"3S"技術在水域變化動態監測中的應用

王幸幸　徐人杰　池欽

摘 要：水是珍貴的，保護水源刻不容緩。 如何有效完成這一工作成為當務之急。 “3S”技術在當今不失為一種有效的方法。本文在“3 S”技術的基礎上描述了構建一種水域變化動態監測系統的方法，特別說明了遙感技術的應用，通過本文的介紹可以舉一反三，將測繪中的先進技術應用到其他領域。

關鍵詞：“3S”技術;水域變化動態監測

水是生命之源，在某種方面看來，水域更是一種具有更大經濟上的價值和充滿誘惑力的資源。加強對水域的保護是一項刻不容緩的工作，也是作為水資源保護與環境保護的重要組成部分之一。 因此，建立水域基準數據庫，開發水域調查與動態監測系統，依托“3 S”技術和計算機技術， 構建水域管理現代程度較高的應用系統，進行水域變化的動態監測，實現以科學化管理，維護水域功能的持續發揮是一項重要工作。

隨著城市化進程的發展，原本完好的水域被侵占，有些水域已經不復存在。這不僅嚴重影響到水域的綜合功能，讓其無法正常發揮，還對人水和諧和經濟的可持續發展的情況造成了影像。各種建設項目大量占用水域并由此帶來的問題，已經讓各級領導對此問題有了高度的重視以及引起了社會各行各業各層各界的廣泛關注。為了得到可靠的監測數據，通過利用完善的水域變化動態監測系統，可以隨時掌握水域變化趨勢。 “3S”技術是建設水域變化動態監測系統的不可或缺的核心技術之一。

1、“3S”技術在系統中的作用

水域變化的動態監測是一項復雜的工作，大量的信息需要采集和分析，為此需借助現代的先進技術來構建管理系統，通過“3S”技術來實現水域變化信息的提取和分析是非常有效的方法。

“3S”技術是指全球衛星導航定位系統（ GNSS）、地理信息系統（ GlS）和遙感技術（ RS），水域變化的動態監測系統則是將 GNSS、 GIS、 RS技術這三種與網絡和通訊等技術相結合，有機地構成一個整體，信息采集、處理和應用的集合，突出的性能體現在高速、實時和高精度，可量化的信息采集和處理的應用。通過綜合運用這些技術，可以為水域變化動態監測提供強有力的基礎資料和技術支持。基于“3S”技術的水域變化監測系統結構如圖1所示。

由圖1可以看出，“3S”技術在系統中占據著重要的位置，是系統的核心。遙感影像（RS技術）實現目標判讀，數字影像地圖和矢量地圖（GIS技術）實現信息的查閱和瀏覽，而地理信息的獲取則是建立在GNSS測量技術上的。遙感影像分析可以自動識別的方式從遙感相片上提出水域影像重新生成專題影像圖，根據同一地區不同時期的多張遙感影像提取水域變化信息、將水域影像進行色彩、灰度變化處理以方便人工判讀。GIS空間分析可以實現數字地圖的操作、地理信息及其屬性數據的查詢和空間分析、利用GNSS技術采集水域相關的地理信息等。因篇幅所限，本文重點闡述RS技術的應用。

2、系統建設的方法

系統構建主要涉及到兩個方面：首先是地理信息，即物體的位置（河道、湖泊、池塘、水庫、山塘等）;二是水域信息，即處理對象的屬性數據（河長、水域面積、水域容積等）。

根據分析，系統可構建為影像查看瀏覽系統、遙感影像水域信息提取與變化檢測系統、地理信息管理與空間分析系統、（地理和水資源）信息查詢分析系統、其他功能系統（如專題圖制作和顯示系統）等幾個部分，要實現的主要功能有：

（1）影像（數據）瀏覽：作為一種為用戶提供登陸和身份驗證功能及與其他子系統連接操作的平臺。在該系統中可以瀏覽各種影像資料。

（2） 遙感影像分析：通過對獲取的遙感影像進行分析獲取水域信息，對變化情況進行檢測。是本系統的核心技術所在。

水域信息提取在水域變化監測中是非常重要的一項環節，具有非常重要的作用。盡管傳統的野外測量能夠在水體信息的獲取上具有高精度性，但由于水資源季節性變化強的問題， 年際變化大，且野外測量周期長、費時費力，信息難以及時獲取、難以適時監測; 而遙感影像成像周期較短，適時性強、成像精度日益提高，利用高分辨率影像提取高精度的水域目標信息， 則可以快速、準確、及時地獲得水域資源信息，以彌補野外測量的不足。

