基于遙感技術的國家環境敏感區飲用水源保護區監查系統設計

· 文|環境保護部衛星環境應用中心 初東 申文明 游代安 姚延娟 張雪

基于遙感技術的國家環境敏感區飲用水源保護區監查系統設計

· 文|環境保護部衛星環境應用中心 初東 申文明 游代安 姚延娟 張雪

根據飲用水源保護區等國家環境敏感區監督管理工作的需要，基于遙感技術構建國家環境敏感區遙感監查系統，進行環境監查執法、績效評估及國家敏感區的監管。該系統建成后，將使得遙感信息處理解譯平臺的影像與矢量數據成果轉換為易理解、通用的標準形式。為環保部門開展飲用水源保護區水源安全應急管理提供有力支撐。本文主要介紹的是該系統的總體設計架構與思路。

遙感 飲用水源保護區 監查系統 設計

一、引言

根據飲用水源保護區等國家環境敏感區監督管理工作的需要，為了進一步提高環境管理的科學性和可靠性，實現對飲用水源保護區監管工作業務化和常態化，基于遙感技術建成國家環境敏感區遙感監查系統，將能形成環境敏感區遙感監查技術支撐能力，完善環境敏感區監查的天地一體化網絡建設，及時了解飲用水源保護區發生的違法開發建設活動情況，客觀評價飲用水源保護區建立以來的保護成效，支持國家環境管理部門開展環境監查執法、績效評估，提高對飲用水源保護區等環境敏感區的監管能力，加強我國對環境敏感區開發建設活動和環境風險源的監管力度，為全面推進生態保護和污染防治、保障生態安全和人民健康提供有效支撐。

二、 水源保護區環境風險源遙感監測評估業務需求

1.業務需求

根據2007年全國城鎮集中式飲用水水源地調查與評估結果，2007年，全國城鎮集中式飲用水源地總數為4002個，供水服務人口4.91億，占全國城鎮人口83%；年取水量717億噸。其中湖庫型水源地1090個，占27.2%，服務人口1.53億，年取水量326億噸；河流型水源地1243個，占31.1%，服務人口2.16億，年取水量291億噸；地下水型水源地1669個，占41.7%，服務人口1.22億，年取水量100億噸。

根據不同類型水源地保護區的特點，結合遙感技術的監測能力，對湖庫型和河流型水源保護區進行遙感監測。利用高分遙感影像，對全國城鎮湖庫型和河流型水源地內新增的風險源信息進行提取。

根據湖庫型和河流型水源地保護區的特點、風險源的不同、所在區域的特點，以及遙感影像的保障能力等，分步對不同區域的水源保護區進行環境風險源排查和監測。

1）對全國113個環保重點城市的湖庫型和河流型水源保護區的風險源進行排查。從2005年開始，這113個城市就建立了水源地水質月報制度，所以首先對這113個城市的水源保護區內的風險源識別。這類區域屬于遙感監測重點地區，采用分辨率優于2m的遙感數據，每年進行2次重點監測。

2）對東北三省和中部省份的湖庫型和河流型水源保護區的風險源進行排查，該地區為僅次于環保重點城市的經濟較發達地區，水源保護區內的風險源分布也較為普遍。采用優于5m的遙感數據，每年進行1次重點監測。

3）第三步，對西部各省的湖庫型和河流型水源保護區的環境風險源進行排查。該地區多為高山、高原、沙漠、戈壁、海洋，人口稀少，經濟發展相對滯后，保護區內的環境風險源相對較少，且變化不大。優先采用5m左右分辨率衛星數據開展監測，在5m數據難以保障的地區，采用10m分辨率遙感數據，每年進行1次監測。

根據以上水源保護區監測與評估區域劃分和監測周期，分別獲取所需分辨率的遙感影像數據，進行遙感影像的波段合成、圖像鑲嵌、圖像裁切、投影轉換、幾何精糾正等圖像預處理工作。

2.數據需求

根據2007年全國城鎮飲用水水源地基礎環境調查及評估結果，2007年，全國城鎮水源地湖庫型和河流型共計2333個。飲用水源一級和二級保護區面積9.8萬平方千米，約占國土面積的1.02%，其中一級保護區3.8萬平方千米，二級保護區6萬平方千米。飲用水水源準保護區面積7萬平方千米，約占國土面積的0.7%。。

飲用水源保護一、二級保護區內需要采用優于2m的多光譜遙感數據進行風險源識別，水源地準保護區范圍內需要優于10m的多光譜遙感數據進行風險源識別分析，初步估算每年開展一次飲用水源保護區遙感監查，所需數據量約為2.5TB，運行5年數據量13TB。遙感影像數據需求見表1所示。

