空天地协同的城市河道遥感监测研究

郑瑶瑶 ，周 斌 ，林嘉怡 ，陈东亮

（1.杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江 杭州 311121；2.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江 杭州 311121；3.杭州九问数字科技有限公司，浙江 杭州 311202）

1 问题的提出

近几十年，我国快速工业化、城镇化发展带来的资源能源消耗不断增长，城市环境问题越来越突出[1-2]，河道水质的普遍恶化对人类健康及社会经济可持续发展造成严重威胁[3]。为促进水资源可持续利用和经济发展方式转变，推动经济社会发展与水环境承载能力相协调，2016年12月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于全面推行河长制的意见》（以下简称《意见》），标志着探索近10 a的河长制从原来面对太湖蓝藻危机的应急之策上升为国家意志[4]。《意见》中要求全面建立省、市、县、乡4级河长体系，并明确河长的主要任务为：加强水资源保护、加强河湖水域岸线管理保护、加强水污染防治、加强水环境治理、加强水生态修复、加强执法监管。各地区政府积极响应中央号召，于2018年6月底前全部建立河长制。通过各级河长积极行动，河湖治理初见成效[5]，但在河长制运行过程中，也暴露一些问题。在河长层面，其主要依靠自身的行政地位进行相关水环境管理工作，专业知识不完备，例如仅能从主观上目视判断水质水环境，在一定程度上影响了决策的有效性和科学性[6]，且河长的巡河、数据填报的频率高、任务重[7]。在跨区域管理层面，河流水环境治理往往涉及多个区域，而由于各地区的经济发展水平和利益需求不同，导致其对水环境治理的着重点也不同，区域组织协调作用弱，类似“上游污染、下游治理”的现象仍然存在[8]。从河长制的全面推行到全面见效需要各方共同努力。部分学者对河长制进行制度、机制以及思想层面的探索性研究，并提出相应的改进对策[9-11]。也有部分学者在技术层面对河长制的长效、高效发展提出可行方案。林顺海等[12]在分析无人机技术特点的基础上，探讨无人机在河长制工作中的具体应用。陈黎等[13]提出基于无人机技术的岸线监管，并于广东省一村级河段开展实际应用。张曦等[14]提出基于遥感的水域岸线目标变化检测方法，利用卫星遥感协助水域岸线管护及河长工作成效量化分析工作。阎雨[15]、吕玉凤等[16]结合河长制的6大主要任务，研究卫星遥感在辅助河长制工作开展中的作用。但目前综合利用卫星遥感、无人机等各种技术，实现技术间优势互补，从而支撑将河长制的制度优势转化为水环境治理效能的研究较少。

2 巡河监测技术

在河长制工作中，各地因地制宜，出台相关方案意见，组织实施具体工作。在工作开展过程中，各级河长主要依靠人工巡河发现问题。而人工巡河费时耗力，且巡河效率较低；对于巡河频次要求最高的村级河道，还存在道路不通、沿岸植被遮挡等问题。随着遥感技术的发展，无人机遥感技术、卫星遥感技术已被运用于水环境监测工作中。无人机及卫星以其特殊的空天视角，能实现全面无死角的巡河工作，但由于空间分辨率、时间分辨率等限制因素，单一的监测手段难以监测不同河段的全部问题，无法完全替代人工巡河工作。结合不同监测技术的特点（见表1），进行多源手段的协同监测将最大程度发挥河长制的优势。

表1 不同类型的巡河技术特点对比表

3 空天地协同的城市河道遥感监测方案

结合卫星遥感、无人机、无人船、视频监控等技术的特点，构建空天地一体化的河道监管方案（见图1），用科技推动河长制从“有名”到“有实”，从“全面建立”到“全面见效”的 转变。

图1 空天地协同城市河道遥感监测框架体系图

3.1 水资源调查保护

随着人口的快速增长和社会经济的发展，水资源需求量不断加大，水资源将成为制约区域发展的重要因素。水资源调查保护可以为水资源综合利用提供一定参考和依据，从而实现水资源的可持续 利用。

目前，河道水资源调查主要基于水文站点的数据，利用数理统计的原理和方法，通过水文分析计算得到水量。有限且不均匀分布的水文站点在一定程度上限制了水量的精确计算。

卫星遥感和无人机遥感影像经过预处理可自动提取水体的面积、位置等属性。对于大范围水域调查，可以选择中高分辨率的卫星影像数据，经过图像镶嵌获得覆盖全流域的10～30 m分辨率影像数据。对于小范围水域调查，基于国产高分卫星遥感数据，经过正射校正、图像融合、图像镶嵌等影像预处理，获得覆盖全流域的1～2 m分辨率影像数据。利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息，生成水域分布图，计算面积等属性。

