基于遙感技術(shù)的廣州市水域占用監(jiān)測分析

李萬能，趙 敏，林權(quán)滿，陳 黎，何秋銀

(珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611)

水域作為人居環(huán)境的重要組成部分，起著維持生態(tài)平衡的重要作用，維系著人類社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。為實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，維護(hù)生態(tài)平衡，水域占用問題已成為當(dāng)前水利行業(yè)關(guān)注的一大熱點(diǎn)問題，構(gòu)建科學(xué)可靠的水域占用監(jiān)測評價(jià)機(jī)制刻不容緩。然而，構(gòu)建科學(xué)可靠的水域占用監(jiān)測評價(jià)機(jī)制，必須以科學(xué)的理論、可靠的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。但采用傳統(tǒng)技術(shù)手段獲得不同時(shí)段、不同區(qū)域的水域面積及水域占用的圖斑矢量，其工作量大，經(jīng)費(fèi)高，且耗時(shí)長[2]，難以滿足新時(shí)期水利高質(zhì)量發(fā)展的要求，這就要求尋找新的技術(shù)手段和方法，以求快速可靠地獲取水域占用指標(biāo)。

遙感是使用空間運(yùn)載工具和現(xiàn)代化的電子、光學(xué)儀器，探測和識(shí)別遠(yuǎn)距離研究對象的技術(shù)，利用不同目標(biāo)的電磁波特性記錄下來，通過分析研究揭示出目標(biāo)的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)[3]。采用遙感技術(shù)手段進(jìn)行水域占用的研究不少[3-7]，可根據(jù)正射糾正后的不同時(shí)期的遙感影像及水系矢量數(shù)據(jù)，通過空間疊加分析，獲取不同年度水域占用圖斑矢量，大大減少工作量，節(jié)約成本。本文采用遙感深度學(xué)習(xí)及目視解譯相結(jié)合技術(shù)手段，以2019年4月為本底，對廣州市近3 a的水域進(jìn)行監(jiān)測提取水域占用圖斑，并分析其占用特征及原因，為后期構(gòu)建水域占補(bǔ)平衡、水行政許可審批及規(guī)范河道管理等方面提供技術(shù)支撐，同時(shí)，在水域管理藍(lán)線基礎(chǔ)上獲得轄區(qū)內(nèi)水域面積，為落實(shí)《廣州市建設(shè)項(xiàng)目占用水域管理辦法》中水行政主管部門職責(zé)提供保障。

1 廣州市水域現(xiàn)狀

廣州市地處南嶺山地向珠江河口的過渡地帶，東連增城、博羅交接的羅浮山山脈，西接花都、清遠(yuǎn)、三水交接的青云山山脈，珠江前、后航道自西向東穿城而過，全區(qū)行政區(qū)劃總面積為7 251 km2。

廣州市境內(nèi)河流眾多，均屬珠江水系，全市河流、河涌共1 368條，總長為5 092 km。其中30條為骨干河流，總長為775.07 km；1 338條為城市內(nèi)河涌，總長為4 316.77 km。全市水庫368座，總庫容為10.57億m3。以2015年為基準(zhǔn)年，利用0.6 m高分辨率遙感影像解譯廣州市各類水域，廣州市未被遮蓋的河、湖、庫、塘等面積合計(jì)約759.37 km2，其中，河道河涌面積553.25 km2，約占總面積的73%；水庫面積86.42 km2，占總面積約11%；湖泊面積6.06 km2，占總面積約1%，山塘面積49.79 km2，占總面積約7%；其他水域面積63.85 km2，約占總面積的8%[8]。

圖1 廣州市水系示意

2 資料收集及方法

2.1 資料收集

為加強(qiáng)水域管理和保護(hù)，規(guī)范建設(shè)項(xiàng)目占用水域行為，發(fā)揮水域在防洪、排澇、供水、灌溉、航運(yùn)和生態(tài)環(huán)境等方面的功能作用，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，2015年5月12日，廣州市人民政府出臺(tái)了《廣州市建設(shè)項(xiàng)目占用水域管理辦法》(以下簡稱“辦法”)。辦法中明確水域內(nèi)涵[9]，是指河道、河涌、湖泊、水庫、山塘管理范圍內(nèi)的水體、過水的沙洲、灘地(包括可耕地)、行洪區(qū)等組成的區(qū)域，不包括海域和在耕地上開挖的魚塘。

