空間信息技術(shù)在水政監(jiān)察執(zhí)法中的應(yīng)用研究

梁東業(yè)，譚德寶，宋 麗

空間信息技術(shù)在水政監(jiān)察執(zhí)法中的應(yīng)用研究

梁東業(yè)，譚德寶，宋 麗

（長(zhǎng)江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010）

針對(duì)傳統(tǒng)水政監(jiān)察執(zhí)法手段的不足及存在的弊端，以三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州段為例，以2002年和2006年航空影像為主要數(shù)據(jù)源，運(yùn)用遙感變化檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)出研究區(qū)的新增建筑和水面線等變化信息；同時(shí)運(yùn)用地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)手段，提供空間信息查詢和定位導(dǎo)航，為水行政監(jiān)察執(zhí)法提供依據(jù)，開(kāi)創(chuàng)了空間信息技術(shù)一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

水政監(jiān)察執(zhí)法；空間信息技術(shù)；變化檢測(cè)

自1988年《中華人民共和國(guó)水法》頒布實(shí)施特別是2002年修訂后的《中華人民共和國(guó)水法》出臺(tái)以來(lái)，我國(guó)在維護(hù)水事秩序、調(diào)解水事糾紛、查處水事案件等方面取得了可喜成績(jī)。但是，隨著科技的飛速進(jìn)步和生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，河道兩岸洲灘的土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度日益加大，各類水事活動(dòng)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。主要表現(xiàn)在：（1）水政執(zhí)法的工作范圍很廣，而目前的水政執(zhí)法隊(duì)伍人數(shù)總的來(lái)說(shuō)相對(duì)較少，使得水政執(zhí)法工作往往陷入被動(dòng)的局面；（2）以往國(guó)家的有限投入主要解決一些基本的、常規(guī)的執(zhí)法裝備問(wèn)題，很少采用新的科技手段，因此執(zhí)法工作取證難、效率低；（3）違法水事行為常常發(fā)生在較為偏僻的地方，水政監(jiān)督工作難度很大，并且耗費(fèi)大量的人力財(cái)力，監(jiān)督執(zhí)法周期太長(zhǎng)。因此，研究采用遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)這三大空間信息技術(shù)手段，快速檢測(cè)出可疑水事區(qū)域，并提供相關(guān)查詢和快速定位等功能，更好地維護(hù)水事秩序，具有重要意義。

1 研究方法

1.1 遙感技術(shù)

遙感（Remote Sensing，RS）是在不直接接觸的情況下，對(duì)目標(biāo)或自然現(xiàn)象遠(yuǎn)距離感知的一門(mén)探測(cè)技術(shù)。利用遙感影像對(duì)地表變化進(jìn)行檢測(cè)，早在遙感技術(shù)發(fā)展的初期就引起了人們的興趣，并廣泛應(yīng)用于土地利用、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估以及森林植被變化_監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中。在執(zhí)法監(jiān)察方面，遙感技術(shù)主要應(yīng)用于土地執(zhí)法監(jiān)察、城市規(guī)劃執(zhí)法監(jiān)察中。但是，遙感在水政監(jiān)察執(zhí)法方面的研究和應(yīng)用很少，這里應(yīng)用遙感技術(shù)，對(duì)水政執(zhí)法關(guān)心的目標(biāo)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是一種有意義的嘗試，新的方法相對(duì)于傳統(tǒng)的水政執(zhí)法手段，具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

（1）及時(shí)性強(qiáng)。利用衛(wèi)星遙感進(jìn)行水政監(jiān)察執(zhí)法能夠及時(shí)地反映目標(biāo)區(qū)域變化情況。比如IKO-NOS衛(wèi)星每天繞地球飛行l(wèi)5圈，每3天就可以對(duì)地面上的任何一個(gè)區(qū)域進(jìn)行一次拍攝。若降低分辨率，它每天都可以重訪一次同一區(qū)域；QUICKBIRD衛(wèi)星數(shù)據(jù)重訪周期為1～3.5d，及時(shí)的信息反饋能夠盡早地發(fā)現(xiàn)違法信息，進(jìn)行迅速的違法處理。

