無人機航測和水色遙感技術在水庫管理和保護范圍劃界和水資源保護中的應用

楊靜學，陳亮雄，李偉添，林奕霖，李興漢

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510630)

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無人機航測和水色遙感技術在水庫管理和保護范圍劃界和水資源保護中的應用

楊靜學，陳亮雄，李偉添，林奕霖，李興漢

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510630)

基于無人機航測技術對東江局楓樹壩水庫管理和保護區范圍開展了精確的劃界工作，并利用高分辨率的航測成果進行了違法違章嫌疑區解譯。同時結合水色遙感技術對庫區的懸浮泥沙和有機污染物進行了反演，反應了庫區污染狀況的宏觀分布，并結合前面解譯的嫌疑區種類和分布進行了污染成因分析。該文證明基于無人機航測技術非常適用于水庫庫區的精確確界，且能對庫區管理人員難以到達的違法違章行為進行識別，結合水色遙感技術還可進一步分析造成局部庫區污染的成因，為管理部門的庫區水資源管理與執法決策提供科學有效的依據。

無人機；航測；水色遙感；劃界；水資源保護

1 概述

2014年水利部下發了《關于開展河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍劃定工作的通知》(水建管〔2014〕285號)，明確要求對河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍進行劃定。楓樹壩水庫是東江流域的第二大水庫，是東江水資源調度的關鍵性工程之一，是確保東江下游供水安全的重要保障。

近幾年，水庫的水質較差，而庫區目前為止仍沒有劃定管理和保護范圍，不利于開展水庫水資源管理保護工作。省水利廳在《廣東省水利廳對東江流域三大水庫等重要水源地保護和管理范圍確界立碑工作有關問題的意見》(粵水資源函〔2014〕402號)中，明確了對楓樹壩水庫開展劃界工作。

水庫劃界工作的基礎是測量圖，劃界的目標是為未來的水庫庫區的水資源管理和保護工作服務。本文將圍繞以上兩項內容，詳細描述開展的相關工作和取得的成果。本文涉及的劃界工作也是廣東省首個基于無人機航測技術進行水庫管理和保護區劃界的項目。

無人機航測遙感技術是繼衛星遙感、大飛機遙感之后發展起來的一項新型航空遙感技術，是傳統測量手段的有力補充，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、成果直觀、適用范圍廣、生產周期短等特點。隨著無人機與數碼相機技術的發展，利用無人機進行航空攝影測量正迅速應用于工程建設、災害應急與處理、國土監察、資源開發與保護等方面。

水色遙感技術是利用傳感器接受到水面發射的輻射光譜，并且進行相關的數據處理，從而獲得水體的一些基本信息的技術。通過水色遙感技術，可以獲得水體中影響光學性質的組分的濃度，探測水體表層的物質組成。本文中主要關注懸浮泥沙和有機污染物兩個水色要素濃度。

2 研究方法及步驟

項目的具體技術路線如圖1所示，主要包括前期工作、初步確界、航測作業、最終確界、嫌疑區解譯，以及庫區水質反演分析。其中前期工作主要包含調研工作，資料收集工作和實施方案編制工作。初步確界主要是為了確定航測的區域。本次航測的區域為基于歷史1∶50 000比例尺數據和管理和保護區定義劃定的管理和保護區范圍，初步確界的楓樹壩水庫管理區面積。確定了航測區后進行了航測作業，包括航測外業、像控點布設、內業數據處理，獲得測區1∶1 000比例尺正射影像圖和1∶2 000比例尺數字高程模型。最終確界為重新基于航測成果，根據管理和保護區定義進行地形和水文分析獲得的目標管理和保護區邊界。劃界的目的是更好進行庫區的水資源管理工作，同時由于航測獲取的正射影像分辨率達到0.1 m，可以非常清晰和準確的反應測區地形地貌，本文基于高清航測成果進行了管理和保護區范圍內的違法違章嫌疑區的解譯。最后還基于衛星數據和水色遙感技術對庫區水質進行了反演，分析了庫區的污染源。

圖1 技術路線示意

3 結果與分析

3.1 初步確界

楓樹壩水庫管理區范圍確定為壩址以上壩頂高程(即高程173 m)以下的土地和水域。技術方法為基于ARCGIS的Spatial Analyst Tools模塊對地形數據進行高程為173 m的等高線的提取，并對自動生成的等高線的節點進行簡化和錯誤節點的修改。

