條件會導(dǎo)致圖像采集的結(jié)果失真。常規(guī)的做法多通過ENVI軟件進(jìn)行影像的幾何校正，選取均勻排布的地面控制點(diǎn)，建立起多項式模型，對影像開展15m分辨率的重采樣測試，校正均方根誤差（RMSE）需要限制在0.5個像元之內(nèi)。東洞庭湖河湖長制工作中的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品選用的是Landsat-OLI，是進(jìn)行過精確的幾何和地形校正的L1T級（Level 1T）產(chǎn)品，不但可完成地球科學(xué)監(jiān)測，產(chǎn)品的幾何處理精度也能夠從元數(shù)據(jù)中提取出來。

大氣校正是遙感成像的又一重要環(huán)節(jié)。遙感成像需要經(jīng)歷一系列十分復(fù)雜的過程，其中任何環(huán)節(jié)都會受到例如遙感器、大氣、太陽高度角、地形等因素的影響，可能會引發(fā)傳感器的測量值與地表真實的反射信息有偏差的情況。若需要測量某一物體表面的光譜屬性，需要將它的反射信息從大氣和太陽的數(shù)據(jù)信息中抽離開。

大氣校正是Landsat-8用于衛(wèi)星遙感技術(shù)中至為關(guān)鍵的圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)，校正的結(jié)果直接決定了后期的反演精度的高低。針對大氣校正的科學(xué)實驗，國內(nèi)外學(xué)者做了好多，比較有代表性的如暗像元法，以清潔水體作為大氣校正的暗目標(biāo)。Matthewet.al（2002）利用ENVI FLLASH模塊開展大氣校正研究，也取得了令人驚喜的進(jìn)展。采用6S模塊對多光譜影像做大氣校正，校正精度是較為理想的。綜合考慮，6S模型和FLAASH模型是應(yīng)用效果被實踐認(rèn)可的輻射傳輸模型，兩者的測量機(jī)理不盡相同，各有特點(diǎn)，需要根據(jù)實際的應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。

3.東洞庭湖遙感應(yīng)用研究

3.1 地表水資源調(diào)查與保護(hù)遙感監(jiān)測

依托于進(jìn)行過處理的衛(wèi)星遙感影像，通過自動化解譯及機(jī)器學(xué)習(xí)等科學(xué)方法，仔細(xì)分析目標(biāo)物的顏色、形狀、紋理、成像時間、地理位置等關(guān)鍵信息，確定出地物分類，預(yù)判出東洞庭湖水資源的概況，為湖泊生態(tài)水資源的研究和保護(hù)提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

3.1.1 東洞庭湖濕地分類體系

在《濕地公約》和《全國濕地資源調(diào)查與檢測技術(shù)規(guī)程》的理論指導(dǎo)下，參考資料中東洞庭湖濕地的測量與分析資料，確定了湖南省濕地類型遙感分類系統(tǒng)。衛(wèi)星遙感技術(shù)在東洞庭湖河湖長制工作中的應(yīng)用項目中，地物分類可分為水體、湖泊濕地（草洲）和泥灘三類分級系統(tǒng)。2015-2018年隨著城陵磯水位變化，湖泊濕地、泥灘地和水域面積的動態(tài)變化趨勢如表1所示。

表1 不同時期各濕地類型面積 單位：平方千米

3.1.2 地物分類遙感解譯方法

遙感圖像的測量原理是探測出圖像亮度值或像元值的光譜信息差異及空間變化來區(qū)分出不同的地物，這也是區(qū)分圖像地物的物理基礎(chǔ)。地物與波譜特征之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系，同類地物的光譜之間存在相似和共性，不同地物的光譜特性存在較明顯的差異，采集出圖像中的特征向量，構(gòu)建圖像的特征函數(shù)，通過遙感圖像自動區(qū)分出不同的地物類型。基于遙感圖像的數(shù)據(jù)量龐大且成像復(fù)雜等客觀情況，衛(wèi)星遙感圖像的分類具有自己的特色和準(zhǔn)則。常用的遙感圖像分類方法包括三大類：基于圖像光譜的分類，基于專家知識的決策樹分類，面向?qū)ο髨D像分類。

決策樹分類法顧名思義，選擇各像元的特征值作為基準(zhǔn)值，分層逐次的做比較。東洞庭湖河湖長制工作的研究中，采用基于專家知識的決策樹分類法提取草洲、泥灘地和水體信息，取得了良好的效果。決策樹在算法中應(yīng)用的較為廣泛，結(jié)構(gòu)清晰，主次分明，一目了然，特別適合用于信息的分類和提取，在該項目中得到了很好的應(yīng)用。

3.1.3 東洞庭湖水資源變化監(jiān)測

東洞庭湖水資源的時空變化近些年來比較劇烈，是河湖長制工作地重點(diǎn)問題，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)探測到的湖體面積的不同變化情況，可實時監(jiān)測到東洞庭湖水資源的變化特征。從圖可見，隨著城陵磯水位的變化，洞庭湖水面面積隨之動態(tài)調(diào)整。從衛(wèi)星遙感的數(shù)據(jù)可看出，從2013到2018 五年，雨水量最多的6-7月份，湖泊的水體面積有了顯著的增加，水面面積的最高峰值曾達(dá)到過996.32平方千米，雨季過去，湖泊的面積則明顯減小。從城陵磯水位和洞庭湖湖面面積的變化數(shù)據(jù)可分析出，兩者呈接近于1的正比例的變化關(guān)系，水位的高低波動直接影響著湖泊水體面積的大小，科學(xué)的檢測數(shù)據(jù)也證明了這一推測，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)探測到的東洞庭湖水體的變化趨勢和專家學(xué)者利用大規(guī)模的實測數(shù)據(jù)搭建的理論模式推測出的水位變化走向基本是一致的。

