基于高分遙感數(shù)據(jù)的界河監(jiān)測應(yīng)用

文 | 李慧子 葛寶玉 宋振強(qiáng) 張麗麗

哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

2021 年11 月18 日，中共中央政治局召開會議審議了《國家安全戰(zhàn)略（2021-2025 年）》，會議指出新形勢下維護(hù)國家安全，必須牢固樹立總體國家安全觀，加快構(gòu)建新安全格局，必須堅持黨的絕對領(lǐng)導(dǎo)，堅持捍衛(wèi)國家主權(quán)和領(lǐng)土完整，維護(hù)邊疆、邊境、周邊安定有序?？缃绾恿饔颍ㄒ韵陆y(tǒng)稱界河）儲存了全球一半的淡水，與經(jīng)濟(jì)和社會穩(wěn)步發(fā)展存在著密切關(guān)系，重視和加強(qiáng)界河保護(hù)是維護(hù)國家利益，保障生態(tài)安全，促進(jìn)地區(qū)和平發(fā)展的戰(zhàn)略性任務(wù)。在對諸多界河進(jìn)行開發(fā)、利用與管理的過程中也面臨著諸多的問題，其中跨界河流域合作協(xié)議少，界河監(jiān)測與災(zāi)害評估方面技術(shù)手段不足，國內(nèi)國際層面立法缺失等現(xiàn)狀導(dǎo)致我國在界河爭端方面處于被動局面，如何監(jiān)測、管理界河流域是我國社會發(fā)展和國際合作面臨的一項重大挑戰(zhàn)。因此，運(yùn)用科學(xué)合理的界河監(jiān)管手段對于協(xié)調(diào)兩國之間的水權(quán)關(guān)系，妥善處理界河水事爭端，實現(xiàn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)繁榮及政治長治久安具有舉足輕重的作用。

相比傳統(tǒng)監(jiān)管手段存在不高效、不全面、不及時等問題，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，可實現(xiàn)大范圍的界河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，為開展界河動態(tài)監(jiān)控、加強(qiáng)界河管理提供了有效途徑。

二、界河監(jiān)測的意義及作用

界河，為兩國或兩地區(qū)分界的河流，也稱為國際界河，是流經(jīng)兩國之間作為兩國領(lǐng)土分界線的河流。界河分屬于兩岸國家，沿岸國對河流分界線向本國一側(cè)的水域行使管轄權(quán)。界河由于其特殊的地理位置而與國家間的政治、經(jīng)濟(jì)、外交等更加密切地聯(lián)系起來。一國對國際河流的開發(fā)和環(huán)境影響往往會波及另一個國家甚至幾個國家的環(huán)境、生態(tài)安全，影響人民生活和國家社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

根據(jù)《中華人民共和國陸地國界法》，國務(wù)院有關(guān)部門和邊境省、自治區(qū)的各級人民政府應(yīng)當(dāng)采取措施維護(hù)界河（江、湖）走向穩(wěn)定，并依照有關(guān)條約保護(hù)和合理利用邊界水。近年來，中國周邊界河問題受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，作為跨國界河數(shù)量豐富的國家，界河問題涉及中國與周邊流域國外交關(guān)系的處理，關(guān)系到中國周邊安全環(huán)境的維護(hù)與構(gòu)筑。界河因其獨(dú)特的地位更加引人注目。重視和加強(qiáng)界河保護(hù)是維護(hù)國家利益，保障生態(tài)安全，促進(jìn)和平發(fā)展的戰(zhàn)略性任務(wù)。界河監(jiān)測是開展界河保護(hù)和合理利用的前提，因此，采取適合有效的監(jiān)測調(diào)查手段是政府管理部門對外交涉進(jìn)行災(zāi)害救援管理和水政執(zhí)法的關(guān)鍵。

