黄河下游河势遥感监测系统建设分析

刘道芳，陈济民，许志辉

（黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450004）

0 引言

黄河下游河道宽浅，河势变化剧烈，特别是洪水期极易发生“横河”“斜河”现象，威胁防洪安全。自新中国建立以来，河势信息主要依靠县级河务部门人工乘船沿河查勘获取，一般在每年汛前、汛后进行，并手工标绘工程靠溜、靠河等河势信息。随着黄河遥感应用的深入，遥感逐步取代人工，成为快速获取下游河势的主要技术手段[1-3]。在每年汛前、汛中、汛后通过采集中高分辨率遥感影像，提取主溜线、水边线、河道工程等信息[4-7]，叠加河务部门的人工观测数据和水文部门的大断面测验资料，制作黄河下游 1∶50 000 河势图。通过多期河势图套绘，分析河势变化，预估出险位置，为河道整治、工程布设、防洪抢险提供技术保障，为研究黄河下游河势演变规律、滩区治理开发提供信息支持[8-10]。

为快速从遥感影像上提取河势信息，许多学者利用遥感技术采用多种方法开展了河势信息提取研究，涉及黄河河道水体快速提取[11]、河道主溜线快速检测[12]及洪灾监测模型[13]等方面，取得了一些研究成果。但这些研究多限于河势信息提取方面，对于黄河下游河势遥感监测系统建设方案的研究尚不多见。

虽然黄河下游河势遥感监测已经开展多年，也积累了大量的河势遥感监测资料，但黄河下游河势遥感监测还存在以下问题：1）数据处理与存储能力尚不能满足要求。近些年，随着国产卫星数据资源的不断增多，空间分辨率的不断提高，对遥感数据的处理能力与存储空间提出了更高要求，特别是汛期河势应急监测时，数据处理和存储能力愈显不足。2）河势信息提取主要依靠经验人工提取，提取速度慢，自动化水平有待提高。3）河势信息主要通过河势图的形式提供服务，尚未全部实现数字化和数据库管理及对比分析。

针对以上问题，分析研究并建设黄河下游河势遥感监测系统，提高河势遥感监测信息服务水平，为黄河下游防洪决策提供有效及时的信息支持，更好地服务于黄河防洪现代化。

1 建设目标和思路

1.1 建设目标

从黄河下游防洪安全及工程管理需求出发，充分利用国产中高分辨率遥感卫星，综合利用其他卫星，以及工程、断面实测数据，建设多数据源的河势提取、管理及分析系统，实现河势信息自动化半自动化提取、河势信息查询浏览、发展趋势对比分析、险情预估等功能，为黄河工程布设、防汛调度及决策提供基础信息支撑。

1.2 建设思路

黄河下游河势遥感监测系统建设遵循经济、实用、创新、共享的原则，建设以下内容：建设卫星遥感数据传输通道，实现国产数据资源的快速获取；开发河势信息解译系统，实现河势信息的快速提取；建设河势信息服务系统，实现河势信息的便捷化服务；扩充遥感数据处理软硬件和存储设施，实现遥感数据的集中管理、快速处理、集中发布；建设河势信息数据库，集成雨水情水文测验等信息，及时、快捷、方便地为黄河防汛提供信息及技术支持。

2 建设内容

2.1 卫星遥感数据传输通道建设

随着国产陆地卫星资源的不断增多，国产卫星数据已经成为河势遥感监测最重要的数据来源，要想快速获取遥感数据，建立与国产卫星的分发机构——中国资源卫星应用中心的数据通道非常必要。

为此，依托现有水利部专线和水利政务网络，开发数据传输系统，建设卫星遥感数据传输通道。在中国资源卫星应用中心部署专用推送服务器和系统，推送服务器通过中国资源卫星应用中心与水利部专线做地址映射，联通进水利政务网络，通过水利政务网络中连接部署在黄河水利委员会的接收服务器，完成数据传输。第一时间将需要的数据从中国资源卫星应用中心的服务器推送到流域机构的服务器，使河势遥感监测数据实现准实时获取，为河势信息的解译提取争取时间。