考慮本研究水域內(nèi)涵及主管部門工作職能的需要，開展了廣州市水域占用情況監(jiān)測，收集2020年廣州水域管理藍(lán)線DLG數(shù)據(jù)，作為水域占用監(jiān)測范圍；收集廣州市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，作為廣州市區(qū)域劃分的依據(jù)；收集廣州市高分一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及2019年影像本底數(shù)據(jù)，影像分辨率優(yōu)于2 m，時(shí)間為2021年4—5月、2022年4—5月；并收集了2021年1月至2022年12月市級(jí)批復(fù)涉河建設(shè)項(xiàng)目相關(guān)資料。

2.2 技術(shù)方法

根據(jù)收集衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，首先對其進(jìn)行正射糾正預(yù)處理，作為水域占用圖斑智能提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；采用深度學(xué)習(xí)方法及目視解譯相結(jié)合方式，快速獲取鐵路、公路、橋梁、碼頭、堆土堆渣等水域占用擾動(dòng)圖斑，并通過空間疊加分析獲取水域占用圖斑；最后通過統(tǒng)計(jì)分析，得到廣州市近幾年水域占用情況及所造成原因(具體技術(shù)路線見圖2)。

圖2 水域占用及變化遙感解譯技術(shù)路線示意

1)正射校正技術(shù)：利用已有的控制點(diǎn)和DEM資料對全色影像進(jìn)行正射糾正，同時(shí)對影像進(jìn)行傾斜改正和投影差改正，并通過與同景多光譜影像進(jìn)行融合、鑲嵌、勻色及重采樣等處理，制作具有空間地理信息的數(shù)字正射影像，以便于后期深度學(xué)習(xí)信息提取和目視解譯提供基礎(chǔ)影像。

2)深度學(xué)習(xí)技術(shù)：在調(diào)研已有的深度學(xué)習(xí)模型結(jié)構(gòu)，立足于對水域占用圖斑自動(dòng)識(shí)別已有模型和實(shí)驗(yàn)方法的評估的基礎(chǔ)上，選取U-Net++模型作為模型內(nèi)核架構(gòu)。U-Net++模型是一個(gè)用于圖像語義分割的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由不同深度的U-Net組成，主要包括模型架構(gòu)選取、模型訓(xùn)練與優(yōu)化、模型輸出、模型驗(yàn)證等內(nèi)容，從而較好快速獲取鐵路、公路、橋梁、碼頭、堆土堆渣等水域占用圖斑，為目視解譯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)目視解譯技術(shù)：利用計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)技術(shù)自動(dòng)化提取的初步水域占用圖斑，過人工判別和邊界目視解譯[10-11]高分辨率影像可以清晰地分辨地理要素，準(zhǔn)確地提取水域占用圖斑，采用人機(jī)交互的影像信息提取方式，快速而準(zhǔn)確地獲取水域占用矢量分類數(shù)據(jù)[12]。遙感監(jiān)測目視解譯技術(shù)，通過疊加顯示加載的分類成果矢量數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像，目視判讀已有矢量數(shù)據(jù)的位置、范圍、類別等信息的正確性，并進(jìn)行糾正。

4)空間疊加技術(shù)：疊加分析是將有關(guān)主題層組成的數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加，產(chǎn)生一個(gè)新數(shù)據(jù)層面的操作。其結(jié)果綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。疊加分析不僅包含空間關(guān)系的比較，還包含屬性關(guān)系的比較。本研究空間疊加技術(shù)基于ArcGIS平臺(tái)的空間分析模塊實(shí)現(xiàn)，將不同側(cè)面的信息內(nèi)容疊加顯示在結(jié)果圖件或屏幕上，以便研究水域占用相互空間關(guān)系及綜合兩層或多層的屬性，全面支撐后期統(tǒng)計(jì)分析。