目前，傳統(tǒng)的界河監(jiān)測手段及航空攝影測量方法無法對界河界內(nèi)、界外流域進(jìn)行全面的監(jiān)管，而高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)由于其較高的分辨率，能夠較好地替代航空攝影，對界河狀態(tài)及災(zāi)害等情況進(jìn)行更精確、動態(tài)的監(jiān)測，為政府管理部門及時排查險情，化解國際爭端，進(jìn)行國家水權(quán)糾紛的調(diào)解與仲裁提供了技術(shù)保障；同時，為政府有效管理好界河流域，全面實施界河治理、災(zāi)害應(yīng)急救援和水政執(zhí)法提供了決策依據(jù)。

三、高分遙感技術(shù)應(yīng)用于界河監(jiān)測領(lǐng)域的特點(diǎn)

由于界河的政治特殊性，在日常的監(jiān)測中，我們只能獲得我國一側(cè)界河流域的水文信息；同時由于領(lǐng)空的限制，在界河流域突發(fā)事件發(fā)生后，也不能采用無人機(jī)等航空手段進(jìn)行界河界內(nèi)、界外數(shù)據(jù)的采集。而利用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠很好地解決這些問題。高分衛(wèi)星遙感作為一種高時效、短周期、低投入、廣視域、執(zhí)行靈活的新技術(shù)，其在界河監(jiān)測及執(zhí)法管理方面能夠發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢，能夠有效解決目前我國面臨的界河流域監(jiān)測問題。整合收集的信息和遙感數(shù)據(jù)，以更直觀和形象的表現(xiàn)形式如圖片、音頻、視頻等方式呈現(xiàn)，實現(xiàn)精準(zhǔn)地識別目標(biāo)形態(tài)和狀態(tài)。因此高分遙感技術(shù)在界河監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.突破地域局限，降低環(huán)境因素影響

在早期界河監(jiān)測中，主要依靠人力來搜集信息，這導(dǎo)致最終收集到的信息資源往往是片面的和不完整的。由于受到雨雪、冰雹、霧氣以及地表植被等因素的干擾，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)無法實現(xiàn)信息的精準(zhǔn)化，就會使界河監(jiān)測工作無法順利進(jìn)行。由于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的飛行平臺搭載在衛(wèi)星上，通過不間斷地工作，不僅打破了地域局限，還降低了氣候、天氣等因素對界河監(jiān)測的影響，使得我國在界河監(jiān)測和管理方面的工作變得更加便利和高效，保障了我國界河資料的完整性，為我國界河管理和監(jiān)測提供了技術(shù)支持。

2.信息采集高效化，監(jiān)測頻次精細(xì)化

高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高空間分辨率、高時間分辨率及高光譜分辨率特性可對界河流域情況進(jìn)行較為精確的分析、判斷，利用衛(wèi)星進(jìn)行遙感監(jiān)測，成像周期短，在短時間內(nèi)就可以完成對界河流域信息的采集，通常只需要一次性監(jiān)測即可完成任務(wù)。應(yīng)用遙感技術(shù)，使得界河信息的容量和精確度都大大領(lǐng)先于人工信息采集方式。高分系列衛(wèi)星作為新的遙感信息源，影像地物判讀性較好、精度高，地物類型及其邊界識別清晰明顯，例如高分一號（GF-1）衛(wèi)星完整地“看”一遍地球只需要4 天，高分二號（GF-2）衛(wèi)星的分辨率已達(dá)亞米級，可使界河流域各類資源均能夠在影像上形成全局性、宏觀的表達(dá)，高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用能夠?qū)绾恿饔蛸Y源及其生態(tài)環(huán)境進(jìn)行更高效、精細(xì)化地監(jiān)測。

3.提高調(diào)查效率，提升指導(dǎo)能力

利用高分衛(wèi)星的多光譜、大寬幅及重訪周期短的特點(diǎn)，能夠提供特定區(qū)域高精度連續(xù)影像，為實現(xiàn)及時、快速、大范圍的洪水、滑坡、泥石流等災(zāi)害的調(diào)查監(jiān)測提供影像數(shù)據(jù)，提高調(diào)查效率。通過對遙感影像快速處理分析，可以直接提供人們最為關(guān)心的災(zāi)害面積、影響范圍和潛在的危險因素等重要數(shù)據(jù)，科學(xué)合理地指導(dǎo)救災(zāi)減災(zāi)和災(zāi)害預(yù)防工作。高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)在界河調(diào)查、監(jiān)測領(lǐng)域已可以替代國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，服務(wù)于我國界河調(diào)查與生態(tài)保護(hù)等工作，具有重要的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景，為政府有效管理我國界河水域，全面實施界河監(jiān)測提供了決策依據(jù)。

