3S技术在江苏省退圩还湖中的应用

王轶虹，王冬梅，梁文广，高士佩

（江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017）

3S技术是遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）的统称，是将遥感、卫星定位及导航、计算机等相结合的空间信息处理技术［1］，在水利行业中得到越来越广泛的应用［2-7］。

退圩还湖是通过清除湖泊保护范围内人工修建的圩埂（堤坝）所围垦出的耕地、建设用地、养殖圩等，恢复湖泊水面，以达到增加湖泊调蓄库容和防洪库容，提高区域防洪能力和水环境容量［8-11］。实施退圩还湖工程，首先要进行退圩还湖规划和实施方案的编制，传统方法需要投入大量的人力、物力才能完成。3S技术是对地观测的三大支撑技术，能够快速进行精确定位、获取地理信息和综合分析。

本文以江苏省退圩还湖为例，展示了3S技术在退圩还湖规划及实施方案编制中的应用情况。

1 3S技术应用概述

RS是指应用探测仪器，从远处把目标的电磁波特征记录下来，通过分析揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术［12］。RS能动态地、周期性地获得地表数据及其变化信息，通过遥感影像处理技术制作成专题地图并及时更新，从而满足规划编制和退圩还湖工程实施后的管理需求。例如，借助对退圩还湖区遥感图像的处理、分析，采用人机交互的方式，可快速、准确地掌握拟退圩还湖地区种植、养殖及自由水面分布及动态变化情况［13］。

GIS用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析和建模，以解决复杂的规划和管理问题［14］。GIS可以对收集到的地理信息进行归类、整理，建立可视化地理图像，实现信息查询、检索，空间数据分析和统计，制作各类专题地图。规划中涉及到地理信息包括水利和环境的实时和历史数据，大多与空间地理位置有关。GIS可分析和处理在一定区域分布范围内的各种现象和过程，从而辅助解决复杂的规划、决策和管理问题，如编制湖泊开发利用现状图、水系连通图、退圩还湖排泥场图等，为退圩还湖过程中的水利决策提供强有力的技术支持。

GPS提供地理坐标，进而精准确定地理位置，可为对象提供一个统一的空间坐标参考框架，并与其他数字化系统有效的联结与组合［15］。GPS能准确测定目标点的经度、纬度和高程，提供目标的实时、准确的位置信息。将数据导入GIS后，可供下一步制图、建模时使用。

综上所述，3S技术可为摸清湖泊开发利用现状、编制湖泊退圩还湖规划和实施方案及后期监管提供强有力的技术支撑，并为决策提供依据。

2 江苏省退圩还湖概况

江苏省地处江淮沂沭泗下游，上有洪水压境，下排普遍不畅，湖泊调蓄是解除洪涝威胁的关键。江苏省是我国淡水湖泊分布集中的省（区）之一，根据江苏省人民政府2005年公布的《江苏省湖泊保护名录》，全省湖泊面积在0.5 km2以上的有137个（省管湖泊13个），湖泊总面积达6 260.34 km2，总库容为131.1亿m3。全省湖泊面积在1 000 km2以上的湖泊有太湖和洪泽湖，总面积为4 114 km2，占全省湖泊总面积65.72%；面积在500～1 000 km2的湖泊只有高邮湖，面积为649.13 km2，占全省湖泊总面积10.37%；面积在100～500 km2的湖泊有阳澄湖、骆马湖、滆湖、石臼湖和白马湖，总面积为877.4 km2，占全省湖泊总面积14.02%。

目前，江苏省省管湖泊退圩还湖工程已全部进入规划及实施方案的编制阶段，11个县市的省管湖泊规划获得了江苏省政府的批复，2个市县湖泊的实施方案获得了江苏省水利厅的批复。规划批复的湖泊退圩还湖工程实施后可恢复湖泊自由水面面积492 km2，能显著提高防洪排涝能力，改善湖泊生态环境。2017年江苏省政府印发了《江苏省生态河湖行动计划（2017～2020年）》，明确提出到2020年全省恢复湖泊水域面积不少于100 km2。

3 RS技术在退圩还湖中的应用

3.1 确定拟退圩还湖区域的湖泊开发利用现状

利用RS技术查明拟退圩还湖区域的开发利用现状。选择遥感数据源为0.3 m高分航空遥感正射真彩色影像和0.8 m的GF-2号卫星遥感真彩色影像，利用遥感影像的判读标志（如色调、形状、大小、纹理、位置等），建立地物原型与影像模型之间的直接和间接关系，形成监测目标遥感解译标志，从而获得全面、详细的第一手资料。

