高分辨率国产卫星遥感影像在河长制监测中的应用

吕玉凤，邹 蒲，肖 俊，胡 文

（湖南航天远望科技有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

随着经济社会的快速发展，我国河湖管理保护出现了一些新问题，如非法采砂、采矿、排污、养殖、采砂、采矿、侵占水域岸线、僵尸船等，导致河道干涸，湖泊萎缩，水环境状况恶化，河湖功能退化，给保障水资源安全带来严峻挑战[1]。2016 年11 月，中办、国办印发《关于全面推行河长制的意见》，由党委或政府领导担任河长，对水污染治理、水生态修复、水资源保护承担第一责任。全面推行河长制是落实绿色发展理念、推进生态文明建设的内在要求，是解决我国复杂水问题、维护河湖健康生命的重要举措[2]。利用卫星遥感技术助力河长制管理，可以大大减少人工徒步巡河时间，有效地加强水环境治理力度，创新河流监管工作方法，提高河长及河长办的工作效率[3]。

本文以湖南省内渌水河流域工作区为例，对卫星遥感技术在河长制监测中的应用进行探讨。

1 河长制遥感监测要素

结合河长制工作六大任务，研究高分辨率国产卫星在辅助河长制工作开展中的作用，确定卫星可监测的要素。在水资源保护方面，卫星遥感可以监测水面范围变化，及时获取河流边界长度、面积、水位变化等数据，建立河流水位与面积、水位与河水储量等关系模型，在水位变化监测、河流行蓄滞洪监测等方面发挥重要作用。在水域岸线管理方面，可以通过卫星遥感影像实现对岸线破坏、岸线建设以及河岸采砂的长期动态监测，有效强化岸线保护和节约利用。在水污染防治和水环境治理中，卫星遥感能够监测出水面养殖、水生物漂浮物、工矿企业、入河排污口等对水生态环境具有潜在污染的要素，对于优化排污口布局，实施入河排污口的整治提供重要参考依据。在水生态修复方面，卫星遥感能够监测遭受的岸线破坏是否修复，一些非法的水面养殖是否取缔等，辅助建设清洁型流域，实现河道环境整洁优美。湖南省委省政府高度重视河长制的实施，先后发行了1～5 号河长令，其中2 号总河长令要求全面清理整顿全省河道水域长期停泊不用、无人管理的船舶（即僵尸船）[4]。卫星遥感能够快速监测“僵尸船”停靠地点和数量，对“僵尸船”的情况迅速完成摸底工作并提供客观证据，能有效辅助“僵尸船”的清理工作。

2 总体技术方法

（1）利用批量数据处理方法处理研究区高分国产卫星数据；

（2）结合监测要素实际特征，建立卫星影像各要素的解译标志；

（3）采用人机交互解译方式，提取研究区河长制监测要素，并通过实地核查的方法，提取研究区河长制监测要素图斑，整体技术路线见图1。

图1 河长制卫星遥感监测技术路线图

2.1 高分国产卫星影像处理

研究区数据源为高分二号和北京二号国产卫星影像，空间分辨率全色0.8 m，多光谱3.2 m，其中北京二号幅宽24 km，高分二号2 台相机组合幅宽45.3 km，共采用28 景数据对研究区进行监测。通过批量数据处理方法，采用PCI 软件实现对遥感影像采集控制点、同名点，正射校正、融合、波段增强、降位等批量预处理操作，对预处理后的影像进行匀光、匀色，将色调统一调整，最后对影像进行拼接镶嵌及最终的色调处理。

高分二号及北京二号数据利用原始数据的RPC 模型，以精度较高的基础底图和DEM 为基准，采集足够且符合要求的GCPs/TPs，为每景影像进行正射校正。再采用PCI 遥感软锐化融合工具进行图像融合，该模块采用的是Pansharp 算法，是一种基于最小二乘法在原始的多光谱、全色影像间达到最佳近似灰度值关系，从而达到最佳色彩组合的融合方法[5]。

融合后的影像RGB 色彩信息不够丰富，为使色彩接近自然真彩色，采取波段加权处理，由于近红外波段对植被更敏感，所以考虑将绿色和近红外波段分别赋予一定的权重，重新构造绿波段，本文将权重设定为0.85，新的绿波段用公式表示为：G=B2×0.85+B4×0.15,影像波段真彩色组合方式为:

式中：B1为红色波段；B2为绿色波段；B3为蓝色波段；B4为近红外波段。

2.2 河长制监测要素信息提取

基于处理完成的正射卫星遥感影像，采用人机交互方式，运用解译标志和实践经验与知识，从遥感影像上识别河长制监测要素相关目标，定性、定量地提取出河长制监测要素的分布、位置、面积等信息。对提取的河长制信息，通过野外实地调查的方式对成果进行验证，保证提取的遥感成果符合精度要求。河长制监测要素包含水面养殖、水生物漂浮物、工矿企业、岸线管理、僵尸船等，各监测要素在影像上有对应的特征，如采砂码头砂石堆积处地形高于周边，部分可见砂石加工器械及运输车辆，影像颜色比较鲜亮，堆砂加工区域形状一般不规则，岸线破坏因遭受人为破坏，裸露出地表，受破坏的岸线一般纹理杂乱，色调鲜亮等。

2.3 野外实地调查

为提高河长制信息提取精度，采取点、线、面相结合的方法进行野外实地调查，调查时启动GPS 定位系统，记录野外调查轨迹，并对典型图斑、有疑问的图斑进行高比例核查。修改野外核查后的图斑，最后建立数据库，包括河长制监测要素图斑、乡镇村界线、影像等数据。