（2）精度高。IKONOS衛(wèi)星可拍攝到地面上直徑不足1 m物體的全色（黑白）圖像和直徑僅4 m的物體多光譜圖像。

QUICK BIRD衛(wèi)星：其全色波段分辨率為0.6lm，彩色多光譜分辨率為2.44 m。

ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)：空間分辨率2.5 m。

Spot5全色：分辨率2.5 m。

IRS-p6全色：分辨率5.8 m。

（3）覆蓋范圍大、形象、直觀。遙感影像形象、直觀、覆蓋范圍大、真實(shí)性強(qiáng)，它能夠清楚、綜合地反映出整個(gè)土地利用狀況，岸線變化、違法占地、侵占水文設(shè)施等情況都可以檢查，尤其可幫助我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)因交通不便而不易被巡查發(fā)現(xiàn)的案件。

QUICKBIRD衛(wèi)星數(shù)據(jù)：景寬16.5 km，景面積272 km2。

ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)：景寬：70 km，面積4 900 km2。

IRS-P6全色5.8 m分辨率：標(biāo)準(zhǔn)景70 km×70 km，面積4 900 km2。

Spot5全色2.5 m分辨率：標(biāo)準(zhǔn)景60 km×60 km，面積3 600 km2。

（4）遙感影像信息豐富。監(jiān)測(cè)目標(biāo)的尺寸、形狀、相鄰地物的關(guān)系均可反映，還可以準(zhǔn)確地確定監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位置、面積大小及形態(tài)等要素。

（5）震懾力強(qiáng)，具有警示、宣傳功能。遙感影像的真實(shí)性和客觀性可起到一定的威懾效應(yīng)，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行執(zhí)法檢查，可以對(duì)一些心存繞幸、以身試法者產(chǎn)生強(qiáng)大的警示作用，并能在一定程度上減少現(xiàn)行管理體制給水政監(jiān)察執(zhí)法工作帶來(lái)的阻力，同時(shí)可提高監(jiān)察執(zhí)法的嚴(yán)肅性。

運(yùn)用遙感技術(shù)進(jìn)行水政執(zhí)法監(jiān)測(cè)，主要是指基于遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)，分析可疑水事行為，為水政執(zhí)法提供依據(jù)。遙感變化檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是遙感瞬間視場(chǎng)中地表特征隨時(shí)間發(fā)生的變化而引起的2個(gè)時(shí)期影像像元光譜響應(yīng)的變化［1］。利用遙感多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行變化信息的檢測(cè)方法有多種，一般將其分為兩大類：一類是分類后比較法，另一類是直接比較檢測(cè)法，或者叫增強(qiáng)法［2］，這里采用直接比較檢測(cè)法。在遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGINE 8.7中，選用經(jīng)過(guò)正射校正和輻射校正后的2002年和2006年的遙感影像，進(jìn)行變化檢測(cè)。

1.2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，簡(jiǎn)稱GIS）是一種決策支持系統(tǒng)，它具有信息系統(tǒng)的各種特點(diǎn)，它與其他信息系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其存儲(chǔ)和處理的信息是經(jīng)過(guò)地理編碼的。地理信息系統(tǒng)在水政監(jiān)察執(zhí)法中的應(yīng)用主要在于其強(qiáng)大的空間信息查詢和分析功能。

1.2.1 體系結(jié)構(gòu)

由于水政監(jiān)察執(zhí)法的用戶較多，本研究采用B／S體系結(jié)構(gòu)，以.NET和ArcGIS Server為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在Microsoft Visual Studio 2005集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，采用由數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和客戶端的表現(xiàn)層組成的三層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，建立水政執(zhí)法遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用三層分布式信息系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以選擇如何組合各個(gè)部件來(lái)執(zhí)行各種不同的任務(wù)。在一個(gè)互操作組件環(huán)境中，用戶可以從執(zhí)行類似任務(wù)的組件中進(jìn)行選擇，并將所選的組件進(jìn)行組合，以更好地產(chǎn)生應(yīng)用所需要的信息。

數(shù)據(jù)層在系統(tǒng)中主要提供數(shù)據(jù)服務(wù)，它的實(shí)體是一個(gè)集衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、航空遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)、實(shí)地取證數(shù)據(jù)于一體的水政執(zhí)法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

