遥感与GIS技术在嵊州市河湖一张图中的应用
2020-03-05郑慧芳陈梦雪田文婷
郑慧芳 ,薛 琳 ,邢 明 ,陈梦雪 ,田文婷 ,王 新
(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;3.嵊州市水利水电局,浙江 嵊州 312400)
1 问题的提出
随着社会发展对生态环境的需求,水域生态环境越来越受到重视。2011年中央1号文件和中央水利工作会议提出,到2020年基本建成河湖健康保障体系;2014年2月,水利部印发关于加强河湖管理工作的指导意见,强调加强河湖管理动态监控,推进河湖管理现代化。
2017年浙江省“五水共治”工作领导小组办公室和浙江省河长制办公室联合下发了《浙江省全面深化河长制工作方案(2017 — 2020年)》,方案明确了到2020年的目标:基本建成河湖健康保障体系,实现河湖水域不萎缩、功能不衰减、生态不退化;保持河流、湖泊、池塘、沟渠等各类水域水体洁净,实现环境整洁优美、水清岸绿。2018年5月浙江省水利厅下发了《浙江省美丽河湖建设实施方案(2018 — 2022年)》,明确要求推进河(湖)长制管理持续深化,全面建立河湖标准化管理,实现智慧河湖“一张图”“一平台”基本建成并有序运行。
为了方便管理,结合实际需要,确定管理范围、管理对象等各方面基础信息,利用遥感影像解析技术解译全县水域现状,结合外业调查,摸清水域信息,为形成河湖信息管理平台提供基础数据,为河湖信息化管理平台提供基础数据,为实现美丽河湖建设提供坚实基础,为进一步实现河湖信息化管理提供有力保障。
2 研究区域概况
嵊州市位于浙江省中部偏东,地处北纬29°19′45″至29°49′55″,东经 120°27′23″至 121°06′55″,四面环山、中为盆地,地势西南高、东北低,自然环境良好,具有负山抱水的城市景观。嵊州全市总面积1 784 km2,四面环山,溪涧纵横,山地占76.8%,河川占5.1%,平原占18.1%,俗称“七山一水二分田”,境内水域类型丰富,共有大小河流1 000多条,总长2 000多公里,大中型水库6座,小型水库135座(见图1)。
图1 嵊州市地图
嵊州市境四面环山,丘陵山地面积占嵊州市的77.0%,剡溪以东有四明山脉,主峰海拔1 096 m,以西为会稽山脉,主峰山脉西白山,海拔1 017 m。
嵊州市属亚热带季风气候区,域内地表起伏差异大,垂直气候变异明显,有典型的盆地气候特征,降雨量时空分布不均,不仅年变化较大,而且年内差异显著。嵊州市年平均降水量1 325.3 mm,降水日数152.9 d,常年平均蒸发量903.3 mm,常年平均气温16.8 ℃,常年平均气压1 004.5 hPa,常年平均相对湿度77.0 %。
嵊州市属曹娥江水系。潭壑镜澈、清流泻注的剡溪,是嵊州市的主要河道。其干流澄潭江和支流新昌江、长乐江、黄泽江,在市区附近相继汇入。
3 技术路线
主要利用遥感和GIS技术,内业提取水域范围线,并进行基本属性赋予;其次通过街道/乡镇复核,对内业整理获取的水域进行查漏补缺与修正;对内、外业各项成果质量进行检查与控制,合格后形成河湖管理一张图水域本底库。
3.1 数据收集整理
收集基础地理信息数据和水系相关的专题数据,主要的数据有:2017年高分辨率航拍影像,2017年1∶2 000基础地理信息数据,2005年第一次水域调查成果数据、河道、水库、山塘划界数据、山塘清查数据,劣V类小微水体清单,河道动态监测管理系统中河道、堤防、水利工程数据,河长制监督管理平台中河长相关数据,其他水系相关专题图、表等。