楓樹壩水庫保護區范圍確定為水庫壩址上游壩頂高程線以上至第一道分水嶺山脊之間的土地和水域。技術方法為基于ARCGIS的Hydrology模塊對地形數據進行水文分析，得到庫區及周邊地區的集水線和集水區域，合并與管理區邊界相交的集水區域，這些集水區域的外邊界的集合即為楓樹壩水庫保護區范圍外邊界，而保護區范圍為外邊界以內和管理區邊界以外的區域(如圖2所示)。

圖2 楓樹壩水庫管理區和保護區范圍初步劃界示意

初步測算，楓樹壩水庫管理區面積約57 km2，周長約為524 km；保護區面積約140 km2，外邊長約252 km。整個楓樹壩水庫的管理區和保護區初步劃界范圍面積共計197 km2，外邊長為776 km，如表1所示。

表1 楓樹壩水庫管理和保護區初步劃界范圍統計

以上確定的管理和保護區范圍作為目標航測區域，進行航測獲取更精確的數字高程數據和正射影像圖，從而進行最終的確界。

3.2 航測作業

本項目測區成圖面積約200 km2，實際航測面積約為240 km2左右。該測區內海拔高度最高約550 m，最低150 m，高差不是很大，可以滿足本次成圖。平面坐標系統采用采用2000國家大地坐標系，地圖投影采用高斯-克呂格投影，采用3度分帶。高程坐標系統采用1985國家高程基準。

本次航拍范圍覆蓋整個作業區，并有一定的拓寬；地面分辨率0.08 m相對航高589 m；像片重疊度航向>70%，旁向>40%。航線、架次以及作業機如圖3所示，航線圖中每種顏色代表一個架次。本項目共航攝了6個架次，獲取有效影像11 354張，影像格式為JPG，大小約為15～20 M。原始影像大小共計211 G。

圖3 航測外業現場、航線和架次

本次像控點首先在室內按照設計書和像片條件進行初選位置，并制作相應的電子影像，由像控組根據電子影像，實地選點并在電子影像上刺點，然后采用廣東省的連續運行參考站系統(CORS)作為測區控制系統參考，使用RTK實現像控點測量。

通過內業數據處理，獲得了最終的航測成果包括1∶1 000比例尺正射影像圖和1∶2 000比例尺數字高程模型，如圖4和圖5所示。

圖4 楓樹壩水庫正射影像示意

圖 5楓樹壩水庫數字高程示意

3.3 最終確界

圖6為最終確定的楓樹壩水庫管理和保護區邊界示意圖。白色線為管理區邊界，管理區范圍為白色線內區域。保護區內邊界與管理區邊界重合，外邊界為黑色線，其范圍為外邊界以內和管理區邊界以外的區域。整個楓樹壩水庫的管理區和保護區范圍面積共計150 km2，外邊長共計852 km，詳細見表2所示。圖7和圖8分別為初步確界和最終確界的管理和保護區邊界對比，從圖上可以看出，初步確界的管理和保護區邊界較粗，且有一定的偏差，基于航測成果最終確界更加的精細和準確。

表2 管理區和保護區邊長面積統計

圖6 楓樹壩水庫管理和保護區邊界示意

圖7 管理區初步和最終確界放大比較示意

圖8 保護區初步和最終確界放大比較示意

3.4 嫌疑區解譯

本次工作基于高分辨率航測成果對管理和保護區內的違法違章行為進行了解譯，以方便未來庫區的水資源管理工作。本次嫌疑區遙感解譯工作參考《廣東省東江流域新豐江楓樹壩白盆珠水庫庫區水資源保護辦法》(廣東省人民政府令第157號)定義的違法違章行為。解譯目標包括在水庫庫區保護范圍內：煉山、大規模機械墾伐種植經濟林，栽種桉樹林，采石、開礦、取土、陡坡開荒、毀林開墾、大規模禽畜養殖等違禁行為；和在水庫庫區管理范圍和保護范圍內：新建、擴建和改建的各類建設項目的行為。圖9和表3為管理和保護區范圍內違法違章嫌疑區分布圖和統計信息表，根據統計信息表可知在庫區發現了504個違法違章嫌疑區，其中數量最多為網箱捕魚。

