遙感技術(shù)在河湖“清四亂”中的應(yīng)用方法探究

李春雷 ，劉立聰 ，張雅莉 ，王 新 ，鄭慧芳

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

河湖水域是地表水的主要載體，是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)資源，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。河湖水域在防洪、排澇、灌溉、供水、發(fā)電、航運和生態(tài)景觀、水文化等方面發(fā)揮了巨大的綜合功能。我國東部平原區(qū)河網(wǎng)密布，但近幾十年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，城鎮(zhèn)周邊河流破壞較嚴(yán)重，河流蓄泄功能逐年降低[2]。因此，為推動河（湖）長制工作取得實效，進一步加強河湖管理保護，維護河湖健康生命，水利部在全國范圍內(nèi)對亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖管理保護突出問題開展專項清理整治行動。

以往河湖水域的監(jiān)管，主要采用傳統(tǒng)的測量、人工巡查、群眾舉報的方式，準(zhǔn)確性、時效性差，非法侵占水域現(xiàn)象難以及時發(fā)現(xiàn)查處，傳統(tǒng)的手段已不適應(yīng)社會發(fā)展的要求。近年來，隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，遙感監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，尤其是在水利行業(yè)，利用遙感影像來提取水體信息，彌補監(jiān)測手段存在的諸多不足[3]。高分辨率遙感對地識別能力強，監(jiān)測成果真實、客觀、準(zhǔn)確、全面，是水域動態(tài)監(jiān)測的一種先進的技術(shù)手段[4]。遙感技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取上可分為衛(wèi)星遙感、航空遙感、無人機遙感幾個大類，遙感數(shù)據(jù)種類眾多，選擇合適的遙感數(shù)據(jù)很大程度上關(guān)系到監(jiān)測的成效。

針對上述問題，本文主要探究遙感技術(shù)在河湖“清四亂”中的應(yīng)用方法。提出利用遙感技術(shù)動態(tài)監(jiān)測河湖“清四亂”行為方案，結(jié)合地物光譜特征、空間關(guān)系、幾何特征等建立河湖“四亂”解譯標(biāo)志，通過人機交互手段監(jiān)測河湖水域“四亂”行為，并分析在不同尺度下最佳的應(yīng)用方法，為河湖監(jiān)管提供有效的技術(shù)手段。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源介紹

2.1 研究區(qū)概況

浙江省位于中國東南沿海，介于東經(jīng) 118°01' ～ 123°10'，北緯27°02' ～ 31°11'之間，東臨東海，南接福建，西與安徽、江西相連，北與上海、江蘇接壤?？傮w地勢格局為西南高、東北低，自西南向東北傾斜，呈階梯下降。浙江省溪流縱橫、河網(wǎng)星羅棋布，地跨錢塘江、甌江、椒江、甬江、苕溪、運河、飛云江、鰲江八大水系。全省山地面積為7.57萬km2，占陸域面積的72.58%；水域面積為0.59萬km2，占陸域面積的5.66%；平坦地面積為2.27萬km2，占陸域面積的21.76%[5]，素有“七山一水二分田”之說。

2.2 數(shù)據(jù)源介紹

研究收集的資料可分為遙感數(shù)據(jù)和水域調(diào)查成果2大類。遙感影像用于“四亂”監(jiān)測提取圖斑，已有水域調(diào)查成果數(shù)據(jù)用于確定“四亂”監(jiān)測的范圍與圖斑的空間屬性信息。

遙感數(shù)據(jù)主要包括:①不同分辨率衛(wèi)星遙感影像，包括0.2 m無人機航拍影像；②0.5 m高景一號衛(wèi)星影像；③1.0 m的GF2號以及BJ2號衛(wèi)星影像；④2.5 m的Spot5衛(wèi)星影像；3.0 ～ 5.0 m分辨率的Planet衛(wèi)星遙感影像；

水域基礎(chǔ)成果主要包括:①2005年浙江省第一次水域調(diào)查成果；②浙江省第一次水利普查成果；③2018年浙江省河道名錄公布成果；④2018年浙江省湖泊名錄公布成果。