應(yīng)用層主要提供應(yīng)用服務(wù)，前端所有功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分是后臺(tái)支持體系，在原有復(fù)雜、龐大的GIS后臺(tái)體系上牽涉到很多GIS和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)。應(yīng)用層主要起到GIS核心層和Web Server的中間件的作用。它采用Arcgis Server構(gòu)建，根據(jù)水政監(jiān)察執(zhí)法的業(yè)務(wù)內(nèi)容提供省際邊界河流信息管理、采砂船只辨識(shí)、遙感水質(zhì)分析、河勢(shì)變化監(jiān)測(cè)、涉水工程監(jiān)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用。

客戶端的應(yīng)用系統(tǒng)即為表現(xiàn)層，它以網(wǎng)站的形式供用戶使用應(yīng)用層所提供的一系列實(shí)用功能，水政執(zhí)法管理者可在Internet網(wǎng)上直接訪問(wèn)系統(tǒng)，查詢最新的信息，輔助水政執(zhí)法監(jiān)察。

1.2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)包括信息管理、遙感監(jiān)測(cè)、輔助決策3大模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

信息管理主要包括空間數(shù)據(jù)的瀏覽、影像瀏覽、信息查詢等功能。其中，空間數(shù)據(jù)的瀏覽和信息查詢均針對(duì)所有入庫(kù)的空間數(shù)據(jù)；影像瀏覽是對(duì)各個(gè)時(shí)期各種分辨率遙感影像的瀏覽。

遙感監(jiān)測(cè)主要對(duì)與水政監(jiān)察執(zhí)法所緊密相關(guān)的一些地理要素的監(jiān)測(cè)，主要包括采砂船只辨識(shí)、河勢(shì)變化監(jiān)測(cè)、涉水工程監(jiān)測(cè)等各個(gè)模塊。

輔助決策是遙感監(jiān)測(cè)中各個(gè)模塊均可以用到的一些輔助功能，如空間分析，輔助資料查詢、土方量算等。

1.3 全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System簡(jiǎn)稱GPS）是由美國(guó)為主研制的軍民合用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位，它包括空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分3個(gè)部分［3］。GPS系統(tǒng)的基本定位原理是：由于每顆GPS衛(wèi)星都時(shí)刻發(fā)布著其位置和時(shí)間數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶接收機(jī)能夠測(cè)量每顆衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間延遲，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)乃俣龋涂梢杂?jì)算出接收機(jī)到不同衛(wèi)星的距離。只要同時(shí)收集至少4顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，就可以算出三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。

導(dǎo)航定位是GPS的主要應(yīng)用之一。水政執(zhí)法人員可以利用手持式GPS查詢?nèi)魏螘r(shí)段的水事行走情況，此外手持式GPS還有地圖標(biāo)注功能，這些都能給水政執(zhí)法人員尋找水事行為的發(fā)生地點(diǎn)提供方便。同時(shí)，還可以將基于GPS的智能車輛導(dǎo)航儀裝載于水政執(zhí)法車上。這種智能車輛導(dǎo)航儀以電子地圖為監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)GPS接收機(jī)獲得車輛的實(shí)時(shí)位置信息，當(dāng)接近路口、隧道等特殊路段時(shí)，導(dǎo)航儀會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音提示，即使在不熟悉的地域，導(dǎo)航儀也能幫助司機(jī)迅速到達(dá)水事活動(dòng)的發(fā)生地點(diǎn)。同時(shí)導(dǎo)航儀還設(shè)有最佳行進(jìn)路線選擇及線路偏離報(bào)警等輔助功能［4］。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

圖2 2002年遙感影像Fig.2 2002 remote sensing image

圖3 2006年遙感影像Fig.3 2006 remote sensing image

圖4 變化檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Changing detection results

