天空地协同监测 支撑河湖精准监管

刘汉刚，尹正平，葛召华，刘 茜

（山东省综合事业服务中心，山东 济南 250025）

0 引言

河湖管理保护是一项十分复杂的系统工程，涉及水域、岸线、采砂、排污口设置、涉河建设项目等方面，是水利社会管理的核心内容，是确保河湖资源可持续利用的重要工作，是当前水利工作的一项硬任务。为推动解决我国复杂水问题，维护河湖健康，深入贯彻落实新发展理念，推进生态文明建设，2014 年水利部提出要建立河湖管理信息系统，实现河湖管理信息化，积极运用遥感、空间定位、卫星航片、视频监控等科技手段，对重点河湖、水域岸线、河道采砂进行动态监控，及时发现围垦河湖、侵占岸线、非法设障、水域变化、非法采砂等情况，为河湖管理和行政执法提供技术支撑[1]。

山东省河湖众多，水系交错，河湖总体数量均位于全国前列。随着社会经济不断发展和城市化进程加快，岸线开发利用的要求越来越高，河湖管理保护工作面临着岸线管理难度大、跨区域河流管理难、监测费时费力、监测体系不健全等问题，河道湖库水域岸线管理范围内的违章、违法涉水项目建设屡禁不止，亟需提高全省河湖水域监管能力。

2018 年以来，山东省紧紧围绕“工程补短板、行业强监管”工作总基调，着眼于管好“盛水的盆”和护好“盆里的水”，按照夯实基础立支撑、数据共享增合力、创新应用严监测、流程闭环促落实的工作思路，建设河长制湖长制管理信息系统，全力推动河湖长制工作向智能化、智慧化转变，探索具有山东特色的河湖精准监管和统筹治理的新思路。

1 完善基础信息，提供全方位数据支撑

1.1 梳理全省河湖水系

山东省河湖众多，共有乡镇级以上河流9 000 余条、湖泊 8 个、水库 6 436 座，其中流域面积为 50～100 km2河流为 1 049 条，总长度为3.25 万 km；流域面积为 100～1 000 km2河流为553 条，总长度为 2.37 万 km；流域面积为 1 000 km2及以上河流为 39 条，总长度为 0.49 万 km[2]。理清省、市、县水系结构是推行河长制工作的基础，为掌握河湖治理进展和落实管护责任，利用卫星遥感和地理空间处理技术，判读水资源基本信息，如河流湖泊边界、位置、河网分布等，并对全省河湖进行矢量标绘和校核，生成河湖分布图，实现全省河流、湖库数字化，动态化，现代化管理。

1.2 完善各级河长信息

河长制是解决我国复杂水问题、维护河湖健康生命的一项有效举措，是完善水治理体系、保障国家水安全的制度创新。河长制的实施主体是各级河湖长，针对目前跨区域河流缺乏上下联动和协调配合机制，河道管理难度较大等问题，将全省 76 199 位河长、10 877 位湖长、92 513 条责任段，按照省、市、县、乡、村五级隶属关系一一对应到位，明确责任划定，实现智能考核。建立河长会议、信息共享、工作督察等制度及动态更新机制，各级河湖长密切配合、协调联动。人员出现变动，可在一周内完成数据更新，确保河流、湖库责任段与河长湖长信息对应无误。

1.3 水域岸线标绘上图

《关于全面推行河长制的意见》中明确提出加强河湖水域岸线管理保护的工作任务[3]，为严格河湖水域岸线等生态空间管控，落实规划岸线分区管理要求，利用 GIS 空间数据处理技术，对全省各市县的水域岸线划界和规划成果数据中存在坐标系不一致和偏移等空间数据进行校正、重绘，以及属性信息关联完善，建立地理空间数据库并进行矢量标绘及上图。在地图上标绘河道控制线、保护区、保留区及开发利用区等范围，明确岸线利用项目涉及的区域是否侵占河道，是否影响河流防洪、供水、航运安全及水生态环境等，为河湖清违整治、岸线利用管理提供可靠依据。岸线标绘上图技术流程如图 1 所示。

图 1 岸线标绘上图技术流程

1.4 建立河湖问题清单

问题清单是河湖信息化管理的一个基本环节，包含问题序号、河流河段名称、所在市县乡村、所在岸别和河道位置、问题点经纬度坐标、河段编码，以及对应的三级河长姓名职务、问题类型、定性描述、定量描述等信息。为掌握河湖现状及明确责任划分，将各市县河长办日常巡河及专项行动发现的问题，梳理形成违法主体明确、工作量清晰、责任可追溯的问题清单，录入河长制湖长制管理信息系统，并提供现场问题照片，建立台账，构建问题整改销号可视化管理平台。落实清单制 + 责任制，能够明确整治标准，制定专项方案、具体措施和进度安排，实现点对点的高效监管和治理。

