空天地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)在河湖監(jiān)管中的應(yīng)用與展望

黃詩峰，江 來，張芙蓉，孟德馨，孫亞勇

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心，100038，北京；3.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，100038，北京；4.湖北省水利水電科學(xué)研究院，430070，武漢）

河湖水系是山水林田湖草沙生命共同體的重要組成部分，在保障水資源安全、改善水質(zhì)、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、維護(hù)生物多樣性、改善生態(tài)環(huán)境等方面具有不可替代的作用。2016年以來，隨著河湖長制的全面推行，河湖治理保護(hù)各項(xiàng)工作有力推進(jìn)。2018年7月，水利部將“清四亂”作為推進(jìn)河湖長制“有名”“有實(shí)”的第一抓手、河湖監(jiān)管的標(biāo)志性工作，部署開展了專項(xiàng)行動(dòng)。目前河湖監(jiān)管在制度體系、人員、經(jīng)費(fèi)以及設(shè)備等方面都存在薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)新技術(shù)的需求日益迫切。遙感作為一種高新技術(shù)，具有快速、實(shí)時(shí)、宏觀監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在河湖監(jiān)管工作中發(fā)揮重要作用。隨著航空航天技術(shù)發(fā)展，通過多源衛(wèi)星、無人機(jī)等傳感器獲取信息的方式逐步增加，基于衛(wèi)星、無人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)合地面巡查構(gòu)建的河湖空天地一體化監(jiān)測(cè)體系在河湖監(jiān)管工作的應(yīng)用日益廣泛，為河湖精準(zhǔn)監(jiān)管提供了重要支撐保障。

一、河湖監(jiān)管內(nèi)容

現(xiàn)階段，為加強(qiáng)和規(guī)范河湖監(jiān)督檢查工作，水利部提出監(jiān)督檢查內(nèi)容包括：河湖形象面貌及影響河湖功能的問題；河湖管理情況；河湖長制工作情況；河湖問題整改落實(shí)情況。總結(jié)以上四方面，可將河湖監(jiān)管內(nèi)容概括為兩項(xiàng)，一是河湖形象和健康狀態(tài)監(jiān)管，二是河湖治理維護(hù)工作監(jiān)管。

1.河湖形象和健康狀態(tài)監(jiān)管

河湖形象和健康狀態(tài)監(jiān)管主要聚焦“盛水的盆”和“盆中的水”兩方面。

“盛水的盆”即河道或湖盆的物理結(jié)構(gòu)，主要關(guān)注河湖的連通性，入湖河流和出湖河流與湖泊之間的水流是否通暢；河湖面積萎縮比例是否過大；河湖岸線是否有較高的植被覆蓋率。其中河湖岸穩(wěn)定性可用岸坡傾角、岸坡植被覆蓋度、岸坡高度、河岸基質(zhì)、坡腳沖刷強(qiáng)度等指標(biāo)評(píng)價(jià)?！八膩y”（亂占、亂采、亂堆、亂建）現(xiàn)象是影響河道湖盆物理結(jié)構(gòu)的重要因素，比較突出的問題有圍湖造田、圍湖造地，導(dǎo)致河湖面積萎縮、水體自凈能力下降；另一方面是侵占河湖岸線、非法采砂、非法圍網(wǎng)養(yǎng)殖等，破壞河湖周邊生態(tài)環(huán)境。加強(qiáng)河道湖盆管理，即保護(hù)好“盛水的盆”。

“盆中的水”存在的主要問題是水量不足和水質(zhì)惡化，導(dǎo)致河湖功能嚴(yán)重退化。水量方面，可采用最低生態(tài)水位滿足程度對(duì)水量進(jìn)行表征；水質(zhì)方面，可從水質(zhì)優(yōu)劣程度、湖泊營養(yǎng)狀態(tài)、水體自凈能力等方面進(jìn)行衡量，其中評(píng)價(jià)水質(zhì)優(yōu)劣程度指標(biāo)可采用總磷TP、總氮TN、溶解氧DO，湖泊營養(yǎng)狀態(tài)可采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表示，包括葉綠素a濃度Chl-a、總磷TP、總氮TN、透明度SD、高錳酸鹽指數(shù)CODMn等。