圖9 楓樹壩水庫違法違章嫌疑區分布示意

3.5 庫區水質反演分析

本次楓樹壩水庫水質遙感通過定量遙感方法，根據水體反射光譜產生的機理，建立水庫懸浮泥沙濃度和有機污染物濃度與水體反射光譜之間的物理模型，提取楓樹壩水庫這兩個水質參數，得到庫區水質狀況的分布，并通過對比航測獲取的高分辨率影像來分析造成水庫污染的可能性因素，從而為管理部門的科學決策提供依據。圖10和圖11為基于水色遙感技術獲取的2014年10月楓樹壩水庫庫區懸浮泥沙濃度和有機物濃度分布示意圖。

圖10 楓樹壩水庫懸浮泥沙濃度系數分布示意

圖11 楓樹壩水庫有機物濃度系數分布示意

從圖10可以看出在桂子坑、渡田河和梅里壩一段懸浮泥沙濃度較大。在本次航測作業中包含了梅里壩到渡田河一段。放大后發現在渡田河段存在采砂點，如圖12所示。由此分析該段河道懸浮泥沙濃度的增大與采砂行為相關。

圖12 渡田河處局部放大(2015.8)

根據圖11楓樹壩水庫有機污染物濃度分布圖，定南水一側比尋烏水一側有機污染濃度高，結合2015年度無人機航測正射影像圖及解譯結果，如圖13所示，發現定南水一側魚養殖明顯多于尋烏水一側，由此分析庫區漁業養殖活動與庫區有機物濃度分布有相關關系，密集的網箱養魚活動導致了定南水一側的有機污染濃度偏大。

圖13 楓樹壩水庫庫區魚養殖分布示意

4 結語

本項目基于無人機航測遙感技術，實現了楓樹壩水庫管理與保護范圍的確界工作，從結果數據可以看出基于航測成果的邊界圖要比基于歷史1∶50 000比例尺數字高程模型和正射影像圖的邊界圖更準確，說明無人機航測技術非常適用于水庫的管理和保護區精確劃界工作。由于劃界工作的目標為實現庫區的水資源保護，本項目基于分辨率高達0.1 m的航測成果對管理和保護區內的水庫違法違章嫌疑區進行了解譯。該成果可為管理部門的管理與執法決策提供科學有效的依據。同時，基于水色遙感技術，本項目還完成了庫區懸浮泥沙濃度和有機污染物定性反演工作，分析了庫區污染物的宏觀分布，并結合嫌疑區解譯成果對庫區污染物濃度高值區的成因進行了分析。結果表明楓樹壩水庫采砂點分布與懸浮泥沙濃度呈現一定的相關性，庫區魚養殖分布與有機污染物濃度也呈現一定的相關性。

總的來說，基于無人機航測技術可以出色的完成水庫庫區的管理和保護區確界，并進行管理和保護區內的違法違章行為識別。結合水色遙感技術一起可以對庫區的污染源進行科學分析。兩種技術為水庫庫區的宏觀、高效、廉價的劃界和監測，以及在庫區實施最嚴格水資源保護制度提供科學有效的支持。

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[3] 鄧孺孺,何執兼,陳曉翔,等.珠江口水域水污染遙感定量分析[J]. 中山大學學報( 自然科學版), 2002，41(3):99-103

[4] 鄧孺孺,何執兼,陳曉翔,等.基于二次散射的水污染遙感模型及其在珠江口水域的應用[J].海洋學報，2003(11):69-78.

(本文責任編輯 馬克俊)

Application of UAV Aerial Technique and Water Color Technique in Demarcation of Reservoir and Protection of Water Resource

YANG Jingxue, CHENG Liangxiong, LI Weitian, LIN Yilin, LI Xinghan

(Guangdong research institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics, Guangzhou 510635,Chian)

Applicate advance UAV aerial technique in demarcation of management and protection scope of Fengshuba reservoir, and use the high-resolution aerial survey results for the illegal suspect area interpretation. Then, suspended sediments and organic pollutants are interpreted by establishing water color remote sensing model. The results show that, the UAV aerial survey technique is very suitable to demarcation of management and protection scope of reservoir and the illegal suspect area interpretation. Combined with the water color remote sensing technology can also be further analysis of the causes of pollution.

UAV；aerial technique；water color remote sensing； protection of water resource

2016-05-31;

2016-08-27

國家自然科學基金(41401485)；廣東省水利水電科學研究院青年科研基金(201402003)。

楊靜學(1984)，女，博士，高級工程師，主要從事水環境遙感、地理信息和水利信息化等工作。

TP79；TV697

B

1008-0112(2016)09-0056-06