基于高分遥感数据的界河监测应用

文 | 李慧子 葛宝玉 宋振强 张丽丽

哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司

一、引言

2021 年11 月18 日，中共中央政治局召开会议审议了《国家安全战略（2021-2025 年）》，会议指出新形势下维护国家安全，必须牢固树立总体国家安全观，加快构建新安全格局，必须坚持党的绝对领导，坚持捍卫国家主权和领土完整，维护边疆、边境、周边安定有序。跨界河流域（以下统称界河）储存了全球一半的淡水，与经济和社会稳步发展存在着密切关系，重视和加强界河保护是维护国家利益，保障生态安全，促进地区和平发展的战略性任务。在对诸多界河进行开发、利用与管理的过程中也面临着诸多的问题，其中跨界河流域合作协议少，界河监测与灾害评估方面技术手段不足，国内国际层面立法缺失等现状导致我国在界河争端方面处于被动局面，如何监测、管理界河流域是我国社会发展和国际合作面临的一项重大挑战。因此，运用科学合理的界河监管手段对于协调两国之间的水权关系，妥善处理界河水事争端，实现地区经济繁荣及政治长治久安具有举足轻重的作用。

相比传统监管手段存在不高效、不全面、不及时等问题，卫星遥感技术具有宏观、快速、动态、经济等优势，可实现大范围的界河全天候全天时的动态监测。近年来，卫星遥感技术快速发展，为开展界河动态监控、加强界河管理提供了有效途径。

二、界河监测的意义及作用

界河，为两国或两地区分界的河流，也称为国际界河，是流经两国之间作为两国领土分界线的河流。界河分属于两岸国家，沿岸国对河流分界线向本国一侧的水域行使管辖权。界河由于其特殊的地理位置而与国家间的政治、经济、外交等更加密切地联系起来。一国对国际河流的开发和环境影响往往会波及另一个国家甚至几个国家的环境、生态安全，影响人民生活和国家社会经济的发展。

根据《中华人民共和国陆地国界法》，国务院有关部门和边境省、自治区的各级人民政府应当采取措施维护界河（江、湖）走向稳定，并依照有关条约保护和合理利用边界水。近年来，中国周边界河问题受到国内外广泛关注，作为跨国界河数量丰富的国家，界河问题涉及中国与周边流域国外交关系的处理，关系到中国周边安全环境的维护与构筑。界河因其独特的地位更加引人注目。重视和加强界河保护是维护国家利益，保障生态安全，促进和平发展的战略性任务。界河监测是开展界河保护和合理利用的前提，因此，采取适合有效的监测调查手段是政府管理部门对外交涉进行灾害救援管理和水政执法的关键。

目前，传统的界河监测手段及航空摄影测量方法无法对界河界内、界外流域进行全面的监管，而高分辨率遥感卫星数据由于其较高的分辨率，能够较好地替代航空摄影，对界河状态及灾害等情况进行更精确、动态的监测，为政府管理部门及时排查险情，化解国际争端，进行国家水权纠纷的调解与仲裁提供了技术保障；同时，为政府有效管理好界河流域，全面实施界河治理、灾害应急救援和水政执法提供了决策依据。

三、高分遥感技术应用于界河监测领域的特点

由于界河的政治特殊性，在日常的监测中，我们只能获得我国一侧界河流域的水文信息；同时由于领空的限制，在界河流域突发事件发生后，也不能采用无人机等航空手段进行界河界内、界外数据的采集。而利用高分卫星遥感技术能够很好地解决这些问题。高分卫星遥感作为一种高时效、短周期、低投入、广视域、执行灵活的新技术，其在界河监测及执法管理方面能够发挥强大的优势，能够有效解决目前我国面临的界河流域监测问题。整合收集的信息和遥感数据，以更直观和形象的表现形式如图片、音频、视频等方式呈现，实现精准地识别目标形态和状态。因此高分遥感技术在界河监测领域的应用具有诸多优势，主要体现在以下几个方面。

