無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星遙感技術(shù)在河湖監(jiān)管中的應(yīng)用

楊阿龍，李鐵男，王 俊，郭微微

（1.黑龍江省龍研水利規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，150080，哈爾濱；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，150080，哈爾濱）

黑龍江省江河湖泊眾多、水系發(fā)達(dá)、水資源豐富，全省流域面積50 km2以上河流有2881 條，總長(zhǎng)度為9.21 萬(wàn)km；現(xiàn)有常年水面面積1 km2以上的湖泊253個(gè)，水面總面積3037 km2；已注冊(cè)登記的大中小型水庫(kù)共846座。

自2017 年全面推行河長(zhǎng)制以來(lái)，黑龍江省委、省政府牢固樹(shù)立習(xí)近平生態(tài)文明思想，把打造“幸福河湖”作為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)河湖生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。但在近年推行河湖長(zhǎng)制工作中發(fā)現(xiàn)，河湖監(jiān)管對(duì)象具有“點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣、量大、類雜、變化快、領(lǐng)域多”等特點(diǎn)，傳統(tǒng)“用腿跑、用眼看、手機(jī)拍、提交報(bào)告”的人工巡河巡湖手段，存在監(jiān)管范圍小、耗時(shí)長(zhǎng)、成本大、投入人員多等問(wèn)題，難以在短時(shí)期內(nèi)獲得全面、科學(xué)的河湖監(jiān)管問(wèn)題信息，無(wú)法滿足河湖岸線整體監(jiān)管需求，巡河難度大，河湖動(dòng)態(tài)監(jiān)管難度更大?，F(xiàn)有監(jiān)管專職人員少、經(jīng)費(fèi)不足，加之全省水系戰(zhàn)線長(zhǎng)、范圍廣、環(huán)境復(fù)雜，河湖監(jiān)管面臨發(fā)現(xiàn)問(wèn)題難、技術(shù)手段落后、問(wèn)題反饋周期長(zhǎng)等問(wèn)題。無(wú)人機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)具有直觀、客觀、方便、快捷、高效的特點(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)開(kāi)展河湖長(zhǎng)制監(jiān)管的應(yīng)用實(shí)踐，在黑龍江省已取得顯著成效。

一、無(wú)人機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介

1.無(wú)人機(jī)技術(shù)

使用搭載載波相位差分技術(shù)（RTK）、高清攝像設(shè)備的大疆精靈4無(wú)人機(jī)實(shí)地核查取證，根據(jù)不同地理?xiàng)l件狀況，合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行路線和飛行參數(shù)，如飛行相對(duì)高度為100 m、飛行速度11 m/s、航向重疊率80%、旁向重疊率70%，單次飛行時(shí)間20 min 作業(yè)面積可達(dá)0.6 km2。利用大疆智圖、Pix4Dmapper、ContextCapture等專業(yè)軟件處理無(wú)人機(jī)外業(yè)航拍照片，生成高分辨率正射影像DOM，影像分辨率可達(dá)0.05～0.2 m，能更清晰地辨析“四亂”中的問(wèn)題和問(wèn)題類別。

2.遙感技術(shù)

北京二號(hào)衛(wèi)星呈多面立體結(jié)構(gòu)，整體質(zhì)量約447 kg，運(yùn)行使用壽命約7 a。衛(wèi)星使用SSTL-300 S1平臺(tái)，在高約650 km近地太陽(yáng)同步軌道（SSO）能夠敏捷提供±45°的側(cè)擺能力，可實(shí)現(xiàn)多景、條帶、沿軌立體、跨軌立體和區(qū)域等5 種成像模式。衛(wèi)星搭載VHRI-100 成像儀，覆蓋寬度約24 km，可捕捉生成分辨率0.8 m 的全色影像和3.2 m分辨率的藍(lán)、綠、紅、近紅外多光譜影像。北京二號(hào)衛(wèi)星參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 北京二號(hào)衛(wèi)星參數(shù)

