吉林一號(hào)衛(wèi)星在河湖“清四亂”中的應(yīng)用

文 | 李彤 王春月 劉思言 秦磊

長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司

一、引言

河湖四亂集中表現(xiàn)為亂占、亂采、亂堆、亂建，有效監(jiān)督河湖四亂的核實(shí)和整改情況，屬于河湖長(zhǎng)制工作推進(jìn)的重要工作內(nèi)容之一[1]。《水利部辦公廳關(guān)于明確全國(guó)河湖“清四亂”專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)問(wèn)題認(rèn)定及清理整治標(biāo)準(zhǔn)的通知》（辦河湖〔2018〕245號(hào)）中明確提出“清四亂”專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)問(wèn)題認(rèn)定及清理整治標(biāo)準(zhǔn)。2020年印發(fā)《水利部辦公廳關(guān)于深入推進(jìn)河湖“清四亂”常態(tài)化規(guī)范化的通知》（辦河湖〔2020〕35號(hào)），明確指示了地方各級(jí)河長(zhǎng)辦、水務(wù)行政主管部門(mén)和各流域管理機(jī)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)把信息化建設(shè)視為重要工作目標(biāo)，并綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、視頻監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)、手機(jī)APP等手段做好河湖管護(hù)，以提升河湖監(jiān)管的信息化、現(xiàn)代化管理水平。《2023年河湖管理工作要點(diǎn)》要求進(jìn)一步強(qiáng)化河湖長(zhǎng)制，持續(xù)清理整治河湖四亂問(wèn)題，堅(jiān)決遏增量、清存量，將清理整治工作向中小河流、鄉(xiāng)村河湖延伸。加強(qiáng)遙感等技術(shù)成果應(yīng)用，形成合法的地物圖斑本底數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)河湖遙感數(shù)據(jù)周期化解譯對(duì)比，強(qiáng)化遙感圖斑閉環(huán)動(dòng)態(tài)管理，提升監(jiān)管效能。

在監(jiān)管河湖四亂問(wèn)題時(shí)，由于河湖數(shù)量多、水域面廣、河湖岸線長(zhǎng)，在一定程度上加大了河湖四亂問(wèn)題監(jiān)測(cè)監(jiān)管難度，而傳統(tǒng)的人工巡河方式成本高、效率低，難以滿足當(dāng)前對(duì)河湖四亂問(wèn)題大范圍、精準(zhǔn)性、及時(shí)性和常態(tài)化治理與管控的需求[2-4]。同時(shí)利用傳統(tǒng)方式監(jiān)管河湖四亂問(wèn)題時(shí)難以做到溯源和持續(xù)追蹤，為及時(shí)、全面、持續(xù)地實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖四亂問(wèn)題的監(jiān)管，迫切需要采用遙感技術(shù)、GIS技術(shù)等創(chuàng)新巡查監(jiān)管手段。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，其感知范圍逐漸變大，并具有光譜信息豐富、觀測(cè)視角高等優(yōu)點(diǎn)，有利于對(duì)河湖管理范圍內(nèi)疑似違法行為分布及其程度進(jìn)行認(rèn)知，可以為河湖“清四亂”提供數(shù)據(jù)依據(jù)[5-6]。

本文結(jié)合衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、手機(jī)APP、Web系統(tǒng)三種技術(shù)手段，構(gòu)建基于吉林一號(hào)衛(wèi)星的“天上看、地上查、網(wǎng)上管”模式用于解決河湖四亂問(wèn)題，加強(qiáng)河湖問(wèn)題動(dòng)態(tài)化、可視化、規(guī)范化管理，并成功應(yīng)用于長(zhǎng)春市河湖四亂遙感監(jiān)察任務(wù)中，為河湖“清四亂”提供技術(shù)支撐和執(zhí)法依據(jù)。

二、河湖四亂遙感監(jiān)管模式

吉林一號(hào)衛(wèi)星星座是長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司在建的核心工程，由138顆涵蓋高分辨、大幅寬、視頻、多光譜等系列的高性能光學(xué)遙感衛(wèi)星組成。截至2023年11月23日，已實(shí)現(xiàn)了108顆吉林一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行，成為當(dāng)前全世界規(guī)模最大的亞米級(jí)商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，目前可以對(duì)全世界任意地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)每天35-37次重訪，具有全球一張圖一年更新3次、全國(guó)一張圖一年更新9次的能力。吉林一號(hào)具有重訪高、分辨率高、幅寬大等優(yōu)勢(shì)[7]，可以為河湖監(jiān)測(cè)提供豐富的遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務(wù)。

為推動(dòng)構(gòu)建河湖“清四亂”行為的常態(tài)化和規(guī)范化工作機(jī)制，落實(shí)歸屬地監(jiān)管責(zé)任，提升河湖問(wèn)題動(dòng)態(tài)化、可視化、規(guī)范化管理水平，本文提出基于吉林一號(hào)的“天上看、地上查、網(wǎng)上管”三位一體解決河湖四亂問(wèn)題的模式（圖1）。