5)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)：在區(qū)域性分析評價(jià)工作中，可將多類數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，利用 GIS 軟件的空間分析模塊，對整個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)狀況進(jìn)行客觀、全面地評價(jià)，以反映出區(qū)域中的數(shù)據(jù)評價(jià)指標(biāo)狀況以及空間分布情況[8]。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析評價(jià)

3.1 廣州市水域現(xiàn)狀

以廣州市河涌水系規(guī)劃(2017—2035年)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合2019年亞米級(jí)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，得知廣州市水域管理藍(lán)線(廣州市水域面積)范圍面積合計(jì)約744.72 km2，其中河道(涌)619.20 km2，約占總面積的83.15%；水庫92.57 km2，占總面積的12.43%，其他水域16.33 km2，占總面積的2.19%；山塘9.77 km2，占總面積的1.31%；湖泊6.84 km2，占總面積的0.92%。

廣州市國土面積為7 251 km2，水域面積為744.72 km2，2020年基本水面率為10.26%，該數(shù)據(jù)為本文研究的廣州市水域面積的基礎(chǔ)。

3.2 深度學(xué)習(xí)水域占用提取

本文采用Unet++t[13 ]可深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法，主要識(shí)別部分水域管理藍(lán)線范圍內(nèi)的水域占用圖斑，重點(diǎn)識(shí)別正在擾動(dòng)水域占用圖斑或堆土堆渣區(qū)域。模型訓(xùn)練過程中出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，將使用超參數(shù)(學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練批次大小、迭代訓(xùn)練次數(shù)，驗(yàn)證樣本占比等)優(yōu)化方法，輔助提升模型的訓(xùn)練與驗(yàn)證精度(見表1)。通過對本文研究數(shù)據(jù)分析，將學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.0001、訓(xùn)練批次大小為4、迭代次數(shù)為300代、驗(yàn)證樣本占比為每10張訓(xùn)練樣本中取1張作為驗(yàn)證樣本等，所得到識(shí)別樣本見圖3。該模型采用效率和精度均相對較好的Adam優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)對Unet++深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率的自適應(yīng)優(yōu)化。

表1 深度學(xué)習(xí)精度統(tǒng)計(jì)

圖3 深度學(xué)習(xí)識(shí)別結(jié)果(左側(cè)為衛(wèi)星影像，右側(cè)為識(shí)別結(jié)果)

考慮深度學(xué)習(xí)所得是柵格邊界，且部分圖斑邊界與實(shí)際占用邊界存在不一致，本文主要采用人機(jī)交互方式，采用深度學(xué)習(xí)鎖定水域占用圖斑位置及輪廓，采用目視解譯方式獲取占用圖斑精確邊界，以此統(tǒng)計(jì)水域占用面積。

3.3 水域占用及水域面積變化總體情況

根據(jù)2021年4月、2022年4月兩期遙感影像數(shù)據(jù)，通過深度學(xué)習(xí)及目視解譯相結(jié)合方式，分別提取了2021、2022年廣州市的水域矢量數(shù)據(jù)成果(只采集面狀水域河流岸堤及河流上的橋梁、公路、碼頭、堆土堆渣等要素，不包括人工魚塘)，數(shù)據(jù)格式為Shapefile數(shù)據(jù)。通過將不同年份廣州市水域矢量圖層進(jìn)行疊加分析(市級(jí)審批資料)，提取水域占用矢量圖斑，統(tǒng)計(jì)出2021、2022年廣州市水域占用及水域變化面積。最后，結(jié)合現(xiàn)場復(fù)核情況，統(tǒng)計(jì)分析占用類型、面積及占用原因。

以2019年4月為本底，2021年4月為監(jiān)測影像數(shù)據(jù)，對廣州市2021年水域及其水域占用遙感監(jiān)測，2019—2021年，廣州市變化水域占用面積為2 299 031 m2，以新增水域?yàn)橹鳎?021年廣州市水域面積為742.12 km2，占用類型為橋梁、公路、碼頭、鐵路、水利工程、棄土棄渣、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。其中碼頭為593 355 m2，占水域占用總面積的25.81%；公路為440 746 m2，約占水域占用總面積的19.17%；其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、橋梁、水利工程分別為37 489 m2、372 535 m2、365 087 m2，分別占水域占用總面積的16.27%、16.20%及15.88%。