1.突破地域局限，降低环境因素影响

在早期界河监测中，主要依靠人力来搜集信息，这导致最终收集到的信息资源往往是片面的和不完整的。由于受到雨雪、冰雹、雾气以及地表植被等因素的干扰，传统的监测技术无法实现信息的精准化，就会使界河监测工作无法顺利进行。由于高分卫星遥感数据的飞行平台搭载在卫星上，通过不间断地工作，不仅打破了地域局限，还降低了气候、天气等因素对界河监测的影响，使得我国在界河监测和管理方面的工作变得更加便利和高效，保障了我国界河资料的完整性，为我国界河管理和监测提供了技术支持。

2.信息采集高效化，监测频次精细化

高分辨率遥感卫星数据的高空间分辨率、高时间分辨率及高光谱分辨率特性可对界河流域情况进行较为精确的分析、判断，利用卫星进行遥感监测，成像周期短，在短时间内就可以完成对界河流域信息的采集，通常只需要一次性监测即可完成任务。应用遥感技术，使得界河信息的容量和精确度都大大领先于人工信息采集方式。高分系列卫星作为新的遥感信息源，影像地物判读性较好、精度高，地物类型及其边界识别清晰明显，例如高分一号（GF-1）卫星完整地“看”一遍地球只需要4 天，高分二号（GF-2）卫星的分辨率已达亚米级，可使界河流域各类资源均能够在影像上形成全局性、宏观的表达，高分遥感卫星数据的应用能够对界河流域资源及其生态环境进行更高效、精细化地监测。

3.提高调查效率，提升指导能力

利用高分卫星的多光谱、大宽幅及重访周期短的特点，能够提供特定区域高精度连续影像，为实现及时、快速、大范围的洪水、滑坡、泥石流等灾害的调查监测提供影像数据，提高调查效率。通过对遥感影像快速处理分析，可以直接提供人们最为关心的灾害面积、影响范围和潜在的危险因素等重要数据，科学合理地指导救灾减灾和灾害预防工作。高分系列卫星数据在界河调查、监测领域已可以替代国外商业卫星数据，服务于我国界河调查与生态保护等工作，具有重要的应用价值和广泛的应用前景，为政府有效管理我国界河水域，全面实施界河监测提供了决策依据。

四、高分遥感数据在界河监测中的应用

基于高分遥感数据高空间分辨率、高时间分辨率及高光谱分辨率的特点，开展针对某区域的界河遥感专题监测应用，主要是界河动态监测提取，界河塌岸地质灾害监测以及界河水利工程及水政执法监测，为界河监测、管理提供决策支持。

1.界河动态监测提取分类

界河动态监测以GF-1、GF-2 卫星等遥感影像数据作为基础地理数据，结合历史河道数据、DEM 数据、地形地貌数据等多源辅助数据，提取河道中心线数据，利用预处理后的高分遥感影像数据，分别计算归一化植被指数（NDVI）、归一化水体指数（NDWI）和混合水体指数（CIWI），对影像进行基于边缘检测的分割，综合三个指数的范围、面积、延展度和矩形拟合度，依据经验值进行调整参数范围，根据分类结果对照原始影像进行目视观察，最终选择最佳的参数区域，影像分类流程如图1 所示。基于分类研究结果，综合考虑影响界河状态的主要自然因素和人文因素，实现界河动态监测。

图1 基于规则的高分遥感影像数据分类

2017 年6 月和2021 年6 月通过获取东北某区域高分辨率卫星遥感数据，开展基于高分遥感数据的界河监测应用实践如图2 所示，该地区界河长度约为132.83km，基于高分卫星遥感影像信息提取计算，2017 年该地界河面积约为536.39km，2021 年该地界河面积约为573.85km。

图2 2017—2021 年某地界河范围变化监测

经过计算得出2017—2021 年该地界河面积增加约为53.24km。通过对该地界河卫星遥感影像的信息提取与现场监测数据分析，验证了高分遥感数据在界河动态监测应用的宏观、快速、经济等优势。