3.影像解譯方法

河湖“四亂”問(wèn)題的影像解譯有兩種方法，一種是人工目視識(shí)別解譯法，一種是計(jì)算機(jī)軟件解譯法。人工目視識(shí)別解譯法根據(jù)解譯人員對(duì)不同地物的識(shí)別，參照河湖“四亂”定義標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)河湖“亂占、亂采、亂堆、亂建”問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別。該方法要求解譯人員對(duì)地物的認(rèn)知和識(shí)別經(jīng)驗(yàn)豐富，同等時(shí)間內(nèi)人力資源消耗大，解譯誤差低。計(jì)算機(jī)軟件解譯法有兩種方式，一是基于遙感影像中不同地物的光譜特性和波普特性的ENVI 軟件自動(dòng)識(shí)別解譯法，即ENVI 軟件根據(jù)地物對(duì)象的反射光譜和波普特性，制定“四亂”光譜參數(shù)、波譜特性參數(shù)等信息參數(shù)，利用ENVI 軟件自動(dòng)判讀功能，按照制定參數(shù)信息，對(duì)河道管理范圍內(nèi)的影像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別解譯并分類；二是AI 圖像自動(dòng)識(shí)別解譯法，即利用計(jì)算機(jī)AI 技術(shù)，以采集的河湖“四亂”特征與定義標(biāo)準(zhǔn)建立的對(duì)比分析數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)圖像掃描設(shè)備模式識(shí)別圖像信息。這兩種方法識(shí)別效率高，但因地物的光譜特性和波普特性有交叉，且一些地物形狀輪廓、顏色較為接近，致使解譯準(zhǔn)確率不高。

根據(jù)以上解譯方法建立河湖“四亂”問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)際應(yīng)用中采用將ENVI 軟件自動(dòng)識(shí)別解譯法、AI圖像自動(dòng)識(shí)別解譯法與人工目視識(shí)別解譯法相結(jié)合的方式，建立“ENVI軟件+AI+目視識(shí)別”的影像識(shí)別解譯標(biāo)準(zhǔn)工作流程。

二、基于無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用

綜合比較，無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)具有直觀、客觀、方便、快捷、高效的特點(diǎn)，存在獲取周期短、可測(cè)量及定位、獲取信息豐富、易讀取處理、河湖全覆蓋等優(yōu)勢(shì)。利用無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)開(kāi)展河湖長(zhǎng)制監(jiān)管的應(yīng)用實(shí)踐，已取得顯著成效。

1.基于遙感技術(shù)的河湖“四亂”疑似問(wèn)題圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)

為了能夠快速獲得河道管理范圍內(nèi)河湖“四亂”問(wèn)題，建立河湖監(jiān)管問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合計(jì)算機(jī)軟件兩種解譯方法與人工目視識(shí)別解譯法，建立“一獲、二處、三解、四核”影像識(shí)別標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)工作流程。

一獲：利用遙感技術(shù)獲取當(dāng)年的河道高分遙感影像底圖。

二處：使用Arcgis 軟件將已完成劃界的河湖管理范圍矢量數(shù)據(jù)與底圖影像相疊加，裁剪出河道管理范圍內(nèi)的遙感影像。

三解：將剪切的河道管理范圍遙感影像導(dǎo)入ENVI軟件，基于不同地物的光譜特性和波普特性，利用ENVI軟件自動(dòng)識(shí)別功能進(jìn)行影像解譯，并將成果進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，提取問(wèn)題點(diǎn)位圖斑圖像，按照行政區(qū)劃進(jìn)行編碼，定義必要屬性信息，如地物類型、“四亂”分類、問(wèn)題描述、坐標(biāo)（經(jīng)緯度）、所在行政區(qū)劃、所在河流名稱、底圖影像來(lái)源、解譯日期等信息，形成初步疑似問(wèn)題圖斑清單。

將初步疑似問(wèn)題圖斑清單導(dǎo)入AI自動(dòng)識(shí)別軟件，對(duì)ENVI軟件解譯出的初步疑似問(wèn)題圖斑清單成果進(jìn)行對(duì)比解譯，并將成果進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，提取同一疑似問(wèn)題圖斑的地物類型、“四亂”分類、問(wèn)題描述等信息，形成對(duì)比解譯問(wèn)題清單。