遙感影像分析系統中水域目標變化檢測系統的功能模塊可參照圖2構成。水域提取如圖3所示，右邊影像中藍色和青色部分為左邊影像中提取的水域影像。此外，也可將水域信息影像進行色彩、灰度變化處理（如圖4所示），以方便人工判讀。

（3）地理信息管理與空間分析：通過GIS技術管理地圖信息并進行地圖操作，對地理位置及所聯系的屬性數據進行統一管理，主要實現數字地圖的操作、地理信息及其屬性數據的查詢和空間分析、利用GNSS技術采集水域相關的地理信息等，系統總體框架如圖5所示。

對于多光譜影像，有些波段直接對水域信息敏感，這時就可以直接從影像資料中提取，如圖6所示，其中的紅色波段對水域敏感，因此，通過影像處理技術，很容易得到水域資料。對于彩色影像，可以用特征點顏色的提取方法來提取。如圖7所示，如果我們從影像圖上辨出水域，即可提取該顏色相近的影像形成水域圖。

（4）水域變化監測：動態水域變化實時監測大量使用的還是遙感資料。利用遙感資料進行的水域變化監測是以監測區域不同時間段的全色或多光譜衛星遙感影像為基礎提取影像上的水域目標。比較兩幅或兩幅以上不同時間段獲取的遙感影像，提取水域目標發生變化的部分，統計出該部分的面積、周長等幾何信息;記錄提取出的變化部分數據并進行矢量化，可將變化部分的矢量數據與相應地區的數字地圖疊置進行統計分析（如圖8所示），最終形成分析報告。

3、實驗分析

基于上面的構思，我們對一個水域變化情況做了一次實驗分析， 數據來源于統計數據、遙感影像數據、實測數據和調查數據、

（1）水域信息的提取

從遙感影像上提取水域信息，選取遙感影像上對水域敏感成像波段的影像，如圖9所示。也可采用人工識別一水域，提取其顏色值做為基準色，然后從圖上識別該顏色的影像并重新生成影像圖，如圖10所示。

對影像圖信息處理首先要制作出水域數字圖，如圖11所示，然后水域對象的面積、長度直接量取，也可直接綁定到對應的表中。

（2）水域變化的圖形比較與分析

水域變化的比較與分析可以直接用不同時間的遙感影像進行比較，通過觀察找到變化點，如圖12所示，左邊遙感影像獲取時間早于右邊遙感影像獲取時間，同一水域（左邊藍色，右邊紅色）在兩張影像圖上范圍發生了變化。在圖12中，可以看到水域有多處被占用，統計的水域面積是在減少的，要引起重視了。

結語

“3 S”技術集成了遙感、地理信息系統和全球衛星導航定位技術的功能于一體。該系統實現高度自動化、實時化、智能化和網絡化等這些特點，對于空間信息來說，適時收集、存儲、管理、更新以及分析當前情況的動態過程并為工作人員提供決策輔助信息是一種有利手段。橫空出現的“3 S”技術并集成“3S”技術，使得這類“3S”技術讓測量領域發生了一場意義非凡的革命， 廣泛推廣并使用GIS，必然會深化人們對 RS、 GNSS的應用，是未來“3 S”技術的發展方向。

隨著“3 S”技術的日益成熟，毫無疑問，水域動態監測方法應該首選基于“3 S”集成技術，充分發揮 RS、 GNSS、 GIS的各自優勢， 結合水域調查的實際需要，整合監測動態技術，開發適宜方法和應用系統。 “3S”技術在水域監測方面的應用尚處于起步階段，其原因是水域與陸域邊界常處于變化之中，遙感圖像的識別方面存在困難。但隨著現代測繪技術的進步，通過對遙感衛星影像進行分析，并從中提取水域面積，因其快速性、準確性，這類技術已經成為水資源調查、洪水災害預測評估、水利規劃和水資源動態監測的幾種重要手段之一，帶來了方便性。目前，越來越多各種高空間分辨率的遙感影像的出現，尤其是有些民用衛星分辨率已小于1米，再加上高精度的 GNSS系統相輔相成，對大型水利工程的建設施工進行跟蹤監測已成為可能。 “3S”技術的廣泛應用是大勢所趨。

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