高分辨率國產衛星遙感影像在河長制監測中的應用

呂玉鳳，鄒 蒲，肖 俊，胡 文

（湖南航天遠望科技有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，我國河湖管理保護出現了一些新問題，如非法采砂、采礦、排污、養殖、采砂、采礦、侵占水域岸線、僵尸船等，導致河道干涸，湖泊萎縮，水環境狀況惡化，河湖功能退化，給保障水資源安全帶來嚴峻挑戰[1]。2016 年11 月，中辦、國辦印發《關于全面推行河長制的意見》，由黨委或政府領導擔任河長，對水污染治理、水生態修復、水資源保護承擔第一責任。全面推行河長制是落實綠色發展理念、推進生態文明建設的內在要求，是解決我國復雜水問題、維護河湖健康生命的重要舉措[2]。利用衛星遙感技術助力河長制管理，可以大大減少人工徒步巡河時間，有效地加強水環境治理力度，創新河流監管工作方法，提高河長及河長辦的工作效率[3]。

本文以湖南省內淥水河流域工作區為例，對衛星遙感技術在河長制監測中的應用進行探討。

1 河長制遙感監測要素

結合河長制工作六大任務，研究高分辨率國產衛星在輔助河長制工作開展中的作用，確定衛星可監測的要素。在水資源保護方面，衛星遙感可以監測水面范圍變化，及時獲取河流邊界長度、面積、水位變化等數據，建立河流水位與面積、水位與河水儲量等關系模型，在水位變化監測、河流行蓄滯洪監測等方面發揮重要作用。在水域岸線管理方面，可以通過衛星遙感影像實現對岸線破壞、岸線建設以及河岸采砂的長期動態監測，有效強化岸線保護和節約利用。在水污染防治和水環境治理中，衛星遙感能夠監測出水面養殖、水生物漂浮物、工礦企業、入河排污口等對水生態環境具有潛在污染的要素，對于優化排污口布局，實施入河排污口的整治提供重要參考依據。在水生態修復方面，衛星遙感能夠監測遭受的岸線破壞是否修復，一些非法的水面養殖是否取締等，輔助建設清潔型流域，實現河道環境整潔優美。湖南省委省政府高度重視河長制的實施，先后發行了1～5 號河長令，其中2 號總河長令要求全面清理整頓全省河道水域長期停泊不用、無人管理的船舶（即僵尸船）[4]。衛星遙感能夠快速監測“僵尸船”?？康攸c和數量，對“僵尸船”的情況迅速完成摸底工作并提供客觀證據，能有效輔助“僵尸船”的清理工作。

2 總體技術方法

（1）利用批量數據處理方法處理研究區高分國產衛星數據；

（2）結合監測要素實際特征，建立衛星影像各要素的解譯標志；

（3）采用人機交互解譯方式，提取研究區河長制監測要素，并通過實地核查的方法，提取研究區河長制監測要素圖斑，整體技術路線見圖1。

圖1 河長制衛星遙感監測技術路線圖

2.1 高分國產衛星影像處理

研究區數據源為高分二號和北京二號國產衛星影像，空間分辨率全色0.8 m，多光譜3.2 m，其中北京二號幅寬24 km，高分二號2 臺相機組合幅寬45.3 km，共采用28 景數據對研究區進行監測。通過批量數據處理方法，采用PCI 軟件實現對遙感影像采集控制點、同名點，正射校正、融合、波段增強、降位等批量預處理操作，對預處理后的影像進行勻光、勻色，將色調統一調整，最后對影像進行拼接鑲嵌及最終的色調處理。

高分二號及北京二號數據利用原始數據的RPC 模型，以精度較高的基礎底圖和DEM 為基準，采集足夠且符合要求的GCPs/TPs，為每景影像進行正射校正。再采用PCI 遙感軟銳化融合工具進行圖像融合，該模塊采用的是Pansharp 算法，是一種基于最小二乘法在原始的多光譜、全色影像間達到最佳近似灰度值關系，從而達到最佳色彩組合的融合方法[5]。

融合后的影像RGB 色彩信息不夠豐富，為使色彩接近自然真彩色，采取波段加權處理，由于近紅外波段對植被更敏感，所以考慮將綠色和近紅外波段分別賦予一定的權重，重新構造綠波段，本文將權重設定為0.85，新的綠波段用公式表示為：G=B2×0.85+B4×0.15,影像波段真彩色組合方式為:

式中：B1為紅色波段；B2為綠色波段；B3為藍色波段；B4為近紅外波段。

2.2 河長制監測要素信息提取

基于處理完成的正射衛星遙感影像，采用人機交互方式，運用解譯標志和實踐經驗與知識，從遙感影像上識別河長制監測要素相關目標，定性、定量地提取出河長制監測要素的分布、位置、面積等信息。對提取的河長制信息，通過野外實地調查的方式對成果進行驗證，保證提取的遙感成果符合精度要求。河長制監測要素包含水面養殖、水生物漂浮物、工礦企業、岸線管理、僵尸船等，各監測要素在影像上有對應的特征，如采砂碼頭砂石堆積處地形高于周邊，部分可見砂石加工器械及運輸車輛，影像顏色比較鮮亮，堆砂加工區域形狀一般不規則，岸線破壞因遭受人為破壞，裸露出地表，受破壞的岸線一般紋理雜亂，色調鮮亮等。

2.3 野外實地調查

為提高河長制信息提取精度，采取點、線、面相結合的方法進行野外實地調查，調查時啟動GPS 定位系統，記錄野外調查軌跡，并對典型圖斑、有疑問的圖斑進行高比例核查。修改野外核查后的圖斑，最后建立數據庫，包括河長制監測要素圖斑、鄉鎮村界線、影像等數據。

