遥感技术在河长制中的应用探讨

阎 雨，鞠 勇，王亚娟

（中科遥感科技集团有限公司，北京 100020）

遥感技术在河长制中的应用探讨

阎 雨，鞠 勇，王亚娟

（中科遥感科技集团有限公司，北京 100020）

2016 年 12 月印发的《关于全面推行河长制的意见》，提出加强水资源、水域岸线管理保护等六大任务，这标志着我国将水资源管理与保护提升到一个新高度，在此背景下，利用各种先进技术和方法提升有效的管理，是目前研究的热点。遥感技术具有观测范围广、采集信息量大、获取信息速度快等特点，根据河长制的六大任务，有针对性地讨论遥感技术在水资源、河湖岸线利用现状调查，水质与水污染及灾害监测中的应用，并提出更大程度地发挥遥感技术的优势助推河长制的实施是今后研究的热点和难点。

遥感技术；河长制；水资源；水环境；机器学习

0 引言

据 2016 年中国水资源公报统计，2016 年我国水资源总量为 32 446.4 亿m3，其中地表水资源量为31 273.9 亿m3，地下水资源量为 8 854.8 亿m3，地下水与地表水资源不重复量为 1 192.5 亿m3[1]，人均水资源拥有量较低。近几年，随着现代工业废水乱排，城市垃圾乱放，农村农药喷洒等问题的增多，河流污染日益严重，使得本来已是极少的淡水资源加剧短缺，无法为人所用。此外，随着经济社会的快速发展，我国河湖管理保护也出现了一些新问题，如非法排污、设障、捕捞、养殖、采砂、采矿、围垦、侵占水域岸线等，导致河道干涸，湖泊萎缩，水环境状况恶化，河湖功能退化，给保障水资源安全带来严峻挑战。

2016 年 12 月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于全面推行河长制的意见》[2]，提出六大河长制工作任务，涉及上下游、左右岸、河内外等对象，水工程、水资源、水环境、水灾害、水生态等领域，省、市、县、乡、村等多级行政区域，水利、环保、国土、交通、住建等多部门，需要体制机制创新、工程和非工程等措施并举，这标志着水资源监测管理到了一个新高度。传统的监测方法费时、费力，监测体系不健全，很难在较短时间内全面获取信息，而遥感技术集覆盖范围大，获取信息速度快、周期短、受条件限制少、手段多，信息量大等优势于一体，可提供客观、真实的大范围，多尺度、多维度（地理、光谱、时间等空间）的数据资料。在此背景下，找到遥感技术服务于河长制工作的切入点，将遥感技术运用到河长制工作中显得尤为重要[3-6]。

1 遥感技术在河长制中的应用

河长制的六大任务是加强水资源保护、河湖水域岸线管理保护、水污染防治、水环境治理、水生态修复和执法监管。要求以保护水资源，防治水污染，改善水环境，修复水生态为主要任务，在全国江河湖泊全面推行河长制，构建责任明确、协调有序、监管严格、保护有力的河湖管理保护机制，为维护河湖健康生命，实现河湖功能永续利用提供制度保障。针对这些任务，主要讨论遥感技术在地表水资源调查与保护、河湖水域岸线管理保护、水质与水污染及灾害监测中的应用。

1.1 地表水资源调查与保护

通过对高分辨率遥感影像进行融合、几何校正、镶嵌、匀色等处理获得监测区某时相全覆盖遥感影像图。然后利用人工目视及半自动化解译及机器学习方法，根据目标物的颜色、色调、阴影、形状、纹理、大小、成像时间、地理位置等因素，确定正确的地物分类，判读流域水资源的基本信息，如河流湖泊边界、位置、面积、河网分布等[2]，生成河流湖泊分布图，为河湖管理及保护提供决策支持。