1.5 卫星遥感影像获取及处理

全省河道地域分布广、覆盖范围大、个别地方交通条件差、开发建设项目繁杂，传统地面人工巡视和监管的工作量大，效果不佳，对破坏性建设等情况无法及时发现和监督。遥感作为一种综合对地观测技术[4]，具有监测范围大、获取信息速度快、周期短、受条件限制少、信息量大等优势[5]，能够弥补常规监测方法定时定点的不足，提供多时相、多尺度、快速、宏观、动态的数据，客观全面地反映河湖治理现状，跟踪评价河道整治成效。

近年来，高分辨率国产卫星快速发展，综合使用高分 1，2，6 号及资源 3 号卫星遥感影像数据，对划定的河湖管理范围进行监测，建立岸线遥感监测底片。针对不同空间分辨率、不同波段组合的遥感数据，利用全自动分布式数据处理平台——超算平台对影像进行辐射定标、几何纠正、正射校正、融合、拼接、匀光匀色等处理，制作河湖正射影像图，数据处理流程如图 2 所示。遥感影像可认为是光源与地物卷积的结果（卷积数学定义如公式 1），因此，研发面向对象分割和深度学习结合的河湖岸线违建提取算法，创新性探索卷积神经网络模型（Convolutional Neural Networks，CNN）[6]用于建筑物和大棚的提取，模型实现过程如图 3 所示，提取结果如图 4 所示。利用该方法对监测范围内的地物进行快速提取，包括河湖违建、侵占滩地、违法养殖、非法采砂等信息，并对结果进行人工目视修正，必要时进行现场复核，最终形成遥感监测疑似问题清单。

式中：x = 0，1，2，…，M - 1；y = 0，1，2，…，N - 1。

图 3 中，Data 为高分辨率遥感影像滑动窗口数据；Conv 为卷积层网络结构；Pool 为池化层网络结构；Relu 为激活层结构；Norm 为局部响应规范化层结构；Dropout 为随机屏蔽层；FC 为全连接层；Output 为目标的预测值。

图 2 正射影像图生产流程

图 3 CNN 深度学习模型过程

图 4 人工智能（深度学习）提取结果

2 破除信息壁垒，强化资源共享共用

2.1 整合水利业务数据

水利业务数据涵盖不同部门，由于衔接环节不完善，导致信息资源共享程度低，难以满足业务协同需求。河长制湖长制系统建设应充分考虑业务协同发展需要，扩展应用范围，深度开发应用信息资源。山东省通过水利数据中心，完成水利普查、水文、防汛、水资源、农村饮水等业务信息整合，实现已有水利基础数据在出入口上的一数一源和资源共享，提升整体业务支撑能力，为河湖长制管理信息系统提供较为完备的基础水利数据服务。

2.2 整合省市县三级资源

坚持行业内上下级资源共享的原则，集成所有基础设施，实现资源优化配置，信息互联互通。各市县建立的地面视频监控系统能够对河道的河面、重要水利工程、水文水质监测站、码头、主要排水口、违法高发区域、垃圾堆放点等重要区域进行实时监控，并对偷排偷放的违法行为进行抓拍，在一些重要监控点获取高清晰度的监控画面。将市、县级视频资源接入至系统的视频监控平台，能够实现省、市、县三级视频资源整合，进一步丰富和完善河湖地面视频监控体系，避免重复建设。

2.3 数据及应用上下一体

为避免分散建设、规范标准不统一、低水平重复开发，2017 年 10 月 25 日，山东省河长制办公室印发《山东省河长制湖长制管理信息系统技术要求》，明确河长制湖长制管理信息系统采用“统一开发、两级部署”的建设模式，构建省、市两级管理平台，统一数据交换与功能分发，实现国家、省、市、县、乡、村河湖管理向下通透，数据上下一致，功能联合分发，事件协同办理。加强组织协调，督促相关部门单位按照职责分工，落实责任，密切配合，共同推进河湖管理保护工作。

2.4 强化行业间资源共享

河湖管理保护是一项复杂的系统工程，涉及上下游、左右岸、不同行政区域和行业，山东省水利厅与自然资源、生态环境等 15 个部门实现业务对接，获得数据 148 项，促进了跨部门业务协作与资源共享，共同维护河湖环境。如将河湖岸线数据与自然资源厅相关数据一一印证和校对，确保划界数据的权威性和准确性，为开展水域岸线管理范围监管监控提供坚实基础，并协同开展岸线保护范围内基本农田数量统计。

3 天空地协同，助力河湖精准监管

3.1 天空地协同巡查

传统的地面巡查方式，由于数据来源单一，监测点有限，其结果缺乏可靠性和全面性，利用先进的卫星遥感和无人机技术，构建全省河湖天空地一体化的立体监管体系，不仅能实现全省大范围监测，还可以对重点监管区域和目标实现无人机重点监管。河长河管员通过手机端 App 上报巡查发现问题，各级河长办公室也可将之前统一排查的问题通过清违整治管理模块自动上报，系统可将不同渠道获取的问题自动录入河湖问题清单，问题概况、责任河长、整改状态等均做到实时显示。将卫星遥感和无人机航拍摄影获取的问题，形成疑似违章、违法、违占报告清单，录入河长制管理信息系统遥感监测专题库，通过天空地协同巡查，初步构建河湖全面问题清单。