以2021年4月為本底，2022年4月為監(jiān)測影像數(shù)據(jù)，對廣州市2022年水域及其水域占用遙感監(jiān)測，2021—2022年，廣州市變化水域占用面積為761 000 m2，其中新增水域面積647 985 m2，恢復(fù)水域面積113 015 m2；2022年廣州市水域面積為741.59 km2，占用類型為橋梁、公路、碼頭、鐵路及水利工程、棄土棄渣、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。其中橋梁為316 956 m2，占水域占用總面積的41.65%；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為202 303 m2，約占水域占用總面積的26.58%；公路為149 452 m2，約占水域占用總面積的19.64%，具體水域占用面積分布見圖4所示。

圖4 水域占用面積分布示意(上圖為2021年，下圖為2022年)

3.4 水域占用分析與評價(jià)

1)2021年度水域占用情況

通過遙感監(jiān)測與現(xiàn)場復(fù)核，2021年度廣州市水域占用結(jié)果進(jìn)行綜合分析可知，從年際變化、占用類型及行政區(qū)劃等3個(gè)方面分析如下。

從年際變化角度分析，相比于2019年，2021年新增水域占用面積為2 299 031 m2，無恢復(fù)水域，其中臨時(shí)占用為737 633 m2，永久占用為1 558 045 m2，新增水域占用主要為碼頭、公路、橋梁及其他基礎(chǔ)設(shè)施、水利工程等五類，面積多達(dá)2 134 382 m2，占水域占用總面積的92.9%。

從占用類型角度分析，占用類型分臨時(shí)占用和永久占用兩種，其中臨時(shí)占用以公路、橋梁、鐵路、水利工程、碼頭等臨時(shí)圍堰、施工平臺(tái)和施工臨時(shí)占用，永久占用以公路、橋梁、鐵路、水利工程、碼頭、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等為主。通過數(shù)據(jù)顯示，所占比例較大為碼頭、公路、橋梁及其他基礎(chǔ)設(shè)施，分別所占比例為25.8%、19.1%及16.2%、16.3%；所占比例較小為鐵路、機(jī)場及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，分別所占比例為1.1%、1.6%及0.3%。臨時(shí)占用區(qū)域隨著施工進(jìn)度推進(jìn)，施工臨時(shí)占用區(qū)域基本恢復(fù)，水域占用面積也逐漸減少。永久占用區(qū)域?yàn)閲窠?jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展所需，直接納入到建設(shè)項(xiàng)目行政審批手續(xù)，明確替代水域工程獲取補(bǔ)救措施。

從行政區(qū)劃角度分析，南沙區(qū)、增城區(qū)占比最大，分別為33.9%和31.1%，其次從化區(qū)、黃埔區(qū)，分別為13.8%和11.4%，最小為海珠區(qū)、荔灣區(qū)，分別為0.4%和0.2%。

通過2021年水域占用可知，水域占用面積直接與開發(fā)建設(shè)情況直接相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，廣州市水域面積在城市化進(jìn)程中總體上呈持續(xù)萎縮趨勢[10]，水域分布在面積上由城市中心向外圍逐漸增多，水域面積變化主要發(fā)生在城市外圍區(qū)域，如南沙區(qū)、增城區(qū)、從化區(qū)及黃埔區(qū)；海珠區(qū)、荔灣區(qū)等老城區(qū)則因?yàn)榻ǔ蓞^(qū)完全覆蓋，水體及占用水域非常少，基本保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。因此水域占用受到人類干預(yù)的程度直接相關(guān)。同時(shí)，水域占用類型主要集中在城市開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如橋梁、公路、水利工程及碼頭工程等，該類型工程直接解決城市運(yùn)行順暢基礎(chǔ)支撐作用，是保障未來城市高質(zhì)量發(fā)展的源泉(見圖5～圖6)。

圖5 2021年不同類型水域占用面積統(tǒng)計(jì)示意

圖6 2021年不同行政區(qū)水域占用面積統(tǒng)計(jì)示意

2)2022年度水域占用情況

通過遙感監(jiān)測與現(xiàn)場復(fù)核，2022年度廣州市水域占用結(jié)果進(jìn)行綜合分析可知，主要也從年際變化、占用類型及行政區(qū)劃等3個(gè)方面分析如下。

