遥感卫星技术在河湖监管的应用

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摘要：卫星遥感技术具有观测范围广、获取信息大、动态更新快、环境适应强等特点，可广泛应用于河湖监管。本文介绍了卫星遥感技术最新进展，分析了卫星遥感技术在河湖监管中的应用领域，并对未来发展趋势进行了展望。

关键词：卫星遥感；河湖监管；应用与展望

一、前言

江河湖泊具有重要的资源功能和生态功能，是洪水的通道、水资源的载体、生态环境的重要组成部分。当前我国河湖存在着水域面积萎缩、管理范围侵占、生态用水不足、水体污染严重等突出问题，人民群众对水资源、水生态、水环境的需求与水利行业监管能力不足成为了我国目前治水的主要矛盾。根据新时代水利改革发展的总基调要求，河湖监管工作已是“水利行业强监管”的重中之重[1]。但是，由于江河湖泊众多，并受限于监管手段有限等因素，河湖水资源管理、河湖资源保护、水污染防治、水环境治理、水生态修复、长效管护、监管执法等方面的工作相对滞后。相比传统监管手段存在不高效、不全面、不及时、不精确等问题，卫星遥感技术具有宏观、快速、动态、经济等优势，可实现对大范围的河湖状态全天候全天时的动态监测。近年来，卫星遥感技术快速发展，为开展河湖管理动态监控、加强河湖管理提供了有效途径。

二、卫星遥感技术的发展及水利应用现状

卫星遥感技术是以人造地球卫星作为遥感平台，对地球和低层大气进行光学和电子观测的技术，具有观测范围广、获取信息量大、动态更新快等特点，很早就引起各国重视。美国早在1961年就发射了第一颗气象卫星，其后1972年、1978年又先后发射了第一颗陆地卫星和第一颗海洋卫星，当前民用遥感卫星中空间分辨率最高的也是美国的世界观测卫星（WorldView），其影像空间分辨率达到0.31m。欧盟、俄罗斯、日本、加拿大等国家和组织相继发射了一系列遥感卫星，如欧洲航天局哨兵（Sentinel）系列卫星、俄罗斯资源（Resurs）系列卫星、日本的先进陆地观测卫星（ALOS）、加拿大的雷达卫星（Radarsat）等。我国遥感卫星的发展晚于欧美先进国家，1988年发射第一颗气象卫星风云一号（FY-1），1999年发射第一颗数字传输型资源卫星中巴地球资源卫星01星（CBERS-01），其后遥感卫星发展进入快车道，先后成功发射了气象、资源、海洋、环境减灾、测绘等系列遥感卫星[2]。特别是2010年以来，通过高分辨率对地观测系统重大专项，我国先后发射高分一号到高分七号7颗卫星，同时民用商业遥感卫星如高景一号、北京二号、吉林一号、珠海一号等也纷纷升空，具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率的对地观测体系初步形成，可在2～3天内实现对全国任意地区有效观测，对地观测能力大大增强。丰富的国产遥感卫星资源极大地推动了遥感应用的深度和广度，也为水利遥感业务化应用创造了良好条件。尤其是高分辨率对地观测系统重大专项的实施，有力支撑了防汛抗旱、水资源管理、水土保持等业务，促进了自主卫星遥感数据在水利领域的大规模应用。在防洪方面，基于多源卫星遥感数据，开展了2013年黑龙江大洪水，2016年长江中下游洪涝灾害，2018年金沙江、雅鲁藏布江堰塞湖及2020年江西、安徽特大洪涝灾害等卫星遥感监测，实现了对灾情的快速、及时、动态的监测；在抗旱方面，开发了水利部旱情遥感监测系统，实现了全国旱情的定期遥感监测；在水资源方面，基于卫星遥感开展了示范区重要水源地水体范围监测、重要水源地蓄水量估算、水功能区水质参数监测以及灌溉面积监测等工作；在水土保持方面，遥感技术也成为土壤侵蚀监测评价、生产建设项目监管、水土保持效益评价三大业务的支撑技术。

三、卫星遥感技术

在河湖监管中的应用我国地理气候条件特殊，水系复杂，随着经济社会快速发展，河湖管理保护新老问题交织，生态环境问题十分突出。2016年以来，中共中央办公厅、国务院办公厅先后印发了《关于全面推行河长制的意见》《关于在湖泊实施湖长制的指导意见》，在全国江河湖泊全面推行河长制、湖长制，建立地方党政领导牵头的河湖管理保护责任体系和相应的制度体系，有力推进河湖治理保护各项工作，调动地方政府履行河湖管理、保护主体责任，促进河湖库管理有人、管得住、管得好，解决中国复杂水问题。快速发展的遥感技术具有快速、客观、经济的优势，能够为河湖监测提供重要支撑。