3.2 天空地综合比对

基于卫星遥感、无人机监测和地面巡查，分别形成遥感监测疑似和上报问题清单。卫星遥感监测范围广，但受影像分辨率的限制，对于乱排、乱堆等较小目标识别不出，无人机航拍可以获取厘米级影像，识别精度高，但监测区域不受管理范围线约束，无法明确问题是否侵占河道。因此，将卫星影像与无人机航拍监测发现的疑似问题同河长河管员日常巡查、河长办公室集中上报的问题进行比对，互相印证和补充。通过问题比对，属于同一个问题的系统自动进行归并；对遥感发现的新问题发送到各级河长办进行核实，核实无误的进入问题清单，并记录为漏报问题。通过遥感定期监测与地面日常巡查的相互补充，完善全省河湖问题清单。

3.3 天空地联合校核

河湖经过专项专人的治理之后，对于成果的复核和后期的监督评价同样是一项复杂的工作。无人机具有可操控性强的特点，能够提供高清视频和正射影像等航测数据产品，局部范围内可以获得精度高于 0.05 m 的实时影像，在河湖动态监管和日常巡查等方面发挥巨大作用。对于重点关注、地形复杂等区域，采用无人机暗访获取高精度的航拍影像和视频资料，对巡查发现情况进行核实和确认，可节省人力物力财力，减少误判错判，并有效提高监测效率。检查组、暗访组等可通过系统进行问题复核，将发现的新增、漏报、整改不到位等问题，通过巡河 App 与系统实施人机交互，动态监督工作进展。

4 完善闭环管理机制，监管模式成效显著

基于河长制湖长制管理信息系统，综合运用卫星遥感比对、无人机核查、视频监控、河长巡查等技术，实现对河湖全面、精准的掌握，闭环管理如图 5 所示。系统将落实后的问题进行自动派发、全程跟踪，实现信息之间无障碍流转、查阅、督办；实时查看办理过程，对未销号的问题进行提醒督办；对已销号的问题进行核查，通过销号前后照片比对，确保问题达到销号标准。山东省初步构建了协同发现、遥感分析、跟踪复核、闭环解决的问题监管模式，为河湖精准监管提供了强有力的支撑保障。

图 5 天空地一体化闭环管理

2019 年以来，利用覆盖全省河湖的多源高分辨率卫星影像和无人机数据对省级重要河湖、市级重要河流开展了 4 次水域岸线违章监测。水域岸线数据处理及遥感动态监测项目，基于河道划界管理范围，联合“天—空”遥感技术，以 2019 年 1 和 2 月影像监测河湖乱占、乱采、乱堆、乱建、乱排问题，第 1 次排查出 14 条省级河湖存在问题 1 581 处，第 2 次排查出 14 条省级河湖、48 条市级河流存在问题 3 207 处。省级重要河湖、市级重要河流水域岸线监测项目，以 2019 年 4 和 6 月影像对全省1.6 万余个河湖清违整治点进行筛选与监测，同时动态监控流域面积 1 000 km2以上河流新增问题，重点对河湖违建、侵占滩地、违法养殖、违法采砂、涉水建设项目等进行快速提取，共发现存在问题1 067 处。将 4 次遥感监测形成的问题清单导入山东省河长制湖长制管理信息系统，并下发至各地市河长办进行现场复核，核实无误的问题归并为新增漏报，合法问题需提供依据进行审核销号，实现了河湖问题精准监管及信息化调度。

5 结语

山东省在全面推进河长制工作中，基于管理现状及具体需求，以“互联网 +”为载体，建成河长制湖长制管理信息系统，完善基础信息，强化资源共享，并探索先进技术与河长制工作的切合点，利用卫星遥感、无人机航拍、视频监控等，构建了天空地一体化立体监测体系，助力河湖精准监管，取得显著成效。但仍存在相关问题审核标准不规范、遥感监测时效性有待提高、河湖监测尚未实现全覆盖等不足。针对上述问题，2019 年将实现对全省197 条省市级河流的遥感监测全覆盖，为清河、河湖清四乱等行动，提供坚实的技术支撑，协助全面核查整治河湖管理范围内存在的漏查漏报、新增反弹，以及整改标准不高等涉河湖各类违法行为，实现问题全清零；完善河长制湖长制管理信息系统各功能模块，助力河长湖长日常工作；充分利用先进技术，探索河湖水质监测、城市污水监测等研究，提高河长制工作效率，更好地推进水利信息化工作。