2.1 研究區(qū)選擇和數(shù)據(jù)預(yù)處理

萬(wàn)州地處長(zhǎng)江三峽水庫(kù)中段，是重慶第二大城市和三峽庫(kù)區(qū)最大的中心城市，也是長(zhǎng)江十大港口之一，故選取萬(wàn)州為研究區(qū)。首先收集萬(wàn)州地區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)、專題空間數(shù)據(jù)、DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)、水政執(zhí)法相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等幾大類。其中，專題空間數(shù)據(jù)主要用于專題信息的瀏覽和查詢，同時(shí)輔助變化檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)包括萬(wàn)州段取水口分布圖、排污口分布圖、水功能區(qū)劃圖、涉水建筑分布圖、岸線規(guī)劃專題圖；DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)主要用于對(duì)變化區(qū)域范圍內(nèi)高程的查詢和統(tǒng)計(jì)；水政執(zhí)法相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括執(zhí)法案件資料、巡查檔案資料、相關(guān)政策法規(guī)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，用于輔助決策；遙感影像數(shù)據(jù)是變化檢測(cè)的數(shù)據(jù)源。由于研究區(qū)范圍較小，且處在三峽庫(kù)區(qū)，云層、雨水較多，多霧、能見(jiàn)度低，這片區(qū)域的衛(wèi)星影像質(zhì)量較差，所以選擇了2002年和2006年的航空影像作為遙感變化檢測(cè)的數(shù)據(jù)源，分辨率為0.5 m。在Erdas 8.7中，對(duì)航空影像進(jìn)行正射校正，使得幾何配準(zhǔn)誤差小于半個(gè)像素，采用傅里葉變換的方法對(duì)影像進(jìn)行輻射校正，改善圖像質(zhì)量。預(yù)處理后的影像如圖2和圖3所示。

2.2 遙感變化檢測(cè)結(jié)果分析

在Erdas 8.7中，運(yùn)用2002年和2006年的遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)。對(duì)比2002年的遙感影像和圖4所示的變化檢測(cè)結(jié)果可以看出：A處原本為植被，現(xiàn)在上面有不少建筑已經(jīng)落成；B處原本為岸邊一塊綠地，現(xiàn)在綠地面積已經(jīng)明顯減少，大部分已呈現(xiàn)為裸土，并且有開(kāi)發(fā)建設(shè)的跡象；C，D，E，F(xiàn)處新增了幾處碼頭。從整體來(lái)看，水面線也大幅縮小，這有2種可能，一是由于2002年的影像處于蓄水期，二是由于河道周邊的土地開(kāi)發(fā)導(dǎo)致河岸變窄，這些都有待水政執(zhí)法部門(mén)進(jìn)行調(diào)查，以規(guī)范水事行為。

2.3 地理信息系統(tǒng)功能

2.3.1 專題數(shù)據(jù)瀏覽

系統(tǒng)可以對(duì)示范區(qū)域內(nèi)的重要專題空間數(shù)據(jù)如取水口、排水口、涉水建設(shè)工程項(xiàng)目、岸線規(guī)劃數(shù)據(jù)、水功能區(qū)劃數(shù)據(jù)等進(jìn)行瀏覽，并可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的放大、縮小、漫游等操作。

2.3.2 空間信息查詢

提供岸線規(guī)劃數(shù)據(jù)、水功能區(qū)劃數(shù)據(jù)、重要水工程（包括取水口、排水口、涉水建設(shè)工程項(xiàng)目等）等地理空間數(shù)據(jù)的查詢，還可以根據(jù)屬性信息查詢空間數(shù)據(jù)。如，輸入關(guān)鍵字＂工業(yè)用水區(qū)＂，就可以查詢到水功能區(qū)劃數(shù)據(jù)中屬性為＂工業(yè)用水區(qū)＂的區(qū)域，并在頁(yè)面右邊地圖窗口中以高亮顯示。如圖5所示。

圖5 信息查詢Fig.5 Information query

2.3.3 水面線變化檢測(cè)

對(duì)于水面線的變化檢測(cè)，是根據(jù)2002年和2006年的航片對(duì)水面線進(jìn)行矢量化，在Arcmap中將矢量化的水面線數(shù)據(jù)與影像疊加，直觀地顯示出水面線變化的情況，借助軟件放大顯示能更清楚地看到變化。若將DEM與上面的水面線進(jìn)行疊加，還可以在水面線變化區(qū)域點(diǎn)擊查詢變化區(qū)域的高程范圍。

2.3.4 其他輔助決策功能

輔助決策功能包括空間定位、量算、標(biāo)記功能、輔助資料查詢。

空間定位是對(duì)已經(jīng)知道地理坐標(biāo)的目標(biāo)進(jìn)行定位，輸入地理坐標(biāo)值，將在地圖上顯示對(duì)應(yīng)的目標(biāo)。

