基于高分遙感技術(shù)的河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 梁,王偉明,孫晨紅,王駿飛

（1.陜西航天技術(shù)應(yīng)用研究院有限公司，710100，西安；2.西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所，710100，西安）

“十四五”以來(lái)，國(guó)家十分重視衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展，國(guó)家層面及省市地方政策都大力支持衛(wèi)星遙感技術(shù)及應(yīng)用。在河湖長(zhǎng)制方面，國(guó)務(wù)院、水利部出臺(tái)各類(lèi)指導(dǎo)意見(jiàn)鼓勵(lì)積極利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)手段與遙感影像數(shù)據(jù)，匯同河湖長(zhǎng)制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、管理數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建新型河湖長(zhǎng)制信息服務(wù)體系。

一、現(xiàn)狀與需求

1.河湖長(zhǎng)制全流域監(jiān)測(cè)需求

我國(guó)境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河流、湖泊、小流域溝溪等多分布在丘陵山區(qū)及盆谷地，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段大多為監(jiān)測(cè)站點(diǎn)預(yù)警、河長(zhǎng)巡河及公眾上報(bào)，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布與巡河區(qū)域選擇存在不足，無(wú)法滿(mǎn)足全流域、大范圍、持續(xù)性監(jiān)管需求。河湖長(zhǎng)制監(jiān)測(cè)對(duì)象為全體河流水域及岸線(xiàn)，衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠提供全覆蓋、多手段、多時(shí)相的觀測(cè)與分析。

2.多源數(shù)據(jù)融合分析需求

各類(lèi)水利業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)，以及河湖長(zhǎng)制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)分散、缺少整合，對(duì)河湖長(zhǎng)管理工作支撐不足，難以發(fā)揮整體效能。為全面提升河湖長(zhǎng)制管理效率，需匯集多個(gè)系統(tǒng)、整合多種來(lái)源的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與分析。

3.河湖長(zhǎng)制管理與智能考評(píng)需求

省、市、縣不同級(jí)河長(zhǎng)關(guān)注要素不同，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后不能快速?zèng)Q策分析與解決，并且當(dāng)前巡河管理、考核尚未實(shí)現(xiàn)信息化、智能化，巡河人員管理與考核難以考證與量化。因此需要針對(duì)市、縣（市、區(qū)）、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）河湖長(zhǎng)制分級(jí)管理，整合現(xiàn)有各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻與遙感數(shù)據(jù)，服務(wù)于各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、工作人員、社會(huì)公眾的不同層次、不同主體的查詢(xún)、上報(bào)和考評(píng)。

二、系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)與思路

基于高分遙感技術(shù)的河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)是依托航天“系統(tǒng)工程”思想，從水資源管理、水資源保護(hù)、水資源調(diào)度、應(yīng)急保障等需求出發(fā)，以數(shù)據(jù)為核心，構(gòu)建基于高分遙感技術(shù)的“感、傳、智、用”體系化智慧水利解決方案。系統(tǒng)以航天衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)為抓手，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)為支撐，響應(yīng)國(guó)家相關(guān)政策，積極利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)手段與遙感影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建以天空地一體化監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)挖掘與人工智能分析、信息化與輔助決策為特點(diǎn)的河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)，解決河湖長(zhǎng)制河道管理、非法采砂、侵占岸線(xiàn)、大范圍水污染等監(jiān)管難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)河湖長(zhǎng)制發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題快速化、績(jī)效考核精準(zhǔn)化、管理精細(xì)化、決策智能化。最終以感知能力共建共享、數(shù)據(jù)融合挖掘、應(yīng)用示范推廣、產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶動(dòng)為特點(diǎn)打造水利樣板工程，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善，保障可持續(xù)發(fā)展。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)組成

河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)由信息采集與接入系統(tǒng)、河長(zhǎng)數(shù)據(jù)處理中心、河長(zhǎng)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)、遙感水利綜合應(yīng)用系統(tǒng)、“河長(zhǎng)一張圖”GIS 管理系統(tǒng)、河湖長(zhǎng)制移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)組成，形成“一張采集網(wǎng)、一個(gè)數(shù)據(jù)中心、一套共享平臺(tái)、一個(gè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)、三種展現(xiàn)形式（PC、App、公眾號(hào)/小程序）”的一體化河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)河湖長(zhǎng)制管理要素全覆蓋、流程全監(jiān)管、功能全方位。系統(tǒng)功能組成如圖1。