圖1 基于吉林一號(hào)的河湖四亂遙感監(jiān)管模式

“天上看”：依托吉林一號(hào)衛(wèi)星星座快速重訪的亞米級(jí)分辨率的衛(wèi)星影像，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法和人機(jī)交互解譯得到疑似河湖四亂圖斑和相關(guān)屬性信息。通過(guò)吉林一號(hào)星座可實(shí)現(xiàn)全面、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)獲取大面積水域亂占、亂采、亂堆、亂建等問(wèn)題的詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)全流域各要素的常態(tài)化監(jiān)測(cè)，有效解決河湖四亂問(wèn)題監(jiān)管時(shí)摸排難度大、無(wú)法持續(xù)跟蹤等問(wèn)題。

“地上查”：使用者可通過(guò)河湖四亂核查助手App完成對(duì)四亂點(diǎn)位的定位導(dǎo)航、拍照上傳、日常巡查和問(wèn)題上報(bào)；管理人員可通過(guò)此App實(shí)現(xiàn)核查審核、整改審核和抽查復(fù)核等功能的移動(dòng)辦公，推動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的疑似問(wèn)題逐個(gè)落實(shí)整改、逐個(gè)完成銷(xiāo)號(hào)。

“網(wǎng)上管”：使用者通過(guò)Web系統(tǒng)可以進(jìn)行圖斑管理和相關(guān)信息審核，方便決策與工作部署，完善全流程閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)河湖問(wèn)題動(dòng)態(tài)清零。

三、河湖四亂遙感監(jiān)管應(yīng)用

1. 河湖四亂衛(wèi)星遙感解譯特征

河湖四亂衛(wèi)星遙感監(jiān)管的主要對(duì)象為河湖管理范圍內(nèi)的亂占、亂采、亂堆、亂建四種類(lèi)型的地物，根據(jù)對(duì)河湖四亂問(wèn)題的界定以及長(zhǎng)期進(jìn)行衛(wèi)星遙感應(yīng)用服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，確定典型問(wèn)題特征與影像樣本（表1）。

表1 河湖四亂問(wèn)題的界定、遙感特征與吉林一號(hào)影像樣本

2.四亂信息圖斑提取流程

利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行四亂信息圖斑提取和分析工作，流程如圖2所示。首先，建立樣本解譯標(biāo)志，并對(duì)樣本解譯標(biāo)志進(jìn)行抽查檢驗(yàn)，保證選擇樣本的準(zhǔn)確性；然后，利用樣本解譯標(biāo)志中的典型地物圖斑進(jìn)行軟件自動(dòng)識(shí)別和人機(jī)交互解譯相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)河湖岸線管理范圍區(qū)域內(nèi)各類(lèi)圖斑的提取，自動(dòng)化提取效果示例如圖 3和圖 4所示；最后，對(duì)軟件自動(dòng)識(shí)別和人機(jī)交互解譯得到的綜合結(jié)果進(jìn)行分析，形成河湖岸線管理范圍遙感監(jiān)測(cè)清單及監(jiān)測(cè)報(bào)告，包括統(tǒng)計(jì)分析表、監(jiān)測(cè)說(shuō)明等內(nèi)容，持續(xù)對(duì)四亂信息圖斑的變化情況進(jìn)行跟蹤，分析整治及新增狀況，確保數(shù)據(jù)持續(xù)關(guān)注。

圖2 四亂圖斑提取流程

圖3 坑塘自動(dòng)化提取效果

圖4 網(wǎng)箱自動(dòng)化提取效果

對(duì)算法自動(dòng)識(shí)別和人機(jī)交互解譯得到的綜合結(jié)果進(jìn)行分析，形成岸線管理范圍遙感監(jiān)測(cè)清單及監(jiān)測(cè)報(bào)告，包括統(tǒng)計(jì)分析表、監(jiān)測(cè)說(shuō)明等內(nèi)容，持續(xù)對(duì)每期四亂信息圖斑的變化情況進(jìn)行跟蹤，分析整治及新增狀況，做到數(shù)據(jù)持續(xù)跟蹤，并通過(guò)人工篩查圖斑的方式，對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行修訂。最終河湖四亂圖斑成果屬性信息包括但不限于：圖斑編號(hào)、四亂一級(jí)類(lèi)型和二級(jí)類(lèi)型、圖斑面積、影像時(shí)間、所屬河湖編號(hào)及名稱(chēng)、經(jīng)度、緯度、行政區(qū)劃。

3.河湖四亂遙感監(jiān)管系統(tǒng)

河湖四亂遙感監(jiān)管系統(tǒng)主要功能是對(duì)疑似問(wèn)題圖斑進(jìn)行核查、管理和展示。下面以長(zhǎng)春市河湖四亂遙感監(jiān)管系統(tǒng)為例進(jìn)行功能詳細(xì)介紹。