四核：人工目視復(fù)核對(duì)比解譯問(wèn)題清單。人工對(duì)上述兩種解譯成果進(jìn)行目視識(shí)別解譯復(fù)核，對(duì)于上述解譯識(shí)別結(jié)論一致的疑似問(wèn)題圖斑可快速瀏覽復(fù)核，對(duì)圖斑解譯結(jié)論不一致和無(wú)法識(shí)別的疑似問(wèn)題圖斑則重點(diǎn)逐個(gè)復(fù)核并進(jìn)行修正，最終建立河湖“四亂”疑似問(wèn)題圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的河湖“四亂”問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

為充分檢驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和合理性，將數(shù)據(jù)庫(kù)于黑龍江省河湖長(zhǎng)制督查暗訪工作中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查校準(zhǔn)。

（1）利用無(wú)人機(jī)暗訪核查河湖“四亂”疑似問(wèn)題圖斑

基于遙感技術(shù)獲得的河道高分遙感影像底圖，將解譯的疑似問(wèn)題圖斑和河道劃界矢量數(shù)據(jù)相疊加，通過(guò)“黑龍江省河湖長(zhǎng)制督查暗訪整改系統(tǒng)”將圖斑下發(fā)至“河湖巡查通”手機(jī)App，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行暗訪現(xiàn)場(chǎng)核查取證，排查 “四亂”問(wèn)題，同時(shí)對(duì)排污口、水庫(kù)等其他問(wèn)題進(jìn)行核查。把無(wú)人機(jī)遙感正射影像與遙感影像進(jìn)行疊加比對(duì)，進(jìn)一步確定問(wèn)題圖斑內(nèi)容；查看同一位置不同時(shí)間影像中地物的變化情況，實(shí)時(shí)查看問(wèn)題整改狀況和進(jìn)度；也可作為問(wèn)題整改佐證材料提交上級(jí)部門審核。

（2）利用無(wú)人機(jī)督查河湖“四亂”問(wèn)題

河湖長(zhǎng)督查中，以河湖“四亂”疑似問(wèn)題圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)為參考，利用無(wú)人機(jī)獲取河道高清視頻和航拍圖片，有效獲取“四亂”問(wèn)題整改進(jìn)度。無(wú)人機(jī)可有效獲得巡查對(duì)象的位置坐標(biāo)、特征輪廓、正射全景圖像及視頻等數(shù)據(jù)，上傳至黑龍江省河湖長(zhǎng)制督查暗訪整改系統(tǒng)，作為督查問(wèn)題整改現(xiàn)場(chǎng)佐證材料或形成問(wèn)題清單。利用無(wú)人機(jī)構(gòu)建一體化監(jiān)管體系，為河湖長(zhǎng)巡河提供高效、便捷、精準(zhǔn)的科學(xué)手段，還能對(duì)重點(diǎn)整改目標(biāo)和敏感區(qū)域?qū)嵤┏B(tài)化監(jiān)管，逐步完善全省河湖“四亂”問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)。

運(yùn)用遙感技術(shù)共解譯3 萬(wàn)余個(gè)河湖“四亂”疑似問(wèn)題圖斑，人工復(fù)核后采用2 萬(wàn)余個(gè)疑似問(wèn)題圖斑，并建立河湖“四亂”疑似問(wèn)題圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)。為支撐黑龍江省河湖管理和“清四亂”系列專項(xiàng)行動(dòng)，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)2 萬(wàn)余個(gè)疑似問(wèn)題圖斑中抽取4776 個(gè)進(jìn)行實(shí)地核查取證，確認(rèn)存在問(wèn)題圖斑2500 余個(gè)，解譯正確率在50%以上，極大地?cái)U(kuò)展了排查范圍，提高了工作效率和準(zhǔn)確率。

三、結(jié)果與分析

為滿足黑龍江省河湖監(jiān)管工作要求，自2020年使用無(wú)人機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)以來(lái)，歷經(jīng)4年實(shí)踐探索，實(shí)現(xiàn)了由人工提交報(bào)告到人—技—機(jī)—系統(tǒng)一體化智能化的轉(zhuǎn)變，解決了工作人員少、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題難、持續(xù)性跟蹤監(jiān)測(cè)問(wèn)題整改難等問(wèn)題，使得河湖監(jiān)管成效和效率有了極大的提高，河湖面貌發(fā)生歷史性改變，黑龍江省河湖長(zhǎng)制工作連續(xù)三年獲得國(guó)務(wù)院督查激勵(lì)獎(jiǎng)勵(lì)。