1.江河湖泊水体遥感监测

地表水体监测对于防汛抗旱以及水资源、生态和环境的保护都起着极其重要的作用。卫星遥感可以快速获得广大地区全面、客观、准确的河流、水库、湖泊等地表水体信息，可以克服传统手段高投入、长周期、低效率的缺点。对于光学卫星遥感影像，天然水体的反射率在可见光范围内总体上比较低，且随着波长增大逐渐降低，在蓝绿光波段水体反射率约4%~5％，在近红外波段最低，几乎完全吸收。因此水体在遥感影像上呈暗色调，水陆界线相对比较清楚。基于这一水体光谱特点，可采用归一化水体指数（NDWI）来提取水体信息。对于雷达卫星影像，水体后向散射强度弱，水体灰度值小。平坦水面在雷达影像上通常表现为黑色，与其他地物有着较为明显的区别。基于这一水体影像特征，一般采用阈值法即可快速提取水体。阈值的确定主要有经验法、双峰法以及最大类间方差法等，其中最大类间方差法具有精度高、不用人工干预等特点，使用最广[3]。随着卫星遥感技术快速发展，可用于水体提取的遥感影像数据源越来越多，大范围快速水体提取技术日益成熟。采用遥感技术监测江河湖泊面积的变化，一方面可以从自然的角度来探求江河湖泊面积的年内和年际变化的规律和趋势，分析人类活动对于地表自然水体的影响，以及更好地通过流域管理来保护河流湖泊。利用卫星遥感监测可对河流、湖泊、水库进行监测和识别，对保护生态健康具有重要意义。

2.河湖岸线和河口遥感监测

河湖岸线和河口是河湖监管重要内容，卫星遥感技术是河湖岸线及河口变化监测与调查评价的重要支撑技术[4]。河道水沙变化会引起河道冲淤和地貌变化，河道采砂也会导致河势发生变化，在国际界河上河道中泓线的变化还会引起国土面积的变化。因此河湖岸线及河势变化遥感监测一直是水利遥感研究的问题之一。图2为黑龙江的局部河道及江心洲岸线遥感监测专题图，从中可以看出，河道岸线及江心洲变化非常明显。另外，河口作为陆地和海洋的交汇处，在径流、潮流、风浪流等水动力因素的相互作用下，一方面使泥沙输移、扩散和沉积，另一方面还对局部河床产生冲刷作用，从而使河床地形以及平面边界发生变化。黄河、长江及珠江等河口变化均较大。北方黄河因多沙，河口以淤积为主，河口三角洲也是我国新增湿地最多的区域。南方珠江有八个入海水道，八大口门近几十年来变化也非常大。河口地区遥感动态监测可为河口治理提供重要依据。

3.江河湖泊水污染遥感监测

水污染监测与治理是河湖管理中的重要方面，加强水污染监测对维系河湖健康、推进绿色可持续发展、保障区域水安全具有重要意义。近年来，随着我国加大河湖治理力度，总体上河湖水质明显改善，但是局部地区、局部水域的水环境污染情况仍比较严重。卫星遥感技术可以反演水体中叶绿素a、悬浮物浓度、浊度等水质指标，在大范围水污染事件监测方面有突出优势，近年来广泛应用于对水华、黑臭水体等水色特征明显的污染事件监测。蓝藻作为水华的一种，在我国南方内陆湖泊时有爆发，是水体富营养化后表现出地藻类超常生长的一种水生态失衡的现象。正常水体在红光-近红外-短波红外波段是强吸收，而蓝藻水华在近红外的反射率要远大于红光和短波红外波段，使水体光谱表现出与植被光谱相似的特征。可采用归一化植被指数（NDVI）或者浮游藻类指数（FAI）来提取蓝藻。基于遥感技术的水华监测已经成为部分湖库水源地水华、蓝藻监测的主要手段，很好地支撑了水华、蓝藻治理工作。图3为巢湖蓝藻卫星遥感监测专题图。另外，黑臭水体是城市河道、湖泊的一种主要水色污染现象，是城市河湖水污染整治的重点。目前，由于黑臭水体常发生在城市小河道、湖泊、坑塘中，需要高分辨率影像观测，黑臭水体遥感监测尚未形成成熟的业务监测能力，监测手段仍以地面人工调查为主。随着高分辨率对地观测数据源的丰富，卫星遥感在城市黑臭水体监测中越来越能够发挥重要的作用。