長(zhǎng)春市河湖四亂遙感監(jiān)管系統(tǒng)使用用戶(hù)為市級(jí)、區(qū)縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)河長(zhǎng)制的工作人員。系統(tǒng)分為河湖四亂遙感監(jiān)管Web系統(tǒng)和河湖四亂核查助手App，其中Web系統(tǒng)主要的功能是對(duì)核查員核查過(guò)的圖斑信息進(jìn)行核查審核和整改審核，銷(xiāo)號(hào)處理、圖斑轉(zhuǎn)出等，比如現(xiàn)場(chǎng)核查和整改是否準(zhǔn)確到位，都需要通過(guò)Web系統(tǒng)進(jìn)行判定。河湖四亂核查助手App的主要功能是對(duì)四亂點(diǎn)位的定位導(dǎo)航、拍照上傳、日常巡查和問(wèn)題上報(bào)等，極大提高了一線巡查人員的作業(yè)效率，推動(dòng)河湖四亂問(wèn)題治理手段信息化和現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)治理的高效便捷化，最終為政府決策和管理提供解決方案。

（1）總體構(gòu)架

河湖四亂遙感監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)合用戶(hù)業(yè)務(wù)特性，將實(shí)用性、易用性和可擴(kuò)展性作為重要設(shè)計(jì)原則。系統(tǒng)的總體架構(gòu)包含4個(gè)層次，從底層到上層分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)支撐層以及用戶(hù)層。平臺(tái)建設(shè)依據(jù)運(yùn)維管理與安全保障體系，遵循軟件開(kāi)發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化管理標(biāo)準(zhǔn)，并考慮數(shù)據(jù)安全、服務(wù)安全、用戶(hù)安全、網(wǎng)絡(luò)完全等問(wèn)題，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 河湖四亂遙感監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

（2）河湖四亂遙感監(jiān)管Web系統(tǒng)

河湖四亂遙感監(jiān)管Web系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)理念，由大屏展示模塊、綜合業(yè)務(wù)監(jiān)管模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、系統(tǒng)功能模塊和個(gè)人中心模塊組成，構(gòu)建成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、流程規(guī)范的業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于GIS平臺(tái)框架，實(shí)現(xiàn)包括影像、矢量、專(zhuān)題數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與交互，采用主流先進(jìn)的前后端分離的開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行構(gòu)建?？傮w實(shí)現(xiàn)方式可以保障整個(gè)Web系統(tǒng)的擴(kuò)展性、兼容性和先進(jìn)性。具體功能如表2所示。

表2 河湖四亂遙感監(jiān)管Web系統(tǒng)功能

Web系統(tǒng)的建設(shè)可實(shí)現(xiàn)各級(jí)單位協(xié)同辦公、問(wèn)題信息動(dòng)態(tài)共享、任務(wù)處理高效便捷、管理決策迅速有效的目的。河湖四亂遙感監(jiān)管Web系統(tǒng)示例圖如圖6所示。

圖6 河湖四亂遙感監(jiān)管Web系統(tǒng)示例圖

圖7 河湖四亂核查助手App示例圖

（3）河湖四亂核查助手App

為了方便核查工作的開(kāi)展，河湖四亂核查助手App集成了離線地圖導(dǎo)航、離線數(shù)據(jù)緩存、指南針等功能，可以協(xié)助一線巡查用戶(hù)在信號(hào)弱或無(wú)信號(hào)位置開(kāi)展核查工作，更方便找到待核查目標(biāo)。此外，還開(kāi)發(fā)了核查信息后臺(tái)留存、批量上傳等多個(gè)方便快捷功能，應(yīng)對(duì)實(shí)際核查工作的復(fù)雜環(huán)境，為核查人員減輕核查負(fù)擔(dān)，提高工作效率。具體功能如表3所示。

表3 移動(dòng)核查APP功能

河湖四亂核查助手App采用Java、Kotlin、Dart、Objective-C等多種核心語(yǔ)言，整合了強(qiáng)大的地圖、拍照、自動(dòng)水印、GIS、業(yè)務(wù)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)和本地持久化技術(shù)棧。河湖四亂核查助手App不僅支持Android和iOS多平臺(tái)，還能自動(dòng)接收軟件更新通知，適配各種屏幕分辨率和尺寸，致力于為各級(jí)河湖長(zhǎng)制用戶(hù)提供高效、技術(shù)驅(qū)動(dòng)的核查工具。河湖四亂核查助手App示例圖如圖 7所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于吉林一號(hào)高頻次、高覆蓋率、高空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像可以進(jìn)行大范圍水域亂占、亂采、亂堆、亂建等問(wèn)題的監(jiān)測(cè)。本文結(jié)合衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、手機(jī)APP、Web系統(tǒng)三種技術(shù)手段，構(gòu)建一種用于河湖四亂衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)管的“天上看、地上查、網(wǎng)上管”業(yè)務(wù)模式，并已經(jīng)成功落地實(shí)踐，服務(wù)于多地水利部門(mén)，證明了相比于傳統(tǒng)模式，基于吉林一號(hào)衛(wèi)星的“天上看、地上查、網(wǎng)上管”業(yè)務(wù)模式可以加強(qiáng)河湖問(wèn)題動(dòng)態(tài)化、可視化、規(guī)范化管理，并能夠有效解決河湖“清四亂”監(jiān)管面積大、監(jiān)管難等問(wèn)題，提高工作效率、減少監(jiān)管漏洞、增加巡查頻率，整合資源、打破信息壁壘，保證河湖“清四亂”行動(dòng)高效推進(jìn)。