1.2 河湖水域岸线管理保护

河长制的一大任务即加强河湖水域岸线管理保护。监测河道管理范围内妨碍行洪的房屋建设情况，掌握河湖水域岸线利用现状，解决非法占用或毁坏河湖岸线极其重要。

利用高空间、高时间分辨率遥感监测结合人工巡查可及时发现并处理各种违法事件，并将现场实况和处置情况及时传送至河长制办公室（以下简称河长办），助力河长办公。

1.2.1 河流湖泊岸线调查

遥感技术具有周期性的特征，在不长的时间间隔内，可以迅速获得多张同一地点的遥感图像。尤其是近几年微小卫星的快速发展，如美国 Planet Scope 卫星，近 200 颗卫星每天连续采集，可达到全国 3 m 镶嵌影像每周至每月更新的能力。3 m 空间分辨率结合极高的时间分辨率，能清楚地看出河流湖泊岸线现状及动态变化，卫星影像拍摄的河流岸线环境如图 1 所示。

图 1 Planet Scope 卫星影像拍摄的河流岸线环境

1.2.2 岸线环境监测

对比多时相遥感影像，可发现岸线破坏、占压、碓弃等情况，监测湖泊萎缩、水域建筑物、非法采砂和围湖圈地等行为。通过统计位置、面积等信息，制作由各种因素导致岸线发生变化的专题图，编写岸线变化监测报告，可为岸线管理和保护提供科学依据和支撑。该项监测已在国外广泛应用，如图 2 所示为秘鲁国家自然保护区非法采金破坏河流岸线的卫星影像，对比 2016 年 1 月 29 日和7 月 21 日的 Planet 影像，可明显看到非法采金区在图中罗马编号的 5 个方向上迅速扩张。如能广泛应用于河长制中，则能为相关管理部门快速提供客观证据，助力河长工作。

图 2 秘鲁国家自然保护区非法采金破坏河流岸线

1.3 河湖水质及水污染监测

1.3.1 河湖水质监测

对水体来说，水的光谱特征主要由水本身的物质组成决定，同时又受到各种水状态的影响。根据清洁水与不同程度污染水的反射率不同及出现在遥感影像上的颜色差异可判别水质。

1.3.2 河湖水华监测

水华指淡水水体中藻类大量繁殖的一种自然生态现象，是水体富营养化的一种特征。随着水体富营养化的发展，水华面积逐年扩散，持续时间逐年延长，对人体及河湖鱼虾都造成极大的危害。可利用卫星数据，提取水华分布面积和位置并进行制图，然后依据标准，做出水华暴发程度的结论。利用 2017 年 7 月 26 日 Planet Scope 卫星影像监测出的巢湖蓝藻繁殖导致的轻度水华现象如图 3 所示。

图 3 巢湖水华卫星遥感监测

1.3.3 水体悬浮物监测

自然因素和人类活动造成水土流失、河流侵蚀，河流带走大量泥沙入湖、入海，是水中悬浮泥沙物质的主要来源。这些泥沙物质进入水体，会对进入水中的光发生散射和反射，从而增大水体的反射率。浓度不同的水体光谱衰减特性不一样，随着泥沙浑浊度和悬浮沙粒的增大，水的反射率逐渐增高。

当悬浮物在回水区、静水区集聚，会腐烂发酵使水质变质造成污染，利用高覆盖高光谱遥感影像可以很容易地发现悬浮物集聚的地区及分布情况，并估算悬浮物数量。

1.3.4 城市污水监测

城市大量排放的工业废水和生活污水中带有大量有机物，它们分解时耗去大量氧气，使污水发黑、发臭。卫星遥感技术可通过水体在光谱影像上的差异判定水体污染的变化，实时观察污染物运动特点，并将水中悬浮物作为判定指示物追踪污染源[3]。

1.3.5 其他水污染监测

使用热红外传感器，能根据热效应的差异有效探测出热污染排放源。利用光学技术或计算机对热图像作密度分割，根据少量同步实测水温，绘制水体的等温线。在热图像上，热水温度高，反射能量多，呈浅色调；冷水呈深色调。

