遥感与无人机技术在湖南省河湖管理中的综合应用

2021-05-31张晓斌

湖南水利水电 2021年2期

张晓斌，乔祺，石林

（1.湖南省洞庭湖水利事务中心，湖南长沙410007；2.湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙410007）

自湖南省实施河长制以来，省委、省政府将全面推行河长制湖长制纳入生态强省、建设美丽富饶新湖南的重要内容，全省各地以生态优先、绿色发展为导向，水资源管理不断加强，水环境质量不断优化，河湖管护机制日趋健全，河湖管理工作取得了阶段性胜利。

但近年来，随着经济社会不断发展，资源环境可持续利用压力日趋增大，河湖管理已演变为多因素、多方位、多视角、多主体的复杂问题。设立监测站、建立测报系统、定期巡逻等传统措施存在着信息传输发布不及时、人力物力消耗大、分析方法简单粗略、各区域连通性差、缺乏智能的决策方法等弊端，已不能满足新形势下河湖管理需求，必须依靠各种科技手段，并统一统筹、协调规划、配合运用，完善基础设施体系与制度建设，实现河湖水系各类特征数据的采集、存储、统计、分析、展示、上传等功能，全面支撑河湖要素的全面感知与及时预警。

本文以遥感技术与无人机为例，探讨两者在湖南省河湖管理中的综合应用，为提升湖南省河湖管理信息化与智能化提供应用实例。

1 遥感技术与无人机技术简介

1.1 遥感技术

遥感技术是指从高空或外层空间接收来自各类地物发出的电磁波信息，并利用一定手段对这些信息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对各类地物或现象进行远距离控测和识别的现代实用技术[1]。

遥感技术受限条件少，可大范围获取数据资料且不受地形地物阻隔的影响，它不仅能获得地物可见光波段的信息，还能获得紫外、红外、微波等波段的信息[2]。遥感通常为瞬时成像，及时获取所测目标物的最新资料，便于动态监测目标地物的变化规律过程及规律。遥感技术提供了大量实时、动态、快速、廉价的地理信息，为各种自然、社会现象及其分布规律的研究带来了“质”的改变。

1.2 无人机技术

无人机是一种无人驾驶飞行器，不与目标地面物体直接接触[3]。无人机技术最早用于军事领域，后来逐渐演化并用于各类测量、研究、生产等民用领域。无人机系统主要由三个方面组成：飞机飞行平台、数据采集系统以及地面控制系统，如图1所示。

图1 无人机系统

无人机与传统人工作业相比能够基本克服交通不畅、恶劣天气等不利因素，既可以利用自身高视角宽尺度的飞行和机载遥感设备来进行地面拍摄，又可以借助其灵活机动等特点结合相关技术手段来实现现场信息的快速实时传输和后期局部数据建模分析，且操作相对简单，成本更加低廉，弥补了传统措施消耗大、效率低、精度差等不足。

2 水利工程划界中的综合应用

2020年3月23日，湖南省水利厅与湖南省自然资源厅发布了《关于做好全省水利工程管理与保护范围划定工作的通知》（湘水发〔2020〕8号），要求在2020年底前基本完成全省国有大中型和重点小型水利工程管理与保护范围划定工作；2021年底前完成其他规模以上水利工程管理与保护范围划定工作。

在内业作业时通过收集的水利基本信息、已有大比例尺地形图资料和卫星遥感影像资料，进行水利工程的地形和水文分析，通过地形和影像的叠加，制作初步的水利管理与保护范围划线工作底图。对于缺少大比例尺地形图或者高分辨率影像资料的地区，采用无人机现场航飞的方式获取测区范围DOM影像资料，进行工作地图的制作划界。本次划界工作结合1∶2 000数字正射影像和1∶2 000数字线划图，制作水利工程管理与保护范围划界的工作底图。

以郴州市苏仙区水利工程划界工作为例，工作底图与目前的水利工程现状有5年的时间间隔，部分水利工程的工程结构及周围建筑环境发生了较大变化。因此，为补充采集水库管理所的范围及其布局、库区内的建筑物和溢洪道等要素信息，采用无人机结合现场资料分析的形式，使得水利工程划界工作成果更为严谨可靠。

通过分析底图和现在运行的水利工程的差异，划界对象中的雷溪河堤防和水闸、飞天新城堤防均为近几年实施的工程（2016年以后），划界底图为2014年10月航拍成果，为了明确这些水利工程的管理与保护范围线，通过无人机现场航拍，图像配准、几何校正和坐标转换等过程，更新了部分工作底图，更新前后的地图分别如图2、图3所示。