3.2 数据分析处理
对收集到的数据进行预处理,以将各种类型的数据统一在GIS平台下进行处理,包括格式转换、地理配准、投影变换等。如对栅格数据的拼接、融合、匀色、地理配准、切片等;对报表、文档资料数据中的位置数据进行提取整理,并空间化落图;对CAD数据进行格式转换并进行投影变换等。
3.3 空间叠置分析和人机交互解译
在GIS平台下,将已处理好的高分遥感影像作为底图,空间叠置上地形图和其他水系相关数据,按照遥感影像解译的原则和标准,人机交互解译提取、修测水域范围。
3.4 水域属性赋予与空间标绘
在GIS平台下,结合空间叠置的地形图和其他相关数据为提取出的不同类型的水域赋予不同属性信息,并对地理位置、面积、起讫点等信息进行录入。
3.5 外业属性调查与复核
根据内业提取的水域范围、属性赋予和空间标绘的情况,确定外业调查的具体范围,重点调查核实内业解译困难、空间标绘复杂、属性归属存疑的情况,并反馈给内业人员修改处理。同时,对全市的水域数据下发至各乡镇进行查漏补缺与修正,以确保水域数据与水利日常管理工作一致。
3.6 成果检查
项目组质量检查人员将对内外业数据精度、成果进行严格质量检查,确保本次水域调查成果真实、准确。
3.7 完成水域现状数据库
建立水域现状数据库,将通过质量检查的水域现状数据和属性信息入库,完成本次水域现状调查的数据库成果。
4 水域数据库建设
目前嵊州市水域管理使用的主要数据资料为2005年水域调查的资料,由于数据资料年代久远,存在一些问题如数据时效性较差、数据精度较低、河道名称复杂、水域监管困难等。目前,水利部门与国土、住建等部门相比,掌握的数据资料相对较少,已远不能满足目前的管理需求。
对嵊州市全市水域现状进行调查,并对河湖信息进行空间标绘,包括:名称、数量、长度、水域面积、经纬度、河湖功能划分、等级、取水口(排污口)、主要涉堤(河)建筑物(构筑物)等,建全河湖水域信息数据库;基于水域现状调查成果结合已有水利工程、河(湖)长制等信息,按照制图规范要求制作嵊州市水系现状图及相关专题图。
4.1 水域现状调查信息数据库
嵊州市水域空间数据库采用ESRI ShapeFile面状数据的存储方式,数据库中包含各水域对象的位置信息以及属性相关信息。河道基本属性包括河道的名称、起讫点、河长、面积、河道等级等属性。水库、山塘、湖泊、池塘等主要调查水域名称、类型、等级、面积及所在地等属性,以面层存储,基本信息数据库均以ESRI Shapefile格式存储和管理。
本次调查内业数据采集利用0.2 m高分航拍影像判读和1∶2 000地形图数据量算相结合的方法进行。充分利用高分遥感影像和最新大比例尺地形图精度高、可读性好、现势性强的优势,根据不同水域类型水域范围的采集标准采集水域范围线,根据遥感影像特征及与地形图的对比,结合野外实地考察结果,选择影像的色调、形状、纹理和相对分布位置建立目视解译标志,并借助历史资料文档等相关辅助资料进行解译,同时补充水域名称、起止点、所属乡镇位置属性信息,对于内业采集存在疑义的情况进行标注汇总,以备外业调查核实使用。
本次水域调查的类型分为河道、水库、山塘、湖泊、池塘和其他水域6种。根据水域范围的界定原则,并结合实际情况和测绘地理信息技术的特点制定数据采集原则。
4.1.1 有堤防或硬质岸线水域
河道、渠道、湖泊等具有堤防或硬质岸线(如硬质护坡、护岸、挡墙和道路等)时,在影像上一般呈现为白色条状。当水域水面线外扩一定范围内有硬质岸线或房屋时,直接沿硬质岸线或房屋的迎水侧边缘勾绘水域边界(见图 2 ~ 4)。
