我国高分辨率卫星在湖泊监测和保护中的应用

文|孙亚勇 马建威 黄诗峰

水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心/中国水利水电科学研究院

一、引言

湖泊作为水资源的重要载体，是江河水系、国土空间和生态系统的重要组成部分，具有重要的资源功能、经济功能和生态功能。全国现有水面面积1km2以上的天然湖泊2865个，总面积7.80万公顷，淡水资源量约占全国水资源量的8.50%。这些湖泊在防洪、供水、航运、生态等方面具有不可替代的作用，是大自然的璀璨明珠，是中华民族的宝贵财富[1]。

当前，湖泊水系也是我国水资源短缺、水生态损害、水环境污染和水灾害新老水问题体现最为集中的区域[2]。近几十年来，随着经济社会的发展和人类活动的影响，湖泊面积萎缩、水域空间减少、水系连通不畅、水环境状况恶化、生物栖息地破坏，湖泊功能严重退化[3]。全国水面面积大于 10 km2的 635个湖泊中，231 个湖泊总萎缩面积达 18%。保护江河湖泊，事关人民群众福祉，事关中华民族长远发展。中共中央办公厅、国务院办公厅2017年印发《关于在湖泊实施湖长制的指导意见》，并且水利部部署了全国河湖“清四乱”（乱占、乱采、乱堆、乱建）等一系列专项整治行动，旨在解决一批损害河湖健康的突出问题[2-4]。但对全国湖泊基本情况及其相关信息仍不能全面掌握，水面面积 1 km2以下湖泊信息不全、河湖动态信息指标不完整。不能及时了解全国湖泊动态发展以及河湖治理情况，湖泊突出问题监管还是依靠各地自查上报，依靠高分遥感、无人机等信息技术手段不足。

随着卫星传感器技术、航空航天技术的发展，遥感技术在各行各业的应用中显示出巨大的潜力。我国相继推出的 “风云”、“海洋”、“减灾”、“资源”和“高分”等卫星系列，已实现了大范围、多频次、低中高空间分辨率的地表覆盖测量。目前，通过卫星遥感、无人机、视频监控等手段相结合，构建覆盖全国的空天地一体化水利感知网，成为湖泊动态监测和保护应用的行业共识。利用多源高空间分辨率卫星遥感数据，开展湖泊水体动态监测、水域空间管控、岸线管理、水资源调查应用，正在向业务化信息服务方向推进。本文以湖北省为例，介绍目前高分辨率卫星数据情况，分析和展示我国高分辨率卫星在湖泊监测和保护应用的成果，从而为高分辨率卫星遥感在湖泊监测和保护中进一步应用提供借鉴。

二、湖北湖泊现状

据湖北省水利厅公布的数据，从20世纪50年代初到80年代末，全省0.07km2以上湖泊从1332个锐减为843个，锐减了36.7%，相应中水位时的水面面积从8528.2km2锐减为2983.5km2。其中，水面3.3km2以上湖泊，从322个减少为125个，减少了61%[5]。20世纪80年代以后，湖北湖泊数量、面积、容积萎缩势头有所减缓，但总体上仍呈萎缩趋势[6]。据水利普查最新资料表明，湖北3.3km2以上湖泊仅剩110个[7]。湖泊作为水资源的重要载体，在调蓄洪水、提供水源、交通航运、美化景观、休闲娱乐、渔类繁衍、水产养殖以及提供生物栖息地、维护生态多样性、净化水质、调节气候等方面发挥着不可替代的作用。但是我国的湖泊长期面临着一系列水问题，如湖泊快速萎缩造成了河湖阻隔、生态系统破坏、水体污染导致了湖泊功能退化。因此，保护湖泊面积不再减少、保护水质不再恶化、保护水生态环境不再破坏，已经刻不容缓。

三、卫星数据源

我国具有优于2.5m高分辨率成像能力的民用公益性对地观测卫星主要由“资源”系列和“高分”系列组成。其中，在轨运行的高分辨率“资源”系列主要包括2011年12月22日发射的资源一号02C、2012年1月9日发射的资源三号和2016年5月30日发射的资源三号02卫星；在轨运行的高分辨率“高分”系列主要包括2013年4月26日发射的高分一号、2014年8月19日发射的高分二号、2018年3月31日发射的高分一号B/C/D和2018年6月2日发射的高分六号卫星。为此，根据湖泊动态监测的业务化需求，采用“资源”系列和“高分”系列卫星的多源影像数据，开展了湖北省22个湖泊的两月一次的遥感业务监测工作。其中，湖北省湖泊监测卫星数据基本特征的统计见表1。

表1 湖北省湖泊监测卫星数据基本特征

四、监测方法

针对2.5m分辨率全色或多光谱卫星遥感影像，在数据处理基础上，包括遥感数据的辐射校正、几何校正、正射校正、坐标投影转换、数据格式转换、图像增强、影像融合、影像镶嵌和裁切等处理，对全省22个重点湖泊的岸线、保护区、控制区及湖体内建筑物进行变化检测和影像识别，利用背景影像与实时遥感图像进行前后时相的影像叠加处理，通过自动检测或人工识别，找出湖泊内、岸线、保护区、控制区的地物变化信息，提取变化图斑。湖泊水体与违法侵占遥感动态监测识别流程图见图1。

图1 湖泊水体与违法侵占遥感动态监测识别流程图

五、监测应用

根据湖北省湖泊监测与保护业务需求，从2016年1月开始针对梁子湖、斧头湖、牛山湖等22个重点湖泊的岸线、保护区、控制区及湖体内物体进行两月一次的遥感监测工作。截至2018年12月共处理了396幅高分辨率卫星影像数据，提取了396个湖泊水体矢量，提取的22个湖泊总面积的动态变化结果见图2。其中，采用系统自动分割后人工编辑水面边线的方式对全省22个重点湖泊“两月一勘查”，2018年度共提取湖泊水面面积9140.028 km2，部分湖泊水体范围提取结果见图3。通过面向对象的变化检测方法，并辅以变化信息人工判读识别，对湖泊及周边保护区范围内的疑似违法信息进行提取，2018年22个重点湖泊“两月一勘查”共提取27处疑似违法点，涉及湖泊10个，部分疑似违法点提取结果见图4。违法侵占的类型主要有：围湖占地、拦湖筑汊、填湖修路、城建侵占。

图2 2016-2018年湖北省22个重点湖泊总面积动态变化遥感监测结果

图3 基于高空间分辨率卫星影像湖泊水体面积提取结果

图4 基于高空间分辨率卫星影像湖泊违法侵占监测结果

六、小结

我国高分辨率卫星已具备月频次全国范围的覆盖成像能力，为开展全国范围的月频次湖泊监测应用提供了可能。以湖北省为例，开展的22个重点湖泊遥感监测应用，在河湖监管、水利督查和湖泊保护领域取得很好的成效。基于多源高分辨率卫星遥感，利用自动提取技术掌握了湖泊水体的动态变化，结合人工解译方法，对比时间序列影像提取湖泊水域的变化图斑，对湖泊水域的违法违规行为及时有效发现并依法查处。未来可进一步建立全国湖泊基础信息库，通过卫星遥感技术加强河湖监管，提升遥感影像解译和大数据挖掘水平，构建部门协同、区域联动、社会参与的湖泊管理系统，进而实现湖泊管理全流程、全过程的高效管理、决策与服务。