油污染在紫外、可见光、近红外、微波图像上呈浅色调，在热红外图像上呈深色调，为不规则斑块状。利用卫星遥感可准确地获取溢油发生的位置，估算污染面积，并对可能的扩散趋势（扩散趋势和方向）进行预测。

1.4 灾害监测

1.4.1 冰凌监测

冰凌是较高纬度地区大江大河特有的自然水文现象，时序相反的倒封和开河形势极易导致流凌不断聚集形成冰塞、冰坝，造成水位大幅度提高，导致水体漫滩或决堤等凌汛灾害。

利用多时相、大范围的遥感数据可从宏观上监测冰凌情况。通过监测不同时相下河流湖泊冰塞、冰坝面积变化，以及冰塞、冰坝导致的岸线变化，进而分析可能出现的灾情，制作多时相冰凌变化对比图，在防灾减灾方面具有优势。

1.4.2 洪灾监测

我国自然灾害多发，每年各种灾害造成的损失巨大，其中洪涝灾害位居第一。洪涝灾害的发生一般具有突发性特点，要进行洪涝灾害的预警预报、救灾和灾后重建，需要对洪涝灾害相关信息进行及时、准确、可靠的采集和反馈。遥感技术具有宏观、快速、实时、动态和信息丰富等优势，且雷达卫星更具有穿云透雾的能力，能有效服务于洪涝灾害监测治理。

遥感技术对洪涝灾害的监测评估是将遥感技术、地理信息系统、计算机技术、水文学、气象学等基础学科结合起来[4]，通过对比洪灾前后湖泊岸线变化，获得洪水区域水体及过水面积等信息，制作洪水淹没示意图，结合洪涝灾害淹没区域的三维信息，建立洪水淹没模型。以三维方式直观、动态展现洪水变化过程及其对周边地物和建筑所带来的影响，为防洪救灾提供决策依据，对洪涝灾害损失进行评价。

1.5 河长制绩效考核

1.5.1 划界管理

河长制以行政区划责任区，监管区域包括水域和陆地，面广量多，各行政区之间不可能有裁判员进行评判。如何分清问题出在哪个行政区，由谁来监管是个难题。通过遥感技术结合视频识别、人工检测数据及专家的解读分析，综合分析判断所出问题的源和根，可服务于河长的工作绩效考核。这种大数据的共享与服务是实现水利资源管理的有效途径[5]。

1.5.2 推送服务

可将每日更新的重点河湖监测区遥感影像、关注区每月遥感无云镶嵌一张图推送到河长制综合管理信息系统平台，也可将已监测的信息以图片、统计表格及报告的形式及时推送到河长制管理系统中，助力河长工作。

2 关键技术及优势

2.1 关键技术

2.1.1 水体遥感监测技术

河流、湖泊等水体性质与一般陆地表面的物理性质差异较大，因此通过光学或雷达图像均能准确、快速地提取。在计算的过程中大多利用阈值和水体指数法，阈值法是利用水体在近红外波段反射率非常低为依据，区别水体与其他地物的；水体指数法是利用平原地区陆地水体在 TM2 模式下比 TM5模式下的反射率高，而其他地物不具备这一特性进行水体信息提取的。

水体污染的遥感监测是以污染水与清洁水的反射率不同及出现在遥感影像上的颜色差异监测水污染的。影响水质的主要因子有水中悬浮物，以及溶解有机、油类、化学等物质和藻类。根据水体的光学和温度特性，可利用可见光和热红外遥感技术对水体的污染状况进行监测。

2.1.2 智能处理技术

机器学习是指通过计算机学习数据中的内在规律性信息，获得新的经验和知识，以提高计算机的智能性，使计算机能够像人一样决策。借助机器学习自动处理卫星影像，可充分挖掘遥感图像中大量的有用信息，增强分类器的能力，有效提高卫星影像自动分类的精度和速度，使高精度动态监测全自动处理成为可能，且能节约大量人力、时间，提高效率，降低成本，保证信息的实时发布。