图 2 有堤防情况水域范围示意图
图 4 沿岸有房屋时水域范围示意图
4.1.2 无堤防和硬质岸线水域
河道、渠道、湖泊、池塘等水域沿岸无堤防和硬质岸线时,以地形图中的水域界线为基础,结合高分遥感影像,沿水陆岸线(坎线)勾绘修测水域边界(见图 5 ~ 6)。
图 5 沿岸有明显水陆界线水域范围示意图
图6 无堤防时水域范围示意图
4.1.3 水库水域范围
水库水域范围针对已经划界的水库和尚未划界的水库,分别采用不同的技术手段进行确定。对已经划界的水库,使用水库标准化划界成果,按照标准规范要求取其中库区的管理范围,并延伸至坝体作为水库的水域范围。对尚未划界的水库,水域范围线参照基础地形图中等高线进行反演生成。
4.1.4 山塘水域范围
山塘水域范围确定针对已经划界的山塘和尚未划界的山塘,分别采用不同的技术手段进行确定。
针对已经划界的山塘,使用山塘标准划界成果中库区的管理范围,并延伸至坝体作为山塘的水域范围。对尚未划界的山塘,使用常水位线并结合影像修测,作为山塘的水域范围。
4.1.5 湖泊、池塘、其他水域
湖泊、池塘水域根据地形图提取并结合影像修测完善。
4.2 主要涉堤(河)建筑物(构筑物)信息数据库
除了水域范围,还可利用影像图确定主要涉堤(河)建筑物(构筑物),利用原始的一系列工程图及历史资料,主要包括已有的嵊州市水利工程分布图等专题地图和第一次水利普查相关资料,对收集的资料进行整理整编,比如对工程分布图进地理配准,将所有数据统一于GIS平台上,进行空间化处理,使各资料统一至绍兴市坐标系下进行叠加显示。操作方式包括格式转换、地理配准、投影变换等。
本次标绘的对象包括重要的涉河桥梁、主要的堤防护岸以及取水口(排污口),以及泵站、水电站、水利枢纽、水闸、堰坝等水利工程,根据文档资料中的位置或者名称信息,进行综合处理,将叠加显示的空间数据进行人工综合取舍,确定涉河(堤)建筑物(构筑物)的空间位置及属性,建成空间数据库,为水域的信息化管理提供数据基础。
由于几何配准的底图数据存在一定偏差,定位精度不高,因此综合取舍原则为以影像底图为基础,确定水利工程的空间位置,以其他资料为基础,确定水利工程的属性。成果水系专题示例见图7。
5 成果应用
以水域现状调查成果为基础,可进行嵊州市河湖一张图平台建设。结合水域各项相关属性信息,全面综合调查获取得到的各类涉水相关信息,如水资源及涉水工程等,包括水域叠加各类辅助数据,将所有相关信息综合显示到一张图上,在系统平台上进行管理和展示,提供水利电子矢量地图制作、WebGIS平台开发、嵊州市水系现状图及相关专题图等,提供辅助决策、规划、设计和管理功能。
开发嵊州市河湖一张图管理系统时,可将本次嵊州市水域调查信息在地图上进行集中展示和应用,为工作人员提供直观的空间信息展示功能。通过该系统能够在WEBGIS上查询区划内水域基本信息,并提供通用GIS功能,如:放大、缩小、漫游、测距、定位等,实现在电子地图上各类空间信息查询、统计及专题展示,并开发水利工程信息、管理信息等展示模块,搭建嵊州市水域管理平台架构和服务接口,形成嵊州市河湖管理平台。
6 结 语
(1)遥感与GIS技术是一种高效、快速、经济的水域现状调查手段。
(2)应用遥感与GIS技术,以高分辨率遥感影像及1∶2 000地形图为数据源,结合外业实地调查,用目视解译的方式基本掌握嵊州市河湖的基本情况,为今后河湖信息化管理平台提供数据基础。
(3)在数据处理过程中,也存在一些问题,如目视解译存在不稳定性,不同人员处理结果存在一定的差异,使质量检测环节显得尤为重要。