3 技術(shù)方法

3.1 監(jiān)測方法

遙感信息提取方法主要有人工目視解譯法和監(jiān)督分類法[6]、非監(jiān)督分類法、面向?qū)ο蟮姆诸惙╗7]、決策樹分類[8]等多種提取方法。其中，針對變化監(jiān)測，一般選擇其中2種方法:一是目視解譯，直接在遙感影像判讀，可以疊加地形圖等信息進行精確判讀；二是計算機信息提取，主要是運用監(jiān)督和非監(jiān)督分類進行計算機自動信息提取[9]。許多研究人員還利用波段閾值、波段組合[10-12]關(guān)系等進行水體變化信息提取，并取得一定成果?？紤]到水體光譜信息復(fù)雜，水生植物、水位原因、?？看弧腋∧嗌硨?dǎo)致的水色差異等多種因素直接影響著變化圖斑自動提取的精度，所以監(jiān)測采用目視解譯、人工提取的方案。

通過比對2個時期遙感影像數(shù)據(jù)，利用建立的“四亂”解譯標(biāo)志，目視解譯提取疑似“四亂”圖斑，并進行實地驗證。分析遙感數(shù)據(jù)特點，探究不同監(jiān)測尺度下最佳的應(yīng)用方法。

3.2 解譯標(biāo)志建立

水利部對河湖“四亂”定義主要包括亂占、亂采、亂堆、亂建4個大類。

（1）亂占:圍墾湖泊；未依法經(jīng)省級以上人民政府批準(zhǔn)圍墾河道；非法侵占水域、灘地；種植阻礙行洪的林木及高桿作物；

（2）亂采:河湖非法采砂、取土；

（3）亂堆:河湖管理范圍內(nèi)亂扔亂堆垃圾；傾倒、填埋、貯存、堆放固體廢物；棄置、堆放阻礙行洪的物體；

（4）亂建:河湖水域岸線長期占而不用、多占少用、濫占濫用；違法違規(guī)建設(shè)涉河項目；河道管理范圍內(nèi)修建阻礙行洪的建筑物、構(gòu)筑物。

對已收集到的影像進行分析，結(jié)合“四亂”分類，建立遙感解譯標(biāo)志。其中部分“四亂”類別在遙感影像中紋理、光譜信息相似度極高難以區(qū)分，在建立遙感解譯標(biāo)志時進行合并。根據(jù)區(qū)域自然地理、地形地貌特征、植被類型及水體利用結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律等情況，建立典型地物解譯標(biāo)志，再通過外業(yè)進行驗證（見表1）。

表1 “四亂”遙感解譯標(biāo)志表

“四亂”內(nèi)業(yè)監(jiān)測中針對亂占、亂建、亂采在遙感影像上解譯標(biāo)志比較規(guī)則明顯，識別率較高。亂堆則較難監(jiān)測與分類，亂占中種植阻礙行洪的林木及高桿作物也較難監(jiān)測，只能通過實地調(diào)查完成。

3.3 遙感數(shù)據(jù)分析

利用遙感影像數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測，影像的空間分辨率越高，監(jiān)測精度也越高，獲取的變化監(jiān)測信息也越全面。但“四亂”監(jiān)測需要較強的時效性，要同時滿足時間與空間分辨率的要求，不僅要考慮監(jiān)測精度還要考慮監(jiān)測頻次的問題。要保證衛(wèi)星過境拍攝的影像清晰，受重訪周期、空間分辨率、拍攝幅寬以及天氣狀況的限制，浙江地區(qū)氣候多雨，衛(wèi)星拍攝狀況較差，作為“四亂”監(jiān)測的影像云量需控制在10%以內(nèi)數(shù)據(jù)才可利用，因此數(shù)據(jù)獲取難度較大，時間節(jié)點也無法保證。