在机器学习中，卷积神经网络是一种深度前馈人工神经网络，它的人工神经元可以响应一部分覆盖范围内的周围单元，对于大型图像处理有出色表现，已成功应用于图像识别，如：图 4 所示的丹江口水库遥感影像，图 5 所示的丹江口水库遥感影像通过卷积神经网络方法分类的结果。

2.2 应用优势

将遥感技术运用到河长制工作中具有如下优势：

1）常态监测更方便。可实现对河湖生态环境及水环境的周期性监测，提高和拓展河湖日常监管及突发事件的快速响应能力。

2）生态修复更及时。可对水生态环境修复进程进行监测，及时了解生态环境修复现状，为政府部门做好生态建设及修复工作提供指导。

图 4 丹江口水库遥感影像

图 5 丹江口水库遥感影像卷积神经网络分类结果

3）应急管理更快速。可减少突发性自然事故灾害对水生态环境造成的破坏，加速应急指挥能力建设。

4）信息获取更高效。可提高河湖管理信息化水平，进一步加强各级政府单位快速获取信息的能力。

3 结语

在理解河长制重点工作的基础上，讨论了遥感技术在河长制工作中的主要应用及优势。遥感作为信息与地球科学的边缘学科，必将在水利信息化的过程中发挥更大的作用[7]。但是随着遥感应用日益增多，如何从海量遥感影像中快速、充分挖掘信息已成为一大问题，利用机器学习方法对影像自动分类、快速提取信息，将是日后应用的一大趋势。

[1] 中华人民共和国水利部. 2016 年中国水资源公报[R]. 北京：中华人民共和国水利部，2016.

[2] 中共中央办公厅，国务院办公厅. 关于全面推行河长制的意见 [A]. 北京：中共中央办公厅，国务院办公厅，2016.

[3] 刘明岗，万东辉，姬忠光. 遥感在水资源管理中的应用[J]. 黑龙江水利科技，2008 (3): 82-83.

[4] 丁志雄，李纪人. 流域洪水汛情的遥感监测分析方法及其应用[J]. 水利水电科学进展，2004，24 (3): 8-11.

[5] 冯钧，许潇，唐志贤，等. 水利大数据及其资源化关键技术研究[J]. 水利信息化，2013 (4): 6-9.

[6] 蔡阳. 水利信息化“十三五”发展应着力解决的几个问题[J]. 水利信息化，2016 (1): 1-3.

[7] 董静. 遥感技术在水利信息化中的应用综述[J]. 水利信息化，2015 (1): 37-41.

Application discussion of remote sensing in river chief mechanism

YAN Yu, JU Yong, WANG Yajuan
(ChinaRS Geo-informatics Co., Ltd, Beijing 100020, China)

Views on the comprehensive implementation of the River Chief System which was issued in Dec. of 2016 proposes six tasks such as strengthening water resource protection and management of waterfront etc. marking that China has raised water resource management and protection to a new level. Under this background, using various advanced technologies and methods to promote effective management is the focus of current research. Remote sensing(RS) provides a unique perspective from which to observe large regions and acquire abundant useful information in high speed. According to the six tasks of the river chief mechanism, the discussions are focused on RS application status on water resources and water front utilization survey, water environment monitoring and disaster monitoring. It is a hot and diff i cult point to exert RS advantages better in order to boost the implementation of the river chief mechanism.

remote sensing technology; river chief mechanism; water resource; water environment; machine learning

TP7；TV213.4

A

1674-9405(2017)06-0012-05

10.19364/j.1674-9405.2017.06.003

2017-08-01

阎 雨（1972-），男，辽宁北镇人，工程师，主要从事遥感应用工作。