遥感技术在河湖“清四乱”中的应用方法探究

李春雷 ，刘立聪 ，张雅莉 ，王 新 ，郑慧芳

（1.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

河湖水域是地表水的主要载体，是经济社会发展的基础资源，是生态文明建设的重要内容[1]。河湖水域在防洪、排涝、灌溉、供水、发电、航运和生态景观、水文化等方面发挥了巨大的综合功能。我国东部平原区河网密布，但近几十年来，随着经济的快速发展和城市化进程的加快，城镇周边河流破坏较严重，河流蓄泄功能逐年降低[2]。因此，为推动河（湖）长制工作取得实效，进一步加强河湖管理保护，维护河湖健康生命，水利部在全国范围内对乱占、乱采、乱堆、乱建等河湖管理保护突出问题开展专项清理整治行动。

以往河湖水域的监管，主要采用传统的测量、人工巡查、群众举报的方式，准确性、时效性差，非法侵占水域现象难以及时发现查处，传统的手段已不适应社会发展的要求。近年来，随着传感器技术的快速发展，遥感监测技术已经广泛地应用到各个领域，尤其是在水利行业，利用遥感影像来提取水体信息，弥补监测手段存在的诸多不足[3]。高分辨率遥感对地识别能力强，监测成果真实、客观、准确、全面，是水域动态监测的一种先进的技术手段[4]。遥感技术在数据获取上可分为卫星遥感、航空遥感、无人机遥感几个大类，遥感数据种类众多，选择合适的遥感数据很大程度上关系到监测的成效。

针对上述问题，本文主要探究遥感技术在河湖“清四乱”中的应用方法。提出利用遥感技术动态监测河湖“清四乱”行为方案，结合地物光谱特征、空间关系、几何特征等建立河湖“四乱”解译标志，通过人机交互手段监测河湖水域“四乱”行为，并分析在不同尺度下最佳的应用方法，为河湖监管提供有效的技术手段。

2 研究区与数据源介绍

2.1 研究区概况

浙江省位于中国东南沿海，介于东经 118°01' ～ 123°10'，北纬27°02' ～ 31°11'之间，东临东海，南接福建，西与安徽、江西相连，北与上海、江苏接壤。总体地势格局为西南高、东北低，自西南向东北倾斜，呈阶梯下降。浙江省溪流纵横、河网星罗棋布，地跨钱塘江、瓯江、椒江、甬江、苕溪、运河、飞云江、鳌江八大水系。全省山地面积为7.57万km2，占陆域面积的72.58%；水域面积为0.59万km2，占陆域面积的5.66%；平坦地面积为2.27万km2，占陆域面积的21.76%[5]，素有“七山一水二分田”之说。

2.2 数据源介绍

研究收集的资料可分为遥感数据和水域调查成果2大类。遥感影像用于“四乱”监测提取图斑，已有水域调查成果数据用于确定“四乱”监测的范围与图斑的空间属性信息。

遥感数据主要包括:①不同分辨率卫星遥感影像，包括0.2 m无人机航拍影像；②0.5 m高景一号卫星影像；③1.0 m的GF2号以及BJ2号卫星影像；④2.5 m的Spot5卫星影像；3.0 ～ 5.0 m分辨率的Planet卫星遥感影像；

水域基础成果主要包括:①2005年浙江省第一次水域调查成果；②浙江省第一次水利普查成果；③2018年浙江省河道名录公布成果；④2018年浙江省湖泊名录公布成果。

3 技术方法

3.1 监测方法

遥感信息提取方法主要有人工目视解译法和监督分类法[6]、非监督分类法、面向对象的分类法[7]、决策树分类[8]等多种提取方法。其中，针对变化监测，一般选择其中2种方法:一是目视解译，直接在遥感影像判读，可以叠加地形图等信息进行精确判读；二是计算机信息提取，主要是运用监督和非监督分类进行计算机自动信息提取[9]。许多研究人员还利用波段阈值、波段组合[10-12]关系等进行水体变化信息提取，并取得一定成果。考虑到水体光谱信息复杂，水生植物、水位原因、停靠船只、悬浮泥沙导致的水色差异等多种因素直接影响着变化图斑自动提取的精度，所以监测采用目视解译、人工提取的方案。