2.界河塌岸地质灾害监测

综合利用云计算、导航、遥感等技术，实现灾害自动监测与预警、信息发布、救援指挥和管理。利用经过大气校正、融合、镶嵌等处理后的高分影像数据，建立遥感解译标志（护岸工程解译标志、岸线遥感解译标志、地貌遥感解译标志等），基于计算机自动分类和人机交互式等新技术方法提取河道岸线分布信息，综合考虑影响界河的自然因素和人文因素，利用前期界河参数的提取结果，基于分类器对融合后影像进行分类、提取，以影像分割后生成的多边形对象结果为基础，构建差异影像，计算灰度共生矩阵，提取出差异影像的光谱和纹理特征，组成特征向量，选择合适的训练样本，提取评价灾害的相关指标，解译塌岸地质灾害与护岸工程信息分布图，编制塌岸地质灾害与护岸工程分布遥感解译图，实现塌岸地质灾害的判读（图3），分析得到地质灾害防范措施和方法。

图3 基于高分遥感数据的界河监测

界河流域塌岸地质灾害监测如图4 所示，某地一侧大部分江岸地质结构松散，在中、高水位时，受横向水流的顶冲以及风浪的冲刷，江岸易受到侵蚀并发生塌岸地质灾害，从而造成河流中心线偏移和国土损失。长期下来就会使界河的中心线发生偏离，影响附近居民的生产、生活和航运，而且有可能诱发国际冲突，影响两国的关系。通过利用GF-1、GF-2 卫星等界河现状调查与监测产品遥感数据，按需提供图件、监测报告等方式分析某地段沿江护岸工程分布、河流岸线变迁信息，分析塌岸地质灾害的历史、现状和发展趋势，为防治地质灾害和国土保持提供基础数据和决策依据。

图4 某地流域塌岸地质灾害监测

3.界河水利工程及水政执法监测

通过对高分辨率遥感影像的解译与目标提取，对执法方监测各类图斑进行提取以及变化图斑分类，建立本底数据，实现河湖岸线乱建、乱采、乱堆、乱占问题的全面清查。获取监测遥感影像数据后，基于多时相、多源遥感数据的解译对比分析，根据图斑变化等信息，分析河道和岸线占用、河道采砂等违法情况。

如图5 所示，某地流域发生疑似乱占、违法开采，造成河道中心线改变，同时还有边境界河地区违法乱建和私自越界等不法行为。边境线过长交通不便，造成界河管理和执法困难。利用高分系列卫星进行分析，提供图件、监测报告等方式生成图件和监测报告，结合自然和人文资料，分段分析界河变化信息及越界、乱占、乱建、乱采等违法信息，准确掌握界河历史变化状况，为掌握我国界河水利工程和水政执法监测提供有效信息。

图5 某地流域遥感影像监测应用

某地海域岸线监测如图6 所示，利用高分系列卫星遥感数据，对边防口岸、边境重大基础设施进行动态监测，准确分析出某地口岸施工分布情况，以及违法乱建情况，生成遥感监测专题图和监测报告，并提供给相关执法监管部门作为管理依据，为水政执法提供决策依据。

图6 某地海域岸线监测

五、结语

高分遥感卫星在开展界河监测上具有显著优势，可快速掌握全国界河时空分布特征，服务支撑界河监测管理与保护等工作。利用高分卫星的多光谱、大宽幅及重访周期短的特点，能够提供特定区域高精度连续影像，为实现及时、快速、大范围的塌岸、滑坡、界河流域岸线乱建等调查监测提供了可能。

高分系列卫星数据在界河监测领域已可以替代国外商业卫星数据，服务于我国界河监测应用调查等工作，具有重要的应用价值和广泛的应用前景。目前，遥感技术在国内已经初步应用于界河监测，并取得了一定的成果，而基于高分遥感数据的大尺度界河监测研究仍处于初级阶段，有必要将高分遥感数据的界河监测技术应用到大尺度界河监测中，为我国界河安全提供更加精确的监测手段及方法。