四、高分遙感數(shù)據(jù)在界河監(jiān)測中的應(yīng)用

基于高分遙感數(shù)據(jù)高空間分辨率、高時間分辨率及高光譜分辨率的特點(diǎn)，開展針對某區(qū)域的界河遙感專題監(jiān)測應(yīng)用，主要是界河動態(tài)監(jiān)測提取，界河塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以及界河水利工程及水政執(zhí)法監(jiān)測，為界河監(jiān)測、管理提供決策支持。

1.界河動態(tài)監(jiān)測提取分類

界河動態(tài)監(jiān)測以GF-1、GF-2 衛(wèi)星等遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史河道數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)等多源輔助數(shù)據(jù)，提取河道中心線數(shù)據(jù)，利用預(yù)處理后的高分遙感影像數(shù)據(jù)，分別計算歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化水體指數(shù)（NDWI）和混合水體指數(shù)（CIWI），對影像進(jìn)行基于邊緣檢測的分割，綜合三個指數(shù)的范圍、面積、延展度和矩形擬合度，依據(jù)經(jīng)驗值進(jìn)行調(diào)整參數(shù)范圍，根據(jù)分類結(jié)果對照原始影像進(jìn)行目視觀察，最終選擇最佳的參數(shù)區(qū)域，影像分類流程如圖1 所示。基于分類研究結(jié)果，綜合考慮影響界河狀態(tài)的主要自然因素和人文因素，實現(xiàn)界河動態(tài)監(jiān)測。

圖1 基于規(guī)則的高分遙感影像數(shù)據(jù)分類

2017 年6 月和2021 年6 月通過獲取東北某區(qū)域高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，開展基于高分遙感數(shù)據(jù)的界河監(jiān)測應(yīng)用實踐如圖2 所示，該地區(qū)界河長度約為132.83km，基于高分衛(wèi)星遙感影像信息提取計算，2017 年該地界河面積約為536.39km，2021 年該地界河面積約為573.85km。

圖2 2017—2021 年某地界河范圍變化監(jiān)測

經(jīng)過計算得出2017—2021 年該地界河面積增加約為53.24km。通過對該地界河衛(wèi)星遙感影像的信息提取與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗證了高分遙感數(shù)據(jù)在界河動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的宏觀、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢。

2.界河塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

綜合利用云計算、導(dǎo)航、遙感等技術(shù)，實現(xiàn)災(zāi)害自動監(jiān)測與預(yù)警、信息發(fā)布、救援指揮和管理。利用經(jīng)過大氣校正、融合、鑲嵌等處理后的高分影像數(shù)據(jù)，建立遙感解譯標(biāo)志（護(hù)岸工程解譯標(biāo)志、岸線遙感解譯標(biāo)志、地貌遙感解譯標(biāo)志等），基于計算機(jī)自動分類和人機(jī)交互式等新技術(shù)方法提取河道岸線分布信息，綜合考慮影響界河的自然因素和人文因素，利用前期界河參數(shù)的提取結(jié)果，基于分類器對融合后影像進(jìn)行分類、提取，以影像分割后生成的多邊形對象結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建差異影像，計算灰度共生矩陣，提取出差異影像的光譜和紋理特征，組成特征向量，選擇合適的訓(xùn)練樣本，提取評價災(zāi)害的相關(guān)指標(biāo)，解譯塌岸地質(zhì)災(zāi)害與護(hù)岸工程信息分布圖，編制塌岸地質(zhì)災(zāi)害與護(hù)岸工程分布遙感解譯圖，實現(xiàn)塌岸地質(zhì)災(zāi)害的判讀（圖3），分析得到地質(zhì)災(zāi)害防范措施和方法。