圖1 河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)功能組成

2.系統(tǒng)架構(gòu)

河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)建設(shè)總體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)服務(wù)、平臺(tái)支撐、業(yè)務(wù)服務(wù)、前端應(yīng)用等6 層，總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)框架

①數(shù)據(jù)采集層：通過(guò)衛(wèi)星遙感、視頻、固定監(jiān)測(cè)站等手段獲取河湖空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水利信息的全面接入。

②網(wǎng)絡(luò)傳輸層：綜合利用天基、地基網(wǎng)絡(luò)為信息的采集與更新提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

③數(shù)據(jù)服務(wù)層：構(gòu)建水利公用數(shù)據(jù)庫(kù)、河湖長(zhǎng)制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)等，存儲(chǔ)河湖水文、管理、監(jiān)測(cè)、遙感等數(shù)據(jù)，并向不同用戶(hù)提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

④平臺(tái)支撐層：河湖長(zhǎng)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)將資源進(jìn)行整合，為業(yè)務(wù)層各系統(tǒng)提供顯示工具集、分析工具集和業(yè)務(wù)工具集。

⑤業(yè)務(wù)服務(wù)層：包括“河湖長(zhǎng)一張圖”GIS 管理系統(tǒng)、河湖長(zhǎng)制移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)、遙感水利綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

⑥前端應(yīng)用層：系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景分為河湖長(zhǎng)主要使用移動(dòng)端App，河湖長(zhǎng)辦主要使用PC 端的WEB 網(wǎng)站，社會(huì)公眾主要使用微信小程序，委辦單位主要使用PC 端的WEB 網(wǎng)站。

3.系統(tǒng)流程

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源包括各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)、航空遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、河長(zhǎng)移動(dòng)端獲取的數(shù)據(jù)及已有系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)入河長(zhǎng)數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、管理及發(fā)布，為系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支撐，河長(zhǎng)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了與底層的數(shù)據(jù)中心資源的信息交互，為上層河長(zhǎng)管理應(yīng)用系統(tǒng)中的各項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供部署環(huán)境和業(yè)務(wù)構(gòu)件。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖3。

圖3 河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

（2）系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)（事件）處理流程以大網(wǎng)格為基礎(chǔ)，即鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街）級(jí)的行政區(qū)域?yàn)楹娱L(zhǎng)責(zé)任范圍。主要流程為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—數(shù)據(jù)傳輸—反映問(wèn)題—信息平臺(tái)—相關(guān)部門(mén)—現(xiàn)場(chǎng)處理—信息反饋—公開(kāi)公示。河湖長(zhǎng)制管理業(yè)務(wù)受理事件來(lái)源是多方位的，包括已有信息系統(tǒng)、河長(zhǎng)版App、微信公眾號(hào)、巡河上報(bào)、公眾舉報(bào)、執(zhí)法監(jiān)管上報(bào)、遙感監(jiān)測(cè)（衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)）等手段，根據(jù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的不同來(lái)源其業(yè)務(wù)處理流程也不同。河湖長(zhǎng)制業(yè)務(wù)流程如圖4。

圖4 河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

4.遙感監(jiān)測(cè)工作模式

遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)范圍大、周期短、獲取信息速度快、信息量大，可以獲取多尺度、快速、宏觀、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)。遙感水利綜合應(yīng)用系統(tǒng)充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，面向河長(zhǎng)六大任務(wù)與職責(zé)，利用衛(wèi)星資源包括高分系列、資源系列、高景一號(hào)、委遙一/二號(hào)、天繪一號(hào)、風(fēng)云系列等衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)，為河湖長(zhǎng)制監(jiān)測(cè)提供空間分辨率0.5~16 m、月/季/年不同時(shí)相的水資源生態(tài)環(huán)境管理、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水土保持、水利工程監(jiān)測(cè)、防汛抗旱衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)專(zhuān)題圖，提供違法程度監(jiān)測(cè)報(bào)告、評(píng)價(jià)分析，作為處置決策依據(jù)。通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)的多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行水質(zhì)分類(lèi)及富營(yíng)養(yǎng)化程度判定，結(jié)合環(huán)境保護(hù)、水環(huán)境管理等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)流域生態(tài)修復(fù)及保護(hù)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的指導(dǎo)。遙感水利綜合應(yīng)用業(yè)務(wù)流程如圖5 所示，可用遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)內(nèi)容及星源分析見(jiàn)表1。