通过比对2个时期遥感影像数据，利用建立的“四乱”解译标志，目视解译提取疑似“四乱”图斑，并进行实地验证。分析遥感数据特点，探究不同监测尺度下最佳的应用方法。

3.2 解译标志建立

水利部对河湖“四乱”定义主要包括乱占、乱采、乱堆、乱建4个大类。

（1）乱占:围垦湖泊；未依法经省级以上人民政府批准围垦河道；非法侵占水域、滩地；种植阻碍行洪的林木及高杆作物；

（2）乱采:河湖非法采砂、取土；

（3）乱堆:河湖管理范围内乱扔乱堆垃圾；倾倒、填埋、贮存、堆放固体废物；弃置、堆放阻碍行洪的物体；

（4）乱建:河湖水域岸线长期占而不用、多占少用、滥占滥用；违法违规建设涉河项目；河道管理范围内修建阻碍行洪的建筑物、构筑物。

对已收集到的影像进行分析，结合“四乱”分类，建立遥感解译标志。其中部分“四乱”类别在遥感影像中纹理、光谱信息相似度极高难以区分，在建立遥感解译标志时进行合并。根据区域自然地理、地形地貌特征、植被类型及水体利用结构、分布规律等情况，建立典型地物解译标志，再通过外业进行验证（见表1）。

表1 “四乱”遥感解译标志表

“四乱”内业监测中针对乱占、乱建、乱采在遥感影像上解译标志比较规则明显，识别率较高。乱堆则较难监测与分类，乱占中种植阻碍行洪的林木及高杆作物也较难监测，只能通过实地调查完成。

3.3 遥感数据分析

利用遥感影像数据进行动态监测，影像的空间分辨率越高，监测精度也越高，获取的变化监测信息也越全面。但“四乱”监测需要较强的时效性，要同时满足时间与空间分辨率的要求，不仅要考虑监测精度还要考虑监测频次的问题。要保证卫星过境拍摄的影像清晰，受重访周期、空间分辨率、拍摄幅宽以及天气状况的限制，浙江地区气候多雨，卫星拍摄状况较差，作为“四乱”监测的影像云量需控制在10%以内数据才可利用，因此数据获取难度较大，时间节点也无法保证。

因此本文针对不同卫星影像数据在空间分辨率、获取周期、数据价格多方面进行多方调研分析。首先在数据获取方面，对于高分辨率遥感数据，只能采用编程获取所需影像。其次，变化监测空间分辨率一般要求3 m以内，如果分辨率进一步降低，将会大大影响监测精度。目前国内外符合动态监测需求的影像数据列表及价格见表2，不同分辨率遥感影像对比效果见图1。

图 1 不同分辨率遥感影像对比图

表2 浙江地区不同分辨率影像数据信息表

4 应用方法探究

本次试验利用已建立的解译标志，对不同分辨率遥感数据都进行分类提取，获取到疑似“四乱”图斑，但不同分辨率的数据最小监测单元不同，决定应用场景的不同，实验结果见表3。

表3 不同分辨率影像监测比对分析表

本次应用方法探究旨在利用最新时相遥感影像主动发现新的“四乱”行为，在尽量少的预算内获得最佳的监测效果。以浙江地区为例，进行如下分析:

针对省、市级监测:满足1 a 1期监测，可以选择的面较多，基本都可以实现，只是精度不同对应的预算不同。如果在该尺度下需要完成1 a多次的全面监测，目前可获取度最高的是Planet卫星数据，缺点是分辨率较低，分辨率最高可达到3.0 m，确保可以做到1 a 4期。

省、市级监测如果对频次要求不高，也可以进行1 a 1次的全面监测，利用GF2号与BJ2号数据相互补充，分辨率可达到1.0 m，基本满足该尺度下的监测要求。如果作为重要河湖水域可以采取航空摄影、无人机等灵活的方式进行补充监测。

针对区、县级监测:往往监测的区域越小，影像分辨率的选择更加广泛，一般要求的监测时间与空间分辨率相应会越高。目前可直接通过BJ2号编程数据进行1 a多期的全面监测，同样少量重点监测区域需如果要更高频次监测，可以通过无人机航拍方式进行补充监测。

5 讨论与结论

本文研究结果表明，利用高空间分辨率遥感开展河湖水域变化监测，可快速、准确获取大范围水域乱占、乱采、乱堆、乱建等问题信息。本文通过建立“四乱”解译标志，获取疑似“四乱”图斑，方法可操作性强。在不同的监测尺度下，提出合理的遥感技术应用方法。对时间分辨率要求较高的地区，可以采用3.0 ～ 5.0 m分辨率的Planet卫星数据进行1 a多次的全面监测+重点河湖利用无人机航拍的模式进行。对空间分辨率要求较高的地区，可采用亚米级（0.5 ～ 1.0 m）卫星影像进行1 a 1次的全面监测+重点河湖利用无人机航拍的模式进行。

遥感技术可以主动发现问题，更高的监测频次可提前停止违法占用水域活动，更好地解决河湖水域无序占用问题，为河湖管理和水政执法提供更有效的依据。本文的研究充分发挥遥感快速、高效获取大范围数据的特点，在河湖水域“四乱”监测的应用方法选择上，提供重要依据。