圖3 基于高分遙感數(shù)據(jù)的界河監(jiān)測

界河流域塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測如圖4 所示，某地一側(cè)大部分江岸地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，在中、高水位時，受橫向水流的頂沖以及風(fēng)浪的沖刷，江岸易受到侵蝕并發(fā)生塌岸地質(zhì)災(zāi)害，從而造成河流中心線偏移和國土損失。長期下來就會使界河的中心線發(fā)生偏離，影響附近居民的生產(chǎn)、生活和航運(yùn)，而且有可能誘發(fā)國際沖突，影響兩國的關(guān)系。通過利用GF-1、GF-2 衛(wèi)星等界河現(xiàn)狀調(diào)查與監(jiān)測產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)，按需提供圖件、監(jiān)測報告等方式分析某地段沿江護(hù)岸工程分布、河流岸線變遷信息，分析塌岸地質(zhì)災(zāi)害的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為防治地質(zhì)災(zāi)害和國土保持提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

圖4 某地流域塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

3.界河水利工程及水政執(zhí)法監(jiān)測

通過對高分辨率遙感影像的解譯與目標(biāo)提取，對執(zhí)法方監(jiān)測各類圖斑進(jìn)行提取以及變化圖斑分類，建立本底數(shù)據(jù)，實現(xiàn)河湖岸線亂建、亂采、亂堆、亂占問題的全面清查。獲取監(jiān)測遙感影像數(shù)據(jù)后，基于多時相、多源遙感數(shù)據(jù)的解譯對比分析，根據(jù)圖斑變化等信息，分析河道和岸線占用、河道采砂等違法情況。

如圖5 所示，某地流域發(fā)生疑似亂占、違法開采，造成河道中心線改變，同時還有邊境界河地區(qū)違法亂建和私自越界等不法行為。邊境線過長交通不便，造成界河管理和執(zhí)法困難。利用高分系列衛(wèi)星進(jìn)行分析，提供圖件、監(jiān)測報告等方式生成圖件和監(jiān)測報告，結(jié)合自然和人文資料，分段分析界河變化信息及越界、亂占、亂建、亂采等違法信息，準(zhǔn)確掌握界河歷史變化狀況，為掌握我國界河水利工程和水政執(zhí)法監(jiān)測提供有效信息。

圖5 某地流域遙感影像監(jiān)測應(yīng)用

某地海域岸線監(jiān)測如圖6 所示，利用高分系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對邊防口岸、邊境重大基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，準(zhǔn)確分析出某地口岸施工分布情況，以及違法亂建情況，生成遙感監(jiān)測專題圖和監(jiān)測報告，并提供給相關(guān)執(zhí)法監(jiān)管部門作為管理依據(jù)，為水政執(zhí)法提供決策依據(jù)。

圖6 某地海域岸線監(jiān)測

五、結(jié)語

高分遙感衛(wèi)星在開展界河監(jiān)測上具有顯著優(yōu)勢，可快速掌握全國界河時空分布特征，服務(wù)支撐界河監(jiān)測管理與保護(hù)等工作。利用高分衛(wèi)星的多光譜、大寬幅及重訪周期短的特點(diǎn)，能夠提供特定區(qū)域高精度連續(xù)影像，為實現(xiàn)及時、快速、大范圍的塌岸、滑坡、界河流域岸線亂建等調(diào)查監(jiān)測提供了可能。

高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)在界河監(jiān)測領(lǐng)域已可以替代國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，服務(wù)于我國界河監(jiān)測應(yīng)用調(diào)查等工作，具有重要的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。目前，遙感技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)初步應(yīng)用于界河監(jiān)測，并取得了一定的成果，而基于高分遙感數(shù)據(jù)的大尺度界河監(jiān)測研究仍處于初級階段，有必要將高分遙感數(shù)據(jù)的界河監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到大尺度界河監(jiān)測中，為我國界河安全提供更加精確的監(jiān)測手段及方法。