從年際變化角度分析，相比于2021年，2022年水域占用面積為761 000 m2，其中新增水域647 985 m2，恢復(fù)水域113 015 m2，增幅較大為橋梁工程，由16.2%增幅至41.7%，減少幅度較大為碼頭、水利工程，分別由25.8%、15.9%減少到1.7%、7.3%，其他類型與其他年份基本持平。

從占用類型角度分析，通過數(shù)據(jù)顯示，所占比例較大為橋梁、其他基礎(chǔ)設(shè)施及公路，分別為41.6%、26.6%及19.6%；所占比例較小為鐵路、機(jī)場及碼頭，分別為0.2%、0.5%及1.7%。

從行政區(qū)劃角度分析，黃浦區(qū)、增城區(qū)占比最大，分別為28.3%和19.1%，其次白云區(qū)、南沙區(qū)及從化區(qū)，分別為14.6%、14.1%、12.8%，最小為海珠區(qū)、荔灣區(qū)，分別為0.7%和0.3%。

通過2022年水域占用可知，水域占用面積基本與2021年趨勢一致，由城市中心向外圍逐漸增多，占用類型主要為橋梁、公路及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是城市開發(fā)重要水域占用行業(yè)，從而在水域占用管理工作重心以外圍正在開發(fā)建設(shè)區(qū)域?yàn)橹?，以橋梁公路行業(yè)為占用主要方面(見圖7～圖8)。

圖7 2022年不同類型水域占用面積統(tǒng)計(jì)示意

圖8 2022年不同行政區(qū)水域占用面積統(tǒng)計(jì)示意

4 結(jié)論與建議

本文收集歷史衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、水域管理藍(lán)線DLG及最新兩年亞米級(jí)衛(wèi)星影像，利用遙感深度學(xué)習(xí)及目視解譯的技術(shù)手段，針對2020—2022年廣州市的水域占用情況進(jìn)行監(jiān)測，快速準(zhǔn)確提取水域占用矢量圖斑，并分析了其水域占用空間分布、面積及類型。結(jié)果表明：① 在原有水域管理藍(lán)線及遙感解譯基礎(chǔ)上，廣州市2021、2022年未被遮蓋的河流(涌)、湖泊、水庫、山塘等面積約為742.12 km2、741.59 km2。② 經(jīng)年際數(shù)據(jù)分析，2021、2022年新增占用水域面積為2.94 km2，恢復(fù)水域0.11 km2，新增占用水域面積明顯大于恢復(fù)水域面積，該結(jié)果與廣州市水域面積在城市化進(jìn)程中總體上呈持續(xù)萎縮趨勢[14]基本一致。③ 不同行政區(qū)結(jié)果顯示，廣州周邊南沙區(qū)、增城區(qū)、黃埔區(qū)水域占比較大，中心城區(qū)荔灣區(qū)、海珠區(qū)、越秀區(qū)占比較小，較好說明占用水域分布在面積上由城市中心向外圍逐漸增多，水域面積變化主要發(fā)生在城市外圍區(qū)域。

本文利用3 a遙感影像進(jìn)行廣州市水域占用動(dòng)態(tài)監(jiān)測，較好了解了近期廣州市水域面積變化情況，考慮序列時(shí)間短，部分水域占用情況代表性不強(qiáng)，待后期水域占用動(dòng)態(tài)監(jiān)測列入日常性業(yè)務(wù)，所得動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果將具有較好的說服力，本次采用遙感監(jiān)測技術(shù)手段不但經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且可快速有效地分析出水域占用特征，為后期制定科學(xué)的水域占用補(bǔ)償機(jī)制、保護(hù)水域安全提供了可靠的技術(shù)支撐。同時(shí)，利用遙感深度學(xué)習(xí)及目視解譯的技術(shù)手段，快捷方便較為全面掌握廣州市開發(fā)利用情況，為水行政主管部門科學(xué)決策提供指導(dǎo)性建議。