2.2 遥感数据处理软硬件和存储设施建设

黄河下游河势信息的快速处理、自动化解译、高效存储、集中发布、对比分析等功能的实现，离不开遥感数据处理软硬件环境与存储设施的支持。基于现有软硬件环境及存储设施基础，对现有软件系统进行升级完善，增购系统需要的硬件及存储资源，构建遥感数据综合管理服务平台，借助成熟 GIS 软件构建遥感数据、GIS 数据及河势信息服务平台，实现遥感数据的批量、高效、一键式处理，河势信息的自动化、半自动化提取，遥感影像与矢量等数据的存储、管理与快速发布。遥感数据处理软硬件和存储设施拓扑图如图1 所示。

图1 遥感数据处理软硬件和存储设施拓扑图

2.3 河势信息解译功能开发

河势信息解译功能由遥感影像水边线半自动提取、河道主溜线辅助解译、工程靠溜情况辅助解译等模块组成。从遥感数据中快速提取主溜线、水边线、工程靠溜等信息是河势遥感监测的首要任务。根据主溜线特征和水体的光谱信息，开发河势信息提取功能模块，从遥感数据中自动化或半自动化地提取主溜线、水边线等信息十分必要。河势信息遥感解译流程如图2 所示。

图2 河势信息遥感解译流程图

2.3.1 水边线提取

水边线提取一般根据水体指数将水体先提取出来，生成以水为主要信息的栅格图像，再通过直方图及分类方法逐步测试出区分水与非水的阈值。将位于该值范围内的像元分类为水域，不在该值范围内的像元确定为非水区域，这样就将水从栅格影像中提取出来。阈值的选择必须根据区域研究对象及周围环境的特点确定，大小受成像时间、区域环境、大气状况等信息的影响很大，在选择时要综合考虑各种因素。确定阈值后，将水域的栅格像元的值设为 1，非水域栅格像元的值设为 0，生成 0 和 1 组成的栅格影像。

将水域二值影像利用转换算法转换为矢量文件。提取出的水域中包括黄河水域、水库、坑塘等全部水域，将不是黄河水域的信息删除后形成黄河河道水域并转换为水边线。

2.3.2 主溜线提取

主溜是河道中水流最深、流速最大的地方。目前，完全基于遥感影像光谱特征依靠算法自动提取河道主溜仍难以实现，主要原因如下：在河道内虽然有主溜区和非主溜区区分，但二者同为水体，相互之间边界不太明显；反映在遥感影像上，二者光谱特征之间的差别十分细微，几乎难以区分开来，因此主溜线自动提取较为困难。

主溜线人工辅助提取的步骤如下：1）对图像进行辐射、几何校正等基础处理，减弱大气等对遥感数据的影响，增加精确的地理坐标。2）对某些波段进行增强处理，突出主溜线在遥感影像上的特征，为人工辅助提取主溜线提供依据。3）参考其他波段彩色合成图像、河流水沙条件、判读经验等，在计算机上采用人工交互的方法提取主溜线。

2.3.3 水边线主溜线修改

依据遥感图像解译的河道水边线、主溜线的位置，参考各县河务部门查勘的、水文部门测量的河势资料，对河道水边线、主溜线的位置，进行编辑修改。

2.3.4 工程靠溜情况辅助分析解译

主溜靠近工程、使工程临水的现象，称为靠河。在靠河工程中，若工程坝垛靠主溜，则称为靠溜。工程靠河、靠溜情况是黄河防洪决策的重要依据，在每年汛前、汛后的河势查勘中，河务部门工作人员乘船沿河而下，对工程靠河情况进行实地详细查勘，掌握每处工程每个坝垛具体的靠河靠溜及工情的具体变化等情况。

工程靠河或靠溜情况是河势分析的一项重要内容，工程靠溜与否是预估河势发展的一项参考依据。利用遥感和 GIS 技术，开发工程靠溜情况辅助分析功能模块，根据水边线、主溜线解译成果，结合工程分布情况，在一体化集成分析环境下，分析获得每处工程每个坝垛具体的靠河、靠溜情况。利用 GIS空间分析功能，实现对工程靠溜的自动判断分析，并根据需要自动产生工程靠溜的各种统计报表。

2.4 河势信息服务功能开发

2.4.1 框架结构

黄河下游河势遥感监测系统采用 B/S 架构，用户可通过 Web 客户端技术模式访问系统。架构分为数据层、服务层、交互层，其中：数据层提供黄河下游河势信息对象；服务层通过矢量和地图2 种服务，为用户提供数据及地图数据访问服务；交互层为用户提供编辑操作交互窗口和地图展示。