2.河湖治理維護(hù)工作監(jiān)管

河湖治理維護(hù)工作監(jiān)管主要針對(duì)當(dāng)下河湖能否得到有效治理維護(hù)進(jìn)行監(jiān)督。隨著近年河湖長制推行，需要重視其監(jiān)督考核以及制度體系完善情況。在河湖監(jiān)管過程中，除了過往可能存在對(duì)自然發(fā)展規(guī)律和資源利用情況認(rèn)識(shí)不足的管理問題，還包括早期側(cè)重經(jīng)濟(jì)發(fā)展、為了解決民生問題造成的過度開發(fā)問題。溯其原因，主要為河湖管理監(jiān)管制度體系不完善、監(jiān)管執(zhí)法存在漏洞，導(dǎo)致很多違反條例的行為沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止。強(qiáng)化河湖監(jiān)管是解決河湖突出問題的根本措施。對(duì)河湖治理維護(hù)工作的監(jiān)管，具體可分為河湖水域岸線保護(hù)情況、河道采砂管理情況、河湖管理規(guī)劃及信息系統(tǒng)建設(shè)情況、河湖違法違規(guī)行為整改查處情況等。

二、空天地一體化河湖監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感技術(shù)是基于電磁波理論，利用各類傳感器收集遠(yuǎn)距離目標(biāo)輻射和反射的電磁波信息，并經(jīng)過一系列處理后成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種地物探測(cè)和識(shí)別的一種綜合技術(shù)，借此可以對(duì)地物特征及其變化進(jìn)行定性、定量分析。遙感技術(shù)具有快速、大范圍、高頻次的觀測(cè)能力，在河湖監(jiān)管中具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是以衛(wèi)星、無人機(jī)、地面手段相結(jié)合的空天地一體化觀測(cè)體系，能有效達(dá)到監(jiān)測(cè)手段調(diào)度協(xié)同化、信息獲取快捷化、數(shù)據(jù)處理高效化效果。

衛(wèi)星遙感技術(shù)作為發(fā)展最迅猛的高新技術(shù)之一，可收集地表和近空間電磁輻射數(shù)據(jù)，探測(cè)和識(shí)別地球資源和環(huán)境信息。我國在河湖監(jiān)管中應(yīng)用較多的陸地遙感衛(wèi)星包括資源衛(wèi)星、高分衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等系列，具備了全色、多光譜、紅外、雷達(dá)等多種手段的觀測(cè)能力，在近遠(yuǎn)期河湖長制工作方案需求下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖的大區(qū)域監(jiān)測(cè)。針對(duì)不同空間分辨率的需求，可組合不同波段的遙感數(shù)據(jù)，并進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、融合、拼接、勻光勻色等處理，制作河湖遙感影像圖，通過宏觀監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)河湖區(qū)域的變化點(diǎn)；可通過計(jì)算水體指數(shù)提取水體信息，獲取河湖的水域面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖變化的高清、實(shí)時(shí)、宏觀監(jiān)測(cè)。

無人機(jī)遙感系統(tǒng)也稱無人駕駛航空器系統(tǒng)，具有機(jī)動(dòng)靈活、響應(yīng)快、厘米級(jí)成像精度、成本低的特點(diǎn)。它的易操控性使其迅速被普及，逐漸成為大眾產(chǎn)品，大大降低了河湖監(jiān)管技術(shù)難度。受地形、天氣因素影響，傳統(tǒng)監(jiān)管過程中巡查人員存在視覺盲區(qū)時(shí)，無人機(jī)可通過搭載不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備，生成高精度正射影像圖、三維立體模型圖以及實(shí)景模型，有效提高傳統(tǒng)巡查效率。在區(qū)域監(jiān)測(cè)中，可對(duì)河湖的變化實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域、特定航線的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，真實(shí)有效地反映河湖及周邊的實(shí)際情況，精準(zhǔn)高效地提取人類活動(dòng)信息，對(duì)衛(wèi)星的大范圍監(jiān)測(cè)起到補(bǔ)充作用。

傳統(tǒng)的地面巡查方式多為人工定點(diǎn)巡查，監(jiān)測(cè)點(diǎn)有限，獲取有效信息緩慢。在衛(wèi)星技術(shù)的宏觀動(dòng)態(tài)觀測(cè)和無人機(jī)的重點(diǎn)監(jiān)管下，結(jié)合人工站點(diǎn)定期巡查，能夠隨時(shí)調(diào)取水域面積、河道長度、河湖影像等信息，快速發(fā)現(xiàn)違法亂建情況，進(jìn)一步反映至相關(guān)河湖管理人員，進(jìn)行問題核查，下發(fā)整改通知，結(jié)合地面日常巡查補(bǔ)充問題，形成在遙感監(jiān)管下有針對(duì)性的地面人工檢查。基于衛(wèi)星的宏觀監(jiān)測(cè)、無人機(jī)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，結(jié)合地面人工站點(diǎn)巡查靈活調(diào)控，形成的空天地一體化立體監(jiān)測(cè)體系能夠大幅度提高河湖監(jiān)管的效率和準(zhǔn)確性。