在河道面积遥感调查和无人船河道水下地形测量的基础上，计算可得到区域地表水资源总量。同时结合多角度无人机立体测绘，可构建河道的数字化四维展示。

3.2 水质及水污染监测

水质及水污染监测是水生态文明建设的主要工作之一，可为水环境管理、污染源控制提供基础数据。近年来，在线水质监测站发展比较快，该监测技术可以较短的时间间隔测量水质参数数据，但由于硬件投入较大、需要经常维护、点位分布有限等原因，不适宜开展大范围监测，不易捕捉污染物的空间分布特征。与在线监测不同，卫星遥感可以低成本、快速、大范围监测地表水体水质，便于发现污染物的时空分布特征和迁移规律，是地表水体水质监测的重要补充。

在无人船实测得到水质参数数据的基础上，结合遥感影像光谱信息构建水质参数遥感监测模型，利用高光谱无人机/高光谱卫星遥感影像，对全流域河道水质分布情况开展遥感监测，形成河道水质动态监测分布信息。

在重点流域，利用无人船开展常态化水质监测。在重点入河排污口附近可安装监控，并可在夜间使用搭载热成像设备载荷的无人机进行污水热排放识别，打击污水乱排、偷排等行为。

3.3 水域岸线管理保护

水污染虽然发生在河道中，但归根结底是岸边的原因。多年来，我国一直重视水污染防治工作，但点源、面源、内源等水污染却频频出现。虽然出台相关政策法规，严禁以各种名义侵占河道、围垦湖泊、非法采砂、乱占滥用岸线，但由于监管不及时、不到位，体系不健全等问题，相关违规违法行为屡禁不止，河湖水域岸线生态功能屡遭破坏，岸线监管能力亟待提高。

对于省市级河道，可对比多时相中高分辨率遥感影像，发现水域岸线动态变化。同时可对全流域范围的土地利用/覆盖状况进行年度遥感监测，获取岸线周边的耕地、林地、居住用地等规模及其变化信息。

而对县乡级河道而言，遥感影像的成本过高，且对操作人员的技术要求较高，并不适用于日常河道监测和管理。相较于卫星遥感，无人机遥感具有成本低、操作简单、机动灵活、高时空分辨率、实时性强等特点，可及时发现乱占滥用岸线等问题。

在重点水域岸线周围，可安装视频监控，进行全天候监测管理。

4 实际案例

浙江省是最早探索河长制管理的省份之一，历届省委、省政府对治水工作高度重视。河长制成为国家水环境治理的重要举措后，浙江省积极推动河长制向纵深发展，对水环境进行长效整治。作为浙江省杭州市和绍兴市两地的母亲河、浙东引水枢纽工程主干通道，西小江水环境治理工作也是浙江省治水工作的重要组成部分。西小江北岸的杭州市萧山区对各级河长巡查力度作出规定，区级河长不少于半月1次，镇街级河长不少于每旬1次，村级河长不少于每周1次；并借助“杭州河道水质”和“智慧河道云平台”APP打造河长制管理信息化透明化。西小江南岸的绍兴市柯桥区已全面落实区级河长半月一巡，镇级河长一周一巡，村级河长一周两巡，对重点河道加密巡查频次的巡查机制。但由于西小江位于杭州、绍兴2市交界，河湖管理体制存在各自为政的跨界难题。为促进上下游、左右岸机制联动、资源共享，促进全流域水环境质量持续改善，2020年8月，杭州、绍兴2市正式开启杭甬运河（西小江）“流域共治”模式。为真正做到统一规划、统一标准、统一监测、统一防治，“流域共治”不能仅仅依靠“人治”，还要依靠科技支撑，让科技为新模式赋能。

4.1 研究区域概况

西小江呈西南—东北流向，始于杭州市萧山区义桥镇新坝，流经义桥镇、临浦镇、所前镇、新塘街道、衙前镇，止于萧山区衙前镇与绍兴市柯桥区钱清镇交界处，全长33.7 km，江面平均宽度94 m，根据其流经的乡镇，河道被分为5个河段（见图2、表2）。西小江流域支流众多，南侧通过新坝河等支流与浦阳江、进化溪相接，北侧通过南门江等支流与官河、北塘河沟通，同时依靠萧绍老海塘上的节制闸与南沙平原的河网沟通。

图2 西小江地理位置图

表2 西小江河段明细表

4.2 遥感监测方案

（1）水资源调查保护：本研究使用的遥感影像数据为欧空局哥白尼数据中心（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下载的Sentinel-2影像，影像获取时间为2020年8月16日。下载的数据级别为经过正射校正、几何精校正和大气校正的大气底层反射率数据。在欧空局提供的SNAP软件中通过最邻近插值法将Sentinel-2 L2A级影像数据所有波段重采样至10 m，并导出为ENVI格式。在ENVI 5.3中计算改进的归一化差异水体指数（MNDWI），确定阈值提取水域并处理得到河道边界矢量数据。最后计算得到西小江河道面积为2.43 km2。