3 河长制遥感监测结果分析

利用2018 年9 月高分二号卫星影像数据，结合野外实地调查，共确定研究区内河长制监测要素图斑106 处，涉及采砂码头、水面养殖、水面漂浮物、排污口等类型；利用2018 年9 月高分二号与2017 年10 月北京二号卫星遥感影像数据，结合野外实地调查，监测出研究区共有僵尸船27 处，河长制监测结果见表1。

表1 研究区河长制遥感监测结果

3.1 水资源保护—水面范围遥感监测

研究区水面监测利用高分二号多光谱数据，基于面向对象方法，采用决策专家系统支持的利用模糊分类算法，充分利用影像的光谱、形状、纹理、上下文、空间关系等特征，将影像分割成若干对象，在分割的对象层次上对水体进行分类提取，能够快速并较准确地提取水体的特征，研究区提取水面面积32.41 km2（图2）。利用卫星遥感技术监测水面范围，对研究区水面面积变化特征和趋势进行分析，对河流区域的生态环境保护具有重要意义。

图2 基于面向对象的水面范围信息提取结果示意图

3.2 水域岸线管理

3.2.1 采砂码头遥感监测

研究区共监测出采砂码头36 处，其中35 处已经废弃，1 处采砂码头在现场核实时正在作业，现场有采砂工作人员及车辆（图3a）。近年来，政府严厉打击各类违法、违规河道采砂行为，不断加大河道采砂管理整治力度。利用卫星遥感监测河道采砂，节约大量的成本，减少巡河工作量，有效监测非法采砂行为，在保障防洪安全、水工程安全和保护生态环境等方面发挥重要作用。

3.2.2 岸线建设、岸线破坏遥感监测

《关于全面推行河长制意见》中指出，加强河湖水域岸线管理保护，严禁以各种名义侵占河道、围垦湖泊、非法采砂，对岸线乱占滥用、多占少用、占而不用等突出问题开展清理整治，恢复河湖水域岸线生态功能[2]。研究区监测出涉及岸线管理相关问题11 处，其中4 处为岸线建设，河岸的自然岸线遭受人为破坏并进行建设活动；7 处为岸线破坏，原河岸的自然岸线受人为破坏裸露出地表（图3b）。通过卫星遥感监测河湖岸线，对于稳定河势，保障行洪安全与供水安全，维护河湖健康生命具有重要意义。

图3 水域岸线管理遥感监测

3.3 水污染防治

3.3.1 排污口遥感监测

一条河流是否健康，入河废污水排放量是其中一个很重要的制约因素，管好入河排污口是抓住解决江河湖库水污染的关键。研究区监测出1 处工业废水排污口，该排污口为河道周边一瓷器厂在生产过程中产生的污水对河流的直接排放（图4a）。利用卫星遥感监测排污口，为加强入河排污口监督管理，保护水资源，促进水资源可持续利用提供基础数据支撑。

3.3.2 水面养殖遥感监测

通过卫星遥感监测，研究区内共有水面养殖13 处。水面养殖主要为水产养殖，包含网箱养殖和围栏养殖，研究区监测的水面养殖主要为浮式网箱养殖（图4b）。水产养殖在获得经济利益的同时，也造成了严重的环境污染，大量残饵、鱼药及病死鱼的乱处理造成水环境破坏。近年来，全国打击非法水产养殖越来越严厉，各地政府不断加强对非法养殖的治理措施，确保河道水生态环境和水质安全，维护渔业秩序稳定。利用卫星遥感技术，可以快速、高效地对水面养殖进行动态监测，为非法水产养殖的治理提供客观证据。

3.3.3 工矿企业遥感监测

工矿企业包含工业和采矿业，河道周边的工矿企业有可能通过地面、地下的方式将废水排入河道中，或排放倾倒工业或矿业废渣，对河流水质造成污染。研究区监测河道水面缓冲1公里范围内共有工矿企业26 处，利用卫星遥感技术对河道周边的工矿企业进行持续动态监测，有效防治工矿企业废水、废渣的违法排放，促进社会经济与生态环境和谐发展（图4c）。

图4 水污染防治遥感监测

3.4 专项整治

“僵尸船”不但影响河流流域风貌，更严重影响城区行洪及其他桥梁的安全。采用传统的地面调查监测范围受局限，结果受客观影响大，且时效性差，人力物力消耗大，卫星遥感具有监测范围广、速度快，反映问题客观、准确且可长期动态监测的优势。基于卫星遥感技术，研究区监测出“僵尸船”27 处，为相关执法部门及时清除“僵尸船”安全污染的隐患，确保河道水域防洪、航运、生态安全提供决策依据（图5）。

图5 僵尸船遥感监测

4 结论

河长制是对水环境行政治理模式的创新，河长制的实施对保护江河湖泊具有重要意义。卫星遥感监测是一种科学化、精细化、系统化的监督管理，能有效提高水利信息化水平，在河长制实施过程中发挥重要作用。但本文在河长制遥感监测研究过程中发现，高分辨率国产卫星影像对排污口、河道垃圾等较小面积的要素很难准确监测到，因此，如何进一步研究卫星遥感技术在河长制工作中的应用，最大程度地发挥其优势，切实提升河湖治理成效，保障河道健康发展，值得深入研究和探讨。