量算功能包括空間距離和面積量算。

標(biāo)記功能是指專業(yè)技術(shù)人員在后臺(tái)將對(duì)比分析結(jié)果用文字或者圖形區(qū)域標(biāo)記出來(lái)，提供給系統(tǒng)供用戶查看。

2.4 GPS定位導(dǎo)航

通過(guò)手持式GPS和基于GPS的智能車輛導(dǎo)航儀進(jìn)行空間定位和行進(jìn)路線選擇，為水政執(zhí)法人員調(diào)查取證和處理案件提供方便。

3 結(jié)論與展望

運(yùn)用空間信息技術(shù)，針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州段某區(qū)域，檢測(cè)出可疑建筑、新建碼頭、水面線縮小等水事行為，并提供相關(guān)的空間信息查詢，為水政監(jiān)察執(zhí)法提供依據(jù)。新的水政監(jiān)察執(zhí)法手段不僅及時(shí)、精度高、覆蓋范圍大，而且具有威懾力和宣傳警示功能，還可以在一定程度上保護(hù)執(zhí)法人員的人身安全，相對(duì)于傳統(tǒng)的水政執(zhí)法手段具有明顯優(yōu)勢(shì)，是今后創(chuàng)新水政執(zhí)法工作的一個(gè)努力方向。而如何對(duì)遙感變化檢測(cè)的算法進(jìn)行改進(jìn)，并將空間信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與水政監(jiān)察執(zhí)法業(yè)務(wù)更加緊密地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮高新技術(shù)在資源管理與保護(hù)、水政執(zhí)法監(jiān)察等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，提高水資源管理的科技水平，使水資源更好地為人類的生存和發(fā)展服務(wù)，是值得進(jìn)一步開(kāi)展研究和實(shí)驗(yàn)的重要課題。

［1］ 馬建文，田國(guó)良，王長(zhǎng)耀，等.遙感變化檢測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2004，19（2）：192－196.（MA Jian-wen，TIAO Guo-liang，WANG Chang-yao，et al.Re-view of the development of remote sensing change detec-tion technology［J］.Advance in Earth Sciences，2004，19（2）：192－196.（in Chinese））

［2］ 張 路.基于多元統(tǒng)計(jì)分析的遙感影像變化檢測(cè)方法研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2004.（ZHANG Lu.Change detection in remotely sensed imagery using multivariate statistical analysis［D］.Wuhan：Wuhan University，2004.（in Chinese））

［3］ 李舟明.GPS全球定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2009，（4）：72－73.（LIZhou-ming.Design of global po-sitioning system［J］.Equipment Manufacturing Technolo-gy，2009，（4）：72－73.（in Chinese））

［4］ 張小紅，李征航，汪志明.GPS定位技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.測(cè)繪信息與工程，2001，（2）：10－13.（ZHANG Xiao-hong，LI Zheng-hang，WANG Zhi-ming.Applications Of GPS in several fields［J］.JournalofGeo-matics，2001，（2）：10－13.（in Chinese））

（編輯：易興華）

Application of Spatial Information Technology in Supervision and Law Enforcement of W ater Adm inistration

LIANG Dong-ye，TAN De-bao，SONG Li
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The traditional supervision and law enforcement of water administration have become less effective，re-mote sensing technology was applied to detect the changes such as new buildings and water surface profile obtained from aerial remote sensing images，in WanZhou stretch of the Three Gorges Reservoir Area in 2002 and 2006.Meanwhile，with the help of Geographic Information System and Global Positioning System，the spatial information reference system and positioning system can further be applied to provide a basis for supervision and law enforce-ment ofwater administration，which has created a new practical application of spatial information technology.

supervision and law enforcement ofwater administration；spatial information technology；change detec-tion

TP79；P331

A

1001－5485（2010）01－0033－04

2009-11-09

長(zhǎng)江科學(xué)院科研基金項(xiàng)目（YJJ0804）

梁東業(yè)（1984-），男，安徽廬江人，碩士研究生，主要從事空間信息技術(shù)應(yīng)用研究工作，（電話）027-82926550（電子信箱）xyyh1006＠163.com。