4.江河湖泊疑似违法遥感监测

遥感技术很早就应用于土地执法监察、城市规划执法监察中。近年来，随着各类水事活动更加频繁,水事违法案件日渐增多,传统的水政监察执法手段的不足和弊端日益凸显，遥感技术在水政监察中得到广泛应用[5-6]。非法侵占水域滩地、非法采砂、非法堆放固体废弃物、非法排污以及河道内建设非法建筑物等违法行为，严重影响河湖生态健康。基于多源动态遥感数据，利用河湖及周边地区变化检测技术，实现对江河湖泊疑似违法的快速监测，为水政执法提供支撑。中国水利水电科学研究院与湖北省合作开展的湖北省湖泊遥感监测工作，利用遥感影像和影像识别技术，实现对湖北省湖泊动态监测，分别采用优于6m分辨率的全色（光）影像图和优于2.5m分辨率全色（光）影像图对湖北省755个湖泊和22个重点湖泊的岸线、保护区、控制区及湖体内物体进行监测和分析，对识别的异常情况进行分析、判断、存储，并将告警提示同步显示在平台和手持终端设备上，同时实现对执法过程的远程记录和监督。该项目将卫星遥感技术应用到湖泊执法监测中，在全国水利系统开创先例。水利部自2018年7月开始，在全国范围内部署对乱占、乱采、乱堆、乱建等河湖突出问题开展专项清理整治行动，要求对第一次全国水利普查流域面积1000km2以上河流、水面面积1km2以上湖泊的“四乱”问题进行全面摸查和清理整治。水利部信息中心联合黄委、长委、珠江委相关单位采用高分辨率遥感技术开展河湖“清四乱”遥感监管，取得良好效果。目前“清四乱”专项行动已转化为常态工作。

四、发展趋势与未来展望

（1）河湖遥感监测内容进一步丰富和完善

长期以来，一些地方围垦湖泊、侵占水域、超标排污、违法养殖、非法采砂，造成河湖面积萎缩、水域空间减少、水质恶化、生物栖息地破坏等问题突出，河湖功能严重退化。卫星遥感不仅能为河流湖泊动态变化监测提供支撑，还能为洪涝灾害、水文水质等方面提供重要支撑。未来将进一步推进卫星遥感在河湖岸线、水资源、水质、水生态等方面的工作，挖掘卫星遥感的应用潜力,提高河流湖泊监测和服务生态环境的能力。

（2）多星组网与空天地一体化提升河流湖泊遥感监测能力

遥感数据是遥感信息服务的根本，及时全面的卫星遥感数据是遥感业务化应用的基础。由于卫星自身的物理性能限制，高空间分辨率和时间分辨率是一对矛盾体，往往不可兼得。目前，高分辨率光学卫星在南方多云多雨地区实现高频次有效覆盖上尚存在一定的困难，大范围高频次卫星遥感影像的获取是目前遥感业务化应用的瓶颈问题。随着遥感技术的进步和发展，遥感对地观测网络正在形成高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星协同，可以获取高、中、低分辨率互补的遥感数据源。为应对未来大范围河湖监测需求，需要发展不同时相、不同空间分辨率、不同光谱、不同传感器类型联合协同观测，提升卫星遥感数据的保障能力。

（3）遥感大数据与人工智能技术将提升河湖

遥感监测精度与效率目前，卫星遥感技术正朝着高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率方向发展，遥感影像数据量越来越大，如何快速、高效提取河湖监管信息成为难题。以遥感大数据为支撑的信息挖掘技术以及以深度学习为代表的人工智能，将成为河湖遥感监管的支撑技术，替代传统的目视解译与影像分类技术。

（4）遥感技术为河湖长制提供技术支撑

河湖长制是中央贯彻落实绿色发展理念的一项重要举措，全面推行河湖长制、加强河湖管理，事关生态安全，事关人民福祉。截至2018年年底，全国已全面建立了河长制湖长制，设立了各级河湖长及河长办，建立了河湖监管的相关制度，探索形成了明察暗访相结合的监管方式，为推进水利行业强监管搭建了重要基础平台。目前，河湖长制工作进入从“有名”向“有实”转变的重要阶段，客观、经济、高效的监管手段至关重要。毫无疑问，遥感技术，包括卫星和无人机遥感，将为河湖长制提供强有力的技术支撑。

参考文献

[1]王冠军,刘小勇.推进河湖强监管的认识与思考[J].中国水利,2019（10）:5-7+10.

[2]孙伟伟,杨刚,陈超,等.中国地球观测遥感卫星发展现状及文献分析[J].遥感学报,2020,24（5）：479-510.

[3]李景刚,黄诗峰,李纪人.ENVISAT卫星先进合成孔径雷达数据水体提取研究——改进的最大类间方差阈值法[J].自然灾害学报,2010,19（3）：139-145.

[4]李纪人,黄诗峰,等.3S技术水利应用指南[M],中国水利水电出版社,2003.

[5]申邵洪,魏显栋,潘泊,等.空间信息技术支撑下的水政监察系统研究[J].长江科学院院报,2015,32（7）:133-136.

[6]梁东业,谭德宝,宋丽.空间信息技术在水政监察执法中的应用研究[J].长江科学院院报,2010,27（1）:33-36+41.

作者：黄诗峰  单位：中国水利水电科学研究院