3 河長制遙感監測結果分析

利用2018 年9 月高分二號衛星影像數據，結合野外實地調查，共確定研究區內河長制監測要素圖斑106 處，涉及采砂碼頭、水面養殖、水面漂浮物、排污口等類型；利用2018 年9 月高分二號與2017 年10 月北京二號衛星遙感影像數據，結合野外實地調查，監測出研究區共有僵尸船27 處，河長制監測結果見表1。

表1 研究區河長制遙感監測結果

3.1 水資源保護—水面范圍遙感監測

研究區水面監測利用高分二號多光譜數據，基于面向對象方法，采用決策專家系統支持的利用模糊分類算法，充分利用影像的光譜、形狀、紋理、上下文、空間關系等特征，將影像分割成若干對象，在分割的對象層次上對水體進行分類提取，能夠快速并較準確地提取水體的特征，研究區提取水面面積32.41 km2（圖2）。利用衛星遙感技術監測水面范圍，對研究區水面面積變化特征和趨勢進行分析，對河流區域的生態環境保護具有重要意義。

圖2 基于面向對象的水面范圍信息提取結果示意圖

3.2 水域岸線管理

3.2.1 采砂碼頭遙感監測

研究區共監測出采砂碼頭36 處，其中35 處已經廢棄，1 處采砂碼頭在現場核實時正在作業，現場有采砂工作人員及車輛（圖3a）。近年來，政府嚴厲打擊各類違法、違規河道采砂行為，不斷加大河道采砂管理整治力度。利用衛星遙感監測河道采砂，節約大量的成本，減少巡河工作量，有效監測非法采砂行為，在保障防洪安全、水工程安全和保護生態環境等方面發揮重要作用。

3.2.2 岸線建設、岸線破壞遙感監測

《關于全面推行河長制意見》中指出，加強河湖水域岸線管理保護，嚴禁以各種名義侵占河道、圍墾湖泊、非法采砂，對岸線亂占濫用、多占少用、占而不用等突出問題開展清理整治，恢復河湖水域岸線生態功能[2]。研究區監測出涉及岸線管理相關問題11 處，其中4 處為岸線建設，河岸的自然岸線遭受人為破壞并進行建設活動；7 處為岸線破壞，原河岸的自然岸線受人為破壞裸露出地表（圖3b）。通過衛星遙感監測河湖岸線，對于穩定河勢，保障行洪安全與供水安全，維護河湖健康生命具有重要意義。

圖3 水域岸線管理遙感監測

3.3 水污染防治

3.3.1 排污口遙感監測

一條河流是否健康，入河廢污水排放量是其中一個很重要的制約因素，管好入河排污口是抓住解決江河湖庫水污染的關鍵。研究區監測出1 處工業廢水排污口，該排污口為河道周邊一瓷器廠在生產過程中產生的污水對河流的直接排放（圖4a）。利用衛星遙感監測排污口，為加強入河排污口監督管理，保護水資源，促進水資源可持續利用提供基礎數據支撐。

3.3.2 水面養殖遙感監測

通過衛星遙感監測，研究區內共有水面養殖13 處。水面養殖主要為水產養殖，包含網箱養殖和圍欄養殖，研究區監測的水面養殖主要為浮式網箱養殖（圖4b）。水產養殖在獲得經濟利益的同時，也造成了嚴重的環境污染，大量殘餌、魚藥及病死魚的亂處理造成水環境破壞。近年來，全國打擊非法水產養殖越來越嚴厲，各地政府不斷加強對非法養殖的治理措施，確保河道水生態環境和水質安全，維護漁業秩序穩定。利用衛星遙感技術，可以快速、高效地對水面養殖進行動態監測，為非法水產養殖的治理提供客觀證據。

3.3.3 工礦企業遙感監測

工礦企業包含工業和采礦業，河道周邊的工礦企業有可能通過地面、地下的方式將廢水排入河道中，或排放傾倒工業或礦業廢渣，對河流水質造成污染。研究區監測河道水面緩沖1公里范圍內共有工礦企業26 處，利用衛星遙感技術對河道周邊的工礦企業進行持續動態監測，有效防治工礦企業廢水、廢渣的違法排放，促進社會經濟與生態環境和諧發展（圖4c）。

圖4 水污染防治遙感監測

3.4 專項整治

“僵尸船”不但影響河流流域風貌，更嚴重影響城區行洪及其他橋梁的安全。采用傳統的地面調查監測范圍受局限，結果受客觀影響大，且時效性差，人力物力消耗大，衛星遙感具有監測范圍廣、速度快，反映問題客觀、準確且可長期動態監測的優勢?；谛l星遙感技術，研究區監測出“僵尸船”27 處，為相關執法部門及時清除“僵尸船”安全污染的隱患，確保河道水域防洪、航運、生態安全提供決策依據（圖5）。

圖5 僵尸船遙感監測

4 結論

河長制是對水環境行政治理模式的創新，河長制的實施對保護江河湖泊具有重要意義。衛星遙感監測是一種科學化、精細化、系統化的監督管理，能有效提高水利信息化水平，在河長制實施過程中發揮重要作用。但本文在河長制遙感監測研究過程中發現，高分辨率國產衛星影像對排污口、河道垃圾等較小面積的要素很難準確監測到，因此，如何進一步研究衛星遙感技術在河長制工作中的應用，最大程度地發揮其優勢，切實提升河湖治理成效，保障河道健康發展，值得深入研究和探討。