三、空天地一體化河湖監(jiān)管應(yīng)用

1.河湖岸線遙感監(jiān)管

河湖岸線監(jiān)管是河湖監(jiān)管的重要內(nèi)容。目前河湖岸線資源利用還存在諸多無序開發(fā)和監(jiān)管不到位的問題。自2018年7月20日起，水利部部署開展全國河湖“清四亂”專項(xiàng)行動(dòng)；2020年，水利部進(jìn)一步提出將河湖“清四亂”常態(tài)化規(guī)范化。

傳統(tǒng)河湖“清四亂”手段主要包括人工巡查、傳統(tǒng)測(cè)量及群眾舉報(bào)等，以問題現(xiàn)場調(diào)查為主。傳統(tǒng)手段在全國河湖“清四亂”專項(xiàng)行動(dòng)中起到一定推動(dòng)作用，但仍存在技術(shù)水平不高、監(jiān)管時(shí)效性低及覆蓋范圍不全等問題，導(dǎo)致部分非法侵占水域的“四亂”現(xiàn)象難以及時(shí)被發(fā)現(xiàn)查處。隨著遙感技術(shù)在河湖監(jiān)管工作的應(yīng)用推廣，綜合利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感，結(jié)合人工地面巡查移動(dòng)App信息，逐步形成空天地一體化觀測(cè)手段，通過巡查—詳查—核查—復(fù)查的“四查”體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖“四亂”的全覆蓋、全過程立體精準(zhǔn)監(jiān)控。

2.河湖水體遙感監(jiān)管

河湖水體監(jiān)管是河湖監(jiān)管另一項(xiàng)重要內(nèi)容，包括水量、水質(zhì)兩方面。遙感技術(shù)可以快速、全面、客觀、準(zhǔn)確地獲得大范圍地區(qū)河流、水庫、湖泊等地表水水體面積和水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，克服傳統(tǒng)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式的高投入、長周期、低效率的缺點(diǎn)。

在河湖水體遙感監(jiān)管中，天然水體的光譜反射率在可見光范圍內(nèi)總體較低，且隨著波長增大逐漸降低。水體的光譜反射率在藍(lán)綠光波段約為4%～5%；在近紅外波段最低，此波段入射光幾乎完全被水體吸收，在光學(xué)影像上呈暗色調(diào)，水陸界線相對(duì)清楚。對(duì)于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，多采用歸一化水體指數(shù)（NDWI）實(shí)現(xiàn)河湖水體識(shí)別提??；對(duì)于雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，水體后向散射微波強(qiáng)度弱，水體灰度值小，在雷達(dá)影像上通常表現(xiàn)為黑色，與其他地物有較為明顯的區(qū)別，在水體提取中多采用閾值法。閾值確定主要有經(jīng)驗(yàn)法、雙峰法以及最大類間方差法等，其中最大類間方差法具有精度高、不需人工干預(yù)等特點(diǎn)，應(yīng)用最廣。

加強(qiáng)河湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)維系河湖健康、推進(jìn)綠色可持續(xù)發(fā)展、保障區(qū)域水安全具有重要意義。近年來隨著我國河湖治理力度加大，河湖水質(zhì)總體上明顯改善，但是局部地區(qū)、局部水域水環(huán)境污染情況仍比較嚴(yán)重。光學(xué)衛(wèi)星遙感技術(shù)可以反演水體中葉綠素a、懸浮物濃度、濁度等水質(zhì)指標(biāo)，在大范圍水污染事件監(jiān)測(cè)方面有突出優(yōu)勢(shì)，近年來廣泛應(yīng)用于對(duì)水華、黑臭水體等水色特征明顯的污染事件監(jiān)測(cè)。