图2 更新前的工作底图

图3 更新后的工作底图

此外，通过遥感技术与GIS技术配合可建立精确的地理信息系统管理服务平台，依靠建设的水利划界范围和保护范围数据库以及基础测绘数据库，可实现水利工程管理保护范围划定工作的程序式管理，为建立全省水利信息大数据平台提供支持，有利于对划界成果实行信息化动态管理，进一步实现河湖及水利工程现代化管理。

3 “清四乱”中的综合应用

河湖管理中的“四乱”指乱占、乱采、乱堆、乱建四类[4]。实施“河长制”之前的河湖水域监管，主要采用人工巡查、督查、测量、群众举报等传统方式，准确性难以保证，效率低且人力成本较高，违法占用水域现象时有发生，很难满足现代管控的需求。

高分辨率遥感影像通过处理生成正射影像，再经过预处理，消除或减弱噪声和尖锐性噪声，采用数值微分纠正等方法进行正射校正、信息增强、融合、镶嵌等处理。

目前河湖“四乱”问题可采用人工目视解译、计算机解译以及两者结合的方法实现[5]。人工目视解译需根据水体光谱特性与其它地物的差异，对河湖管理保护范围内存在的乱占、乱采、乱堆、乱建问题识别出来。该方法对解译人员的综合素质和解译经验要求较高，人力资源消耗大且效率较低，但解译精度较高。计算机解译是基于遥感影像算法的自动识别方法，首先建立训练样本库，然后采用光谱特性分析方法进行算法解译。“清四乱”工作采用人工解译与计算机相结合的方式，在计算机辅助解译的基础上进行人工目视解译，既可大大提高解译效率，又能对地物反射特性复杂的区域，进行人工甄别，避免误判，保证解译精度。

对已收集到的影像进行整理汇总分析，按照“四乱”分类，建立遥感信息数据库名录，精确显示每个问题“四乱”的类型、位置、面积及所属管辖单位（河段）信息，描述问题区域的动态变化信息。再根据区域地形、水文、植被情况、水体利用现状等特征信息，建立典型地物解译标志，最终通过外业调查，对遥感发现问题进行一一验证。同一地点乱建民房问题遥感解译图片与现场核实如图4、图5所示。

图4 乱建问题遥感解译

图5 乱建问题现场核查

2019年湖南省水利厅河湖管理处组织了开展“四乱”问题的卫星遥感核查工作，并于2019年4—5月分三批向各市州交办遥感发现疑似河湖“四乱”问题1 258个，经现场核实，确认540个问题属实。

4 河长巡河中的综合应用

传统的人力巡河方式，由于行程和时间受限，数据采集不够，巡河结果往往缺乏全面性与科学性，利用无人机与卫星遥感影相互辅助与配合，构建立体化监控体系，不仅能为河长巡河提供极大的便利，还能对敏感区域和重点目标实现常态化智能监管。

卫星遥感监测范围广，获取信息全面，但受时效性与解译成本限制，遥感技术对于乱排、乱堆等较小目标，可能无法准确实时监测，这种情况下应充分利用无人机技术优势。

目前，无人机巡河已成为河湖管理的重要趋势。无人机巡河有两大优势：一是提高巡河效率，规避可能发生的风险，通过机器的辅助真正达成巡河全覆盖。针对违法捕鱼、非法采砂等行为，体积小、速度快、隐蔽强的无人机可以提供有效、实时的现场侦查和取证，对破坏河流生态健康的行为形成有力震慑。二是生成河流数据库，专业测绘无人机在巡河的同时，开展全河段适航扫描，生成含有匹配Pos数据的DOM影像，经数据处理，可以搭建河湖问题信息数据库。

河长巡河过程中，利用无人机获取河道高清视频和全景图片，可有效进行污染源、排污口、非法占用河道建筑物、水面及岸线垃圾等排查，提取监测对象的地理位置、特征坐标、视频、全景等数据，并上传至湖南省河长制湖长制工作综合管理信息系统，初步形成疑似问题清单。无人机巡河拍摄图片如图6、图7所示。

巡河结束后，结合卫星遥感影像对问题进行深度识别。通过不同时期遥感影像对比，收集河岸带变化、水域面积变化、水体污染等信息，数字化解析问题发生前、中、后的全时间序列，深入、全面地了解非法行为实施的全过程，追根溯源最大程度地剖析问题，为行政执法提供便利。

将遥感影像与无人机巡查发现的疑似问题与河长、河湖管理部门日常巡查发现上报的问题进行比对，互相验证和补充。通过问题比对与核实，完善全省河湖问题清单。为河湖管理相关管理部门提供宏观辅助决策支持，较于传统方法，河湖管控效率有了大幅提升。