（2）水污染监测：利用无人机实现衙前段部分河道的航拍巡河，通过合理的航线规划，获得河道的高分辨率视频，实现高效率无人机航拍巡河（主要为衙前段河道）。

无人机在8 min内完成3 000 m距离的巡河工作，工作量相当于乡镇级河长巡河。相比人工步行巡河，无人机能实现对道路不通或植被遮挡河段的巡查，实现全覆盖、无死角、高效率的河道巡查，且巡河数据以视频形式长期保存，为监管提供数据支撑。通过航拍视频发现西小江衙前段河道无明显漂浮物及大面积藻类，河道整体较为整洁干净。

（3）水质监测：利用英国Aquaread公司提供的AP-2000多参数水质传感器及德国TriOS公司提供的荧光计系列水质分析仪，按照规划路径沿河道中心线进行走航式水质监测。其中AP-2000多参数水质传感器携带水温、pH、盐度（SAL）、浊度（Turbidity）、电导率（EC）、电阻率（RES）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）、氧化还原电位（ORP）、氨（NH4）探头，荧光剂系列水质仪包括叶绿素（Chl）、蓝藻（Cyno）、可溶性有机物（CDOM）荧光计。

将AP-2000水质仪测得的水质数据及GPS数据导出，剔除40组异常数据后，得到179组可用数据。将3个荧光计的数据导出，剔除229条异常数据后，共获得33 219条数据，其中包括8 167条Cyno数据、8 315条Chl数据和16 737条CDOM数据。由于AP-2000水质仪的采样间隔为1 min，而3个荧光计的采样间隔为1 s，所以需要按照时间将荧光计测得的数据进行平均，与AP-2000水质仪测得的数据进行匹配，得到179组数据（见图3）。

图3 实测水质参数图

根据实测水质参数数据质量，选择温度、pH、ORP、DO共4个参数，利用Sentinel-2数据（见表3）进行水质反演。所使用的Sentinel-2影像数据成像时间为2020年8月21日，与水质数据实测时间同步，来源为欧空局官网。数据级别为经过正射校正、几何精校正和大气校正的L2A级数据。利用SNAP软件对分辨率20 m和60 m的波段进行最邻近法重采样，得到10 m分辨率的数据用于水质反演。

表3 Sentinel-2波段信息表

续表3

温度、pH、DO遥感反演模型调整后的决定系数ΔR2均大于0.4，反演效果较好（见表4）。

表4 各水质参数反演模型摘要表

图4为西小江河道水质参数空间分布图。由图4可知，从上游至下游，西小江水温总体呈上升趋势。西小江由钱塘江水补给，而钱塘江水温较低，导致西小江水温西南低、东北高的特征。此外，西小江流域的pH值和DO值由上游至下游总体呈下降趋势。全流域的DO值为6.22～8.91 mg/L，符合Ⅰ类～Ⅱ类水体标准（GB 3838—2002《地表水环境质量标准》）。

（4）水域岸线管理保护：本研究通过对2016年5月1日和2020年3月17日的两景SPOT6影像的目视解译发现，西小江河道两岸500 m范围内，共48个地块发生土地利用类型变化，总变化面积为61.74 hm2，其中由林地、耕地、草地等地物变为建筑的面积为22.91 hm2，占总变化面积的37%；由裸地、建筑、水体等地物变为草地的面积为18.22 hm2，占总变化面积的30%；由建筑、草地、裸地等地物变为水体的面积为11.23 hm2，占总变化面积的18%。土地利用类型的变化与河长制水域岸线管理保护工作密切相关。全面推行河长制后，为营造“水清、流畅、岸绿、景美”的河道水环境，西小江两岸绝大部分进行砌石护岸且新建绿化带，两岸违章建筑物都得到处理，河道整体面貌有较大改观。2016—2020年西小江500 m范围内土地利用变化类型及面积见表5。

图4 西小江河道水质参数空间分布图

表5 2016—2020年西小江500 m范围内土地利用变化类型及面积表

5 结 语

党的十九大将“坚持人与自然和谐共生”纳入新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本方略，把“生态文明建设”纳入“中华民族永续发展的千年大计”。作为生态文明建设的重要组成部分和基础工作内容，水生态文明建设具有重要的现实意义。河长制的全面推进在河道管理特别是水资源保护、水域岸线管理保护、水污染防治、水环境治理、水生态修复等方面发挥关键性作用。本研究基于高分卫星遥感遥测、多光谱分析、无人机遥感、地理信息系统（GIS）等技术，提出空天地协同的城市河道遥感监测方案，为河长制提供技术支撑，可有效提高河长制监管质量和监管效率。