表1 遙影像感數據需求

三、總體技術方案

國家環境敏感區遙感監查系統建設按照應用不同，可劃分為四個不同的層次，由下至上依次為基礎設施層、數據層、應用支撐層、應用層、訪問層，根據不同的應用需求可以具有不同程度的復用和更新，同時通過數據的共享與交互與外部系統進行對接，并供外部用戶訪問，圖1為系統總體技術路線圖。

>> 圖1 系統總體技術路線

四、飲用水源地保護區監查系統的設計

飲用水源地保護區監查系統是將遙感信息處理解譯平臺的影像與矢量數據成果轉換為易理解、通用的標準形式。不同的是，本分系統管理的數據資源與對象為水源地保護區的基礎數據、遙感影像、解譯成果、核查信息等；同時，本分系統中的各個模塊也將針對飲用水源保護監管的業務需求進行專門的開發。后續運行的相關部門通過本分系統實現對飲用水源保護區中風險源的監管核查。圖2為飲用水源保護區監查系統業務流程圖。

>> 圖2 飲用水源保護區監查系統業務流程

本分系統按功能分為專題制圖模塊、報告編制模塊、統計分析模塊、綜合查詢分析模塊、信息顯示與編輯模塊、聯動模塊、數據導入導出模塊。圖3為飲用水源保護區監查系統模塊組成圖。

>> 圖3 飲用水源保護區監查系統模塊組成

（1）專題制圖模塊

主要包括加載數據、地圖標注、地圖整飾和地圖輸出功能。主要啟用標準制圖工程模板文件，通過替換數據，標注整飾，地圖輸出和打印，實現衛星遙感影像的制圖輸出功能。

（2）統計分析模塊

綜合應用空間分析、地理信息分析和數學統計功能，基于位置信息和屬性信息，對不同的矢量圖層（如土地利用現狀圖）或數據庫內的多批次多區域解譯信息進行統計、分析、評估，并且可依據分析結果生成新的矢量數據。

（3）報告編制模塊

加載固定的報告模板文件，如標準word文檔或excel表格，連接數據庫，通過對數據的獲取與計算，自動生成標準報告；在此基礎上，允許用戶輸入矢量的可配置信息，結果保存為微軟office的標準格式。

（4）綜合查詢分析模塊

綜合查詢分析是根據需要，通過查詢解譯信息、飲用水源保護區信息的多種信息資源，對飲用水源保護區的解譯信息進行綜合態勢分析。

查詢方式多樣化，可以基于地圖進行點選、框選、圓選、多邊形選擇；也可以基于屬性進行首字母檢索、模糊匹配、高級查詢等；也可以根據分類規則，進行分類檢索。

查詢結果展示樣式多樣，可以在地圖上進行展示，采用密度圖、分區設色圖、餅狀圖、柱狀圖等方式；也可以以查詢結果列表形式顯示。

（5）信息顯示與編輯模塊

該模塊對基礎地理信息、成果信息、解譯信息、專家知識、遙感影像、核查信息的顯示功能，對解譯信息和核查信息提供編輯修改功能。

該模塊能夠實現多源多遙感影像瀏覽、輔助圖層管理、三維顯示等功能。

（6）聯動模塊

聯動模塊對現場核查的視頻、圖片等多媒體信息進行組織管理，通過自動搜索人類地塊信息相關的多媒體信息并播放，提供直觀的、動態的多媒體資料。

所有多媒體資料是基于時間與地點進行組織的，可以查看同一地塊不同時間的多媒體資料，也可查看同一時間不同地塊的多媒體資料。

（7）數據導入導出模塊

將解譯信息、遙感影像、專題圖成果、報告表格、專家知識、核查信息等系統成果導入至成果數據庫，供本分系統查詢顯示與編輯。

能夠將所需的成果數據庫內的數據導出為約定的格式與組織形式，為數據在內業平臺與外業平臺的轉換和傳遞提供服務。

五、結論

該系統的建立能迅速、全面地獲取飲用水源保護區內的環境風險源信息，客觀預警水源保護區內的環境風險等級，自動化水平高，在環保部飲用水源保護區綜合監管方面有著良好的應用前景，并且能逐步成為環保部每年開展的新建和調整的國家級自然保護區評審工作必不可少的技術支撐平臺，為環保部們開展飲用水源保護區水源安全應急管理提供有力支撐。同時，通過數據和成果的共享服務，該系統也將在支持地方各級環保部門開展相關工作和促進公眾了解環保工作等方面發揮積極作用。