3.2 河湖水域岸線管理

通過時空高分辨率、高清晰度的衛(wèi)星遙感技術(shù)可高效的監(jiān)測河湖治理的區(qū)間內(nèi)阻礙行洪的建筑群如何分布，了解到湖泊水域線的應(yīng)用情況。輔助以工作人員的現(xiàn)場考察，綜合分析湖岸線被破壞、侵占等現(xiàn)狀，可及時了解到湖泊萎縮、非法采砂和圍湖圈地等亂象的發(fā)展現(xiàn)狀，切實做到及時制止與盡早處理，對維護(hù)自然生態(tài)的平衡具有重大的意義。

3.2.1 典型案例遙感監(jiān)測

洞庭湖的特點(diǎn)漲水為湖，落水為洲，因此建堤占地的違法行為屢禁不止，比較有代表性的是“夏氏矮圍”，曾是洞庭湖域面積最大的非公矮圍，地處下塞湖區(qū)，跨越兩市三縣。2014年，在一次湖南省遙感中心的衛(wèi)星探測中發(fā)現(xiàn)了這一封閉的已存在4年之久的巨型矮圍。非法工程已然建成，拆遷的損失在各方面都是難以估量的，也更加深刻表明了洞庭湖的防護(hù)治理至關(guān)重要且迫在眉睫。借助衛(wèi)星遙感技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，實時監(jiān)測了解東洞庭湖區(qū)的水位和水體面積變化，將違規(guī)違法行為扼殺在搖籃之中，可最大程度保護(hù)社會和生態(tài)資源。

3.2.2 岸線環(huán)境監(jiān)測

通過衛(wèi)星遙感技術(shù)大范圍高清晰度的監(jiān)測，可以敏銳迅速地發(fā)現(xiàn)湖泊周圍環(huán)境的改變，這對于湖區(qū)的治理和保護(hù)來說，具有非常大的意義和價值。東洞庭湖面積廣闊、水域情況復(fù)雜，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)受多方面的限制，結(jié)果的高效性及準(zhǔn)確性都存在缺陷，參考的意義和價值也打了折扣。以東洞庭湖南部的漉湖蘆葦場為例，采用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測2013年至2017年該地區(qū)的水岸線變化趨勢，更加驗證了其在河湖長制工作中的優(yōu)勢。

3.2.3 河湖水質(zhì)及水污染監(jiān)測

近些年，東洞庭湖水域的污染和生態(tài)破壞情況日趨嚴(yán)重，采取行動治理止損已經(jīng)迫在眉睫。懸浮物指不易溶于水的固體物質(zhì)，也是湖泊水質(zhì)衛(wèi)星遙感監(jiān)測中非常重要的參數(shù)，水體中的葉綠素a濃度間接體現(xiàn)了浮游植物的疏密，衡量了湖泊內(nèi)水生植物的生物量和富營養(yǎng)化的程度。衛(wèi)星遙感檢測的數(shù)據(jù)可提取東洞庭湖的懸沙和葉綠素 a的濃度，制訂對應(yīng)有效的方案治理污染情況。衛(wèi)星遙感檢測的水體包括開放的海水和內(nèi)陸水體。前者的水質(zhì)推演模型很成熟，數(shù)據(jù)來源相對多樣化，后者的水質(zhì)情況更加復(fù)雜，很難得到標(biāo)準(zhǔn)化的模型。

4.決策支撐體系研究

河湖治理保護(hù)是極其復(fù)雜龐大的工程，涉及的領(lǐng)域極廣，湖域的不同位置可能涉及不同的行政管理區(qū)域。決策支撐體系是應(yīng)用技術(shù)落地的基礎(chǔ)，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，對東洞庭湖水域資源進(jìn)行監(jiān)測與評估，提升日常管理工作的效率和應(yīng)急情況的處理能力，為河湖治理提供高科技技術(shù)的支持。

東洞庭湖遙感監(jiān)測系統(tǒng)采用衛(wèi)星遙感、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)自動探測。系統(tǒng)期望在 7-15 天周期內(nèi)得到水面積、水環(huán)境參數(shù)植被長勢及覆蓋率、岸線監(jiān)測等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。平臺在自動模式下，采用面向?qū)ο笤苾Υ婧蛿?shù)據(jù)庫技術(shù)自動存入結(jié)果，開發(fā)專題產(chǎn)品共享模塊，在線實時查閱任意空間的生態(tài)遙感監(jiān)測產(chǎn)品，制作效果圖，并下載結(jié)果。

5.結(jié)束語

衛(wèi)星遙感技術(shù)已應(yīng)用多年，監(jiān)測的地表觀測影像，具有極大的社會和經(jīng)濟(jì)價值。在Landsat應(yīng)用的基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)更高分辨率更高精度的國產(chǎn)衛(wèi)星，使東洞庭湖衛(wèi)星監(jiān)測的精度和頻率在質(zhì)和量上都有更高層次的提高；對河湖模型反演算法進(jìn)行深度開發(fā)，提高定量遙感的計算精度，以滿足河湖長制工作的高要求。河湖長制工作難度大、耗時長、投入多，在高科技技術(shù)的助力下，持續(xù)深入衛(wèi)星遙感技術(shù)在河湖長制中的應(yīng)用研究，推動河湖治理的體系和能力現(xiàn)代化，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。