2.4.2 技术实现

黄河下游河势遥感监测系统前端开发采用目前比较流行的 HTML + CSS + JavaScript 技术方案，基于 WebGIS 地图或空间数据等服务实现，在不安装任何插件的情况下，在浏览器上可以绘制较为完美的地图，并能实现动态标绘、渲染与交互，搭建快捷，用户体验良好。服务器数据访问可以采用基于 .Net 通过WebAPI 技术实现与后台数据的交互，支持通过浏览器对空间数据进行浏览、查询统计等操作，同时为达到快速响应目的，采用数据冗余等机制对实际数据服务做优化，实现监测影像、河势和分析成果的快速浏览与统计输出，提高用户体验效果，增强编辑操作的稳定性和高效性。

2.4.3 功能组成

实现不同时期河势监测成果竖幅对比、横幅对比、变化分析、成果统计、制图、河势变化预警、移动应用等功能，通过放大缩小等操作，多个窗口联动显示同区域的数据，用户可查看监测成果不同之处，发现监测对象信息变化情况；实现 2 个不同时期河势监测成果的变化分析，得到变化区域监测对象信息要素，并在前端以不同符号展现，查看变化图斑的信息，按河段给出分析统计、制图。相关功能分析如下：

1）监测对象信息横幅、竖幅对比。用户可以自由选择关注日期内的影像或矢量成果数据，然后按从上到下或从左到右顺序排列，可控制同时显示的窗口数量，在某一地图窗口内进行拖拉、放大、缩小等操作，实现多个地图的同步变化显示，同时可以自由切换地图中的显示内容，对比显示多个时间点的监测对象解译成果信息。

2）监测成果变化分析。根据用户提交的请求，实现 2 个时间节点上的河势矢量成果空间运算，获得变化对象的几何图形及相关的属性信息。

3）变化分析成果图形化展示和统计输出。通过 Web 客户端技术及浏览器，加载变化分析成果，并用不同颜色渲染显示对比成果。依据变化分析成果的几何图形及属性信息，对河势对象按行政区域进行分类统计输出。

4）制图。制图模块可实现地图打印功能，以方便用户更加细致地查看地图。将提取的河道主溜线、水边线、心滩、工程靠溜数据等叠加到黄河下游河道矢量图上，根据黄河流向方位，按照出图要求划分不同的区域，进行不同的角度调整，实现河势图生成与输出打印。

5）河势变化预警。通过对多期河势信息进行空间运算，对河势出现较大变化的河段，渲染为不同的颜色，在前端进行展示预警，为工程布设、河道整治提供参考。

6）移动应用。基于智能手机、平板电脑等主流移动设备，开发河势信息服务 App，将河势信息在移动端进行展示，并实现对比分析、定位、信息标记等 GIS 功能。

2.5 河势信息数据库建设

河势信息数据库包括河势信息矢量、遥感监测影像、基础地理等数据库。

整理历史上的河势信息，并将其数字化，建设河势信息矢量数据库，方便历史河势信息的分析比较。建设河势遥感监测影像数据库，管理河势遥感监测的影像信息。建设基础地理数据库，导入系统制图需要的村庄、居民点、道路、行政区划等信息。

2.6 信息集成

根据河势分析工作需要，将雨水情、基层实测工程靠溜、大断面等黄河水利对象信息集成，无缝集成到黄河下游河势遥感监测系统中，为防洪决策提供星地一体化全方位的信息支撑。河势信息服务系统主要通过调用服务、资源整合等方式集成数据到统一的分析界面，为防汛决策提供参考。

3 结语

河势信息对黄河下游防洪调度、工程布局具有重要作用，遥感是目前快速获取河势信息的重要技术手段。建设黄河下游河势遥感监测系统，对保障黄河下游防洪安全、提高防洪决策水平具有重要作用。黄河下游河势遥感监测系统的建设，提升了河势遥感监测的自动化和信息化服务能力，促进了河势遥感监测效率的提高，具有一定的推广价值。

黄河下游河势遥感监测系统虽然开发了移动端App，但功能还较为单一，需要进一步扩充移动端功能，提升应用效果。主溜线自动解译模型虽然已有一些研究成果，但还难以满足生产需要，尚需进一步深入研究。