1.不同年份核查河湖“四亂”數(shù)據(jù)

全省河湖“四亂”數(shù)量在2019—2020年呈倍數(shù)增長(zhǎng)，2020 年和2021 年接近持平，2022 年開(kāi)始下降，河湖問(wèn)題核查效率趨勢(shì)和數(shù)量變化趨勢(shì)一致。河湖“四亂”問(wèn)題核查范圍從2019 年的57 個(gè)河（湖、庫(kù)）擴(kuò)大至2022 年的262 個(gè)河（湖、庫(kù)），增長(zhǎng)了3.6 倍。分析認(rèn)為，為滿足黑龍江省河湖監(jiān)管工作要求，自2020 年開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)進(jìn)行河湖問(wèn)題巡查以來(lái)，河湖問(wèn)題發(fā)現(xiàn)數(shù)量和問(wèn)題監(jiān)管效率有了極大提升。2022年問(wèn)題數(shù)量開(kāi)始下降，原因是隨著河湖“四亂”問(wèn)題不斷被整治清理，河湖岸線空間管控更加規(guī)范，河湖“四亂”問(wèn)題越來(lái)越少，但核查效率仍高于2019 年。為積極響應(yīng)黑龍江省總河湖長(zhǎng)6 號(hào)令，在2022 年小微水體排查工作中使用無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)，在20 d 內(nèi)解譯出60 余萬(wàn)個(gè)疑似小微水體圖斑，人工復(fù)核后采納其中40 余萬(wàn)個(gè)。

2.不同年份復(fù)核問(wèn)題整改情況

復(fù)核問(wèn)題整改銷號(hào)率從2019年到2022年逐年遞增，復(fù)核問(wèn)題數(shù)量先逐年增加，在2022年有所下降。分析認(rèn)為，問(wèn)題整改銷號(hào)率從2019年的9.38%提高到2022年的68.04%，增長(zhǎng)了6倍，無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)保證外業(yè)問(wèn)題精準(zhǔn)核查，極大促進(jìn)了各地對(duì)河湖“四亂”問(wèn)題清理整治銷號(hào)力度。問(wèn)題整改銷號(hào)率從2021年至2022年增長(zhǎng)十分緩慢，原因是居民生態(tài)環(huán)保意識(shí)和法律知識(shí)淡薄，致使部分河湖“四亂”問(wèn)題“前治后亂”，如在河道管理范圍內(nèi)堆放的農(nóng)藥瓶、生活垃圾、化肥袋等剛剛清理整治，隨即又堆放；還存在河道管理范圍內(nèi)村屯、廠房等歷史遺留問(wèn)題，投入大、周期長(zhǎng)，也是導(dǎo)致問(wèn)題整改率增長(zhǎng)緩慢的原因。

3.不同年份核查問(wèn)題臺(tái)賬類型情況

河湖“四亂”問(wèn)題涉及臺(tái)賬數(shù)量從2019 年的5 個(gè)到2022 年的10 個(gè)，增長(zhǎng)了1 倍。分析認(rèn)為，隨著無(wú)人機(jī)和遙感等高新技術(shù)與裝備使用，核查河湖“四亂”和水庫(kù)的兩方面5 個(gè)臺(tái)賬逐漸擴(kuò)展到排污口、農(nóng)村人居環(huán)境、涉河建設(shè)項(xiàng)目、水利部松遼委暗訪、省級(jí)暗訪督查等方面10個(gè)問(wèn)題臺(tái)賬。河湖監(jiān)管領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，進(jìn)一步推進(jìn)黑龍江省河湖監(jiān)管工作。

4.不同年份工作時(shí)間和行程情況

河湖問(wèn)題核查工作時(shí)間從2019 年31 d 到2022 年的47 d，外業(yè)核查工作時(shí)間增長(zhǎng)了16 d，里程數(shù)增長(zhǎng)了7.7萬(wàn)km。分析認(rèn)為，隨著無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)的使用，在工作時(shí)間變化不大的基礎(chǔ)上，工作里程逐年增長(zhǎng)，外業(yè)核查范圍從省級(jí)河湖逐漸向市（縣）級(jí)河湖、村級(jí)河湖和小微水體延伸，打通河湖管護(hù)“最后一公里”。

四、結(jié) 論