因此本文針對不同衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在空間分辨率、獲取周期、數(shù)據(jù)價格多方面進行多方調(diào)研分析。首先在數(shù)據(jù)獲取方面，對于高分辨率遙感數(shù)據(jù)，只能采用編程獲取所需影像。其次，變化監(jiān)測空間分辨率一般要求3 m以內(nèi)，如果分辨率進一步降低，將會大大影響監(jiān)測精度。目前國內(nèi)外符合動態(tài)監(jiān)測需求的影像數(shù)據(jù)列表及價格見表2，不同分辨率遙感影像對比效果見圖1。

圖 1 不同分辨率遙感影像對比圖

表2 浙江地區(qū)不同分辨率影像數(shù)據(jù)信息表

4 應(yīng)用方法探究

本次試驗利用已建立的解譯標(biāo)志，對不同分辨率遙感數(shù)據(jù)都進行分類提取，獲取到疑似“四亂”圖斑，但不同分辨率的數(shù)據(jù)最小監(jiān)測單元不同，決定應(yīng)用場景的不同，實驗結(jié)果見表3。

表3 不同分辨率影像監(jiān)測比對分析表

本次應(yīng)用方法探究旨在利用最新時相遙感影像主動發(fā)現(xiàn)新的“四亂”行為，在盡量少的預(yù)算內(nèi)獲得最佳的監(jiān)測效果。以浙江地區(qū)為例，進行如下分析:

針對省、市級監(jiān)測:滿足1 a 1期監(jiān)測，可以選擇的面較多，基本都可以實現(xiàn)，只是精度不同對應(yīng)的預(yù)算不同。如果在該尺度下需要完成1 a多次的全面監(jiān)測，目前可獲取度最高的是Planet衛(wèi)星數(shù)據(jù)，缺點是分辨率較低，分辨率最高可達到3.0 m，確?？梢宰龅? a 4期。

省、市級監(jiān)測如果對頻次要求不高，也可以進行1 a 1次的全面監(jiān)測，利用GF2號與BJ2號數(shù)據(jù)相互補充，分辨率可達到1.0 m，基本滿足該尺度下的監(jiān)測要求。如果作為重要河湖水域可以采取航空攝影、無人機等靈活的方式進行補充監(jiān)測。

針對區(qū)、縣級監(jiān)測:往往監(jiān)測的區(qū)域越小，影像分辨率的選擇更加廣泛，一般要求的監(jiān)測時間與空間分辨率相應(yīng)會越高。目前可直接通過BJ2號編程數(shù)據(jù)進行1 a多期的全面監(jiān)測，同樣少量重點監(jiān)測區(qū)域需如果要更高頻次監(jiān)測，可以通過無人機航拍方式進行補充監(jiān)測。

5 討論與結(jié)論

本文研究結(jié)果表明，利用高空間分辨率遙感開展河湖水域變化監(jiān)測，可快速、準(zhǔn)確獲取大范圍水域亂占、亂采、亂堆、亂建等問題信息。本文通過建立“四亂”解譯標(biāo)志，獲取疑似“四亂”圖斑，方法可操作性強。在不同的監(jiān)測尺度下，提出合理的遙感技術(shù)應(yīng)用方法。對時間分辨率要求較高的地區(qū)，可以采用3.0 ～ 5.0 m分辨率的Planet衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行1 a多次的全面監(jiān)測+重點河湖利用無人機航拍的模式進行。對空間分辨率要求較高的地區(qū)，可采用亞米級（0.5 ～ 1.0 m）衛(wèi)星影像進行1 a 1次的全面監(jiān)測+重點河湖利用無人機航拍的模式進行。

遙感技術(shù)可以主動發(fā)現(xiàn)問題，更高的監(jiān)測頻次可提前停止違法占用水域活動，更好地解決河湖水域無序占用問題，為河湖管理和水政執(zhí)法提供更有效的依據(jù)。本文的研究充分發(fā)揮遙感快速、高效獲取大范圍數(shù)據(jù)的特點，在河湖水域“四亂”監(jiān)測的應(yīng)用方法選擇上，提供重要依據(jù)。