四、湖北省湖泊遙感監(jiān)測(cè)工作

湖北省被稱為“千湖之省”，湖泊眾多，水系密布。加強(qiáng)湖泊保護(hù)、開展湖泊遙感監(jiān)測(cè)一直是湖北省湖泊監(jiān)管工作的迫切需求，湖北省政府高度重視湖泊保護(hù)工作，于2012年頒布施行了《湖北省湖泊保護(hù)條例》，并于2013年正式組建湖北省水利廳湖泊局。為了加強(qiáng)對(duì)全省湖泊的保護(hù)，提高湖泊管理能力，湖北省以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為核心，研發(fā)了湖泊衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在全國水利系統(tǒng)開創(chuàng)省級(jí)湖泊衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)先例，形成了衛(wèi)星觀測(cè)和地面巡查相結(jié)合的天地一體化觀測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了湖北省湖泊業(yè)務(wù)化常態(tài)監(jiān)管，為湖北省湖泊保護(hù)和管理提供重要支撐。系統(tǒng)由C/S系統(tǒng)、B/S系統(tǒng)以及移動(dòng)執(zhí)法App構(gòu)成，自2015年投入運(yùn)行，運(yùn)用高分1號(hào)、高分2號(hào)、高分6號(hào)、資源3號(hào)、資源1號(hào)02C等多顆高分辨率衛(wèi)星影像，對(duì)全省755個(gè)湖泊“一個(gè)月一普查”，對(duì)22個(gè)重點(diǎn)湖泊“兩個(gè)月一詳查”，實(shí)現(xiàn)對(duì)湖泊水體面積及湖泊岸線疑似違法“四亂”問題的定期監(jiān)測(cè)。以牛山湖、太白湖水體面積和“四亂”問題的月尺度監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，見圖1～3。

圖1 牛山湖2020年1—12月水面形態(tài)面積提取

湖北省除了開展湖泊岸線監(jiān)管及湖泊水體監(jiān)測(cè)外，近年來進(jìn)一步豐富了湖泊監(jiān)測(cè)內(nèi)容，對(duì)于湖泊水環(huán)境問題突出的湖泊開展藻華監(jiān)測(cè)，分析湖泊的環(huán)境動(dòng)態(tài)變化及河湖治理效果，服務(wù)于湖北省湖泊水環(huán)境治理工作。

圖2 牛山湖2020年1—12月水面形態(tài)矢量分布圖

圖3 太白湖疑似圍墾湖泊遙感監(jiān)測(cè)

五、展 望

1.多星組網(wǎng)與光學(xué)微波協(xié)同高頻次河湖遙感監(jiān)測(cè)

單顆衛(wèi)星監(jiān)測(cè)能力有限，多顆衛(wèi)星組網(wǎng)形成的衛(wèi)星星座具有更強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)能力。如美國Planet公司依托由170余顆PlanetScope小衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，可實(shí)現(xiàn)每天監(jiān)測(cè)全球一次。另外，光學(xué)衛(wèi)星影像分辨率高、可辨識(shí)性強(qiáng)，是當(dāng)前河湖監(jiān)管的主要手段，但也存在不能穿透云霧的短板，天氣不好時(shí)難以實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)，而微波衛(wèi)星具有全天候觀測(cè)能力，在一些多云多雨地區(qū)具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。充分利用各類衛(wèi)星資源，基于多星組網(wǎng)技術(shù)，光學(xué)微波協(xié)同，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖高分辨率、全覆蓋、全天候監(jiān)測(cè)。

2.無人機(jī)將成為巡河巡湖的重要幫手

無人機(jī)靈活機(jī)動(dòng)，獲取影像分辨率高，是河湖監(jiān)管重要手段。隨著無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)日漸成熟，無人機(jī)巡河巡湖將朝著無人值守、自主巡航、實(shí)時(shí)回傳、智能分析方向發(fā)展，無人機(jī)替代人工巡河巡湖指日可待。

3.人工智能助力河湖監(jiān)測(cè)智能化

遙感衛(wèi)星越來越多，影像分辨率也越來越高。傳統(tǒng)的遙感影像處理及河湖信息目視解譯耗時(shí)長、效率低，難以滿足河湖遙感監(jiān)管快速應(yīng)急響應(yīng)的需求。隨著以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)日益成熟，河湖遙感信息提取及河湖變化信息提取的智能化、自動(dòng)化將成為趨勢(shì)。

4.大數(shù)據(jù)分析支撐河湖管理精準(zhǔn)決策

河湖監(jiān)管涉及衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航拍、地面巡查與站網(wǎng)監(jiān)測(cè)等多源海量異構(gòu)數(shù)據(jù)，充分利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，開展多源數(shù)據(jù)融合與信息挖掘，將打破傳統(tǒng)監(jiān)管方式帶來的信息屏障，進(jìn)一步支撐河湖管理的精準(zhǔn)決策。