由遥感影像提取拟退圩还湖区域的开发利用现状。将1∶10 000数字地形图与遥感影像进行配准，叠加后，比较数字地图与遥感影像中开发利用空间分布、几何形状的差异，提取遥感影像中的养殖、种植、围网等项目，对数字地形图上地物的空间分布和几何形状进行修正，注记属性码，经建立拓扑关系和消除逻辑错误后，生成2016年江苏省兴化市蜈蚣湖及南荡退圩还湖区域的开发利用现状图（见图1）。

图1 2016年江苏省兴化市蜈蚣湖及南荡退圩还湖区域的开发利用现状

图2 2010年江苏省白马湖退圩还湖前的开发利用现状

3.2 在退圩还湖工程运行监管中的运用

通过获取并对比退圩还湖区域不同时段的遥感图像，可以对退圩还湖工程区进行实时监测，了解其状况是否与规划相符合。如通过白马湖退圩还湖过程中不同时期的遥感影像对比（见图2～3），发现退圩还湖工程尚未达到规划要求，规划清退的圩区未按要求清退，排泥场的布置也与规划不符，从而为主管部门的下一步工作方向提供了重要参考。

此外，当有异常情况发生时，可以及时准确了解情况，提出可靠的处理措施，提高水利工程管理的科学性和及时性。运用RS结合计算机技术，快速、同步地对围湖造地、围网养殖变化情况进行动态监测，建立围湖造地、围网养殖动态数据库，为管理机构维护正常的水事活动秩序、发现并查处围湖造田等违法行为、保护生态环境提供科学依据。

图3 2016年江苏省白马湖退圩还湖后的遥感影像

4 GIS技术在退圩还湖中的应用

4.1 专题地图的制作

将经过几何校正的遥感数据、遥感专题图件作为背景图层导入Arcmap中，与水系、交通道路、水利工程、生态红线、行水通道等图层叠加，可以准确确定开发利用项目的分布、规模与生态红线等水利基础数据的关系，确定规划和实施方案的排泥场（堆土区）、堤防、近岸生态修复带等项目的位置信息，并通过计算确定以上项目的面积、长度、宽度和距离等要素。

4.2 退圩还湖区域变化特征分析

利用GIS将不同时段的遥感调查数据进行叠加，可以对退圩还湖区域的生态环境演替与人为影响情况作出判断，对某一时段湖泊开发利用现状及生态环境特征的变化进行分析，找出湖泊开发中存在的问题与规律。

4.3 建模分析

退圩还湖规划编制过程中，需要考虑退后湖泊的水动力特征。将GIS与水文、水力学模型有机结合，大大提高了湖泊水文、水动力分析的效率，成果更为直观。

5 GPS技术在退圩还湖中的应用

5.1 测绘数字化水利工程现状图

利用成熟的动态定位技术（RTD、RTK）对已有水利工程取水口、堤防、闸、泵，建筑物、耕地和道路等进行定位，测绘出水利工程现状图。测绘现状湖泊和退圩还湖后湖区的数字化地形图，建立数字高程模型（DEM），准确计算退圩还湖工程的土方量，为投资估算奠定基础。

5.2 为遥感影像提供精确的几何矫正数据

以往的遥感影像制图依赖于相当比例尺的地形图上明显的地物点进行坐标解析，其精度受地形图比例尺和地物解析精度限制。采用GPS的RTD技术，可为RS校正提供高精度地图坐标数据，提高RS几何校正的精度。前期利用遥感影像结合GPS进行外业调查，可以确定圈圩养殖和种植、围网养殖等开发利用类型的解译标志，建立遥感影像的判读标志，提高判读精度，后期可以修正遥感影像的解译结果。

5.3 快速准确地了解退圩还湖区域概况

GPS可全天候对圩区进行调查与测量，确定目标点的经度、纬度和高程，且使用简单方便，并可对测点数据进行详细记录和编号，以备下一步地理信息系统中制图时使用或在对该目标进行实际考察时提供准确的位置信息。GPS为退圩还湖遥感监测的外业调查提供了实时、准确的保证，相较传统方法，其工作限制条件较少，具有全天候的观测能力，测量精度高且费用低，操作简便，易于携带，可满足获取环境、地形和地质数据的基本要求。

6 结语

退圩还湖规划及实施方案的编制与工程实施、管理过程中需要掌握大量的地理信息，绘制大量图件。3S技术所具有的快捷、多功能、实时的巨大优势，为退圩还湖工作提供了强有力的工具，将其应用于退圩还湖规划编制和工程实施管理中，对提高测量准确度、节省人力物力，实现精确制图、工程管理和提高决策水平具有重要意义，建议大力推广使用。