圖5 遙感在水利監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中工作模式

表1 水利應(yīng)用遙感衛(wèi)星星源分析

5.系統(tǒng)角色配置

河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)以移動(dòng)辦公終端與公眾服務(wù)終端為入口，各地聯(lián)絡(luò)員為協(xié)調(diào)，河長(zhǎng)為主線(xiàn)，依托基層村級(jí)河長(zhǎng)、工作人員與職能部門(mén)對(duì)事件的快速響應(yīng)，完成事件上通下達(dá)處理流程?；鶎友埠尤藛T利用辦公終端進(jìn)行巡河，公眾利用公眾服務(wù)移動(dòng)端進(jìn)行監(jiān)督，都將信息上報(bào)至“河長(zhǎng)一張圖”GIS 管理系統(tǒng)WEB 端，管理人員進(jìn)行派單、流轉(zhuǎn)、督辦等操作，詳見(jiàn)圖6。

圖6 河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)角色配置設(shè)計(jì)

6.組件拓?fù)潢P(guān)系

河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)組件拓?fù)湓O(shè)計(jì)，見(jiàn)圖7。

圖7 河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)組件拓?fù)湓O(shè)計(jì)

信息采集與接入：主要由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（監(jiān)視排污口、水利設(shè)施與工程、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站）、水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器、水位監(jiān)測(cè)傳感器、水體取樣裝置以及區(qū)域遙感數(shù)據(jù)中心組成，負(fù)責(zé)水利數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的采集。

網(wǎng)絡(luò)鏈路：負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶娱L(zhǎng)數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)外發(fā)布水利監(jiān)測(cè)信息產(chǎn)品，支撐應(yīng)用系統(tǒng)和共享服務(wù)平臺(tái)。鏈路主要分為兩種，即有線(xiàn)傳輸和無(wú)線(xiàn)傳輸。

河長(zhǎng)數(shù)據(jù)處理中心：作為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)為各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供硬件支撐環(huán)境、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以及網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。由網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備（VPN、路由器、交換機(jī)等）、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備（防火墻）以及各個(gè)應(yīng)用服務(wù)器組成。

應(yīng)用服務(wù)：負(fù)責(zé)河長(zhǎng)業(yè)務(wù)信息發(fā)布、水利防汛信息發(fā)布等應(yīng)用服務(wù)，推送到各級(jí)水利應(yīng)用部門(mén)、會(huì)議指揮中心、用戶(hù)移動(dòng)端等。

四、結(jié) 論

基于高分遙感技術(shù)的河湖長(zhǎng)制管理信息系統(tǒng)集成河湖信息、河長(zhǎng)信息、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（水位、水質(zhì)等）、實(shí)時(shí)視頻、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等，構(gòu)建動(dòng)態(tài)治水、管治合一的綜合河道監(jiān)督治理平臺(tái)。系統(tǒng)基于“GIS 一張圖”展示進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成具有特色的天空地一體化河長(zhǎng)監(jiān)管模式，大力推進(jìn)以衛(wèi)星遙感應(yīng)用為特色的河湖長(zhǎng)制相關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖長(zhǎng)制的精準(zhǔn)管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控和高效維護(hù)，提高河道業(yè)務(wù)管理能力和對(duì)外服務(wù)能力。

系統(tǒng)通過(guò)頂層設(shè)計(jì)消除信息孤島，以河湖長(zhǎng)制為平臺(tái)加強(qiáng)部門(mén)間聯(lián)動(dòng)，可有效解決涉水管理職能分散、交叉的不足，形成河湖管理保護(hù)合力，確保業(yè)務(wù)流程統(tǒng)一、數(shù)據(jù)完整，支持省、市、縣（市、區(qū)）、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）四級(jí)管理，滿(mǎn)足河長(zhǎng)制管理者、各級(jí)河長(zhǎng)、社會(huì)公眾等多類(lèi)用戶(hù)的需求，具有“ 看得見(jiàn)”“叫得應(yīng)”“用得好”的特點(diǎn)。