遙感與無人機技術在湖南省河湖管理中的綜合應用

張曉斌，喬 祺，石 林

（1.湖南省洞庭湖水利事務中心，湖南 長沙410007；2.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙410007）

自湖南省實施河長制以來，省委、省政府將全面推行河長制湖長制納入生態強省、建設美麗富饒新湖南的重要內容，全省各地以生態優先、綠色發展為導向，水資源管理不斷加強，水環境質量不斷優化，河湖管護機制日趨健全，河湖管理工作取得了階段性勝利。

但近年來，隨著經濟社會不斷發展，資源環境可持續利用壓力日趨增大，河湖管理已演變為多因素、多方位、多視角、多主體的復雜問題。設立監測站、建立測報系統、定期巡邏等傳統措施存在著信息傳輸發布不及時、人力物力消耗大、分析方法簡單粗略、各區域連通性差、缺乏智能的決策方法等弊端，已不能滿足新形勢下河湖管理需求，必須依靠各種科技手段，并統一統籌、協調規劃、配合運用，完善基礎設施體系與制度建設，實現河湖水系各類特征數據的采集、存儲、統計、分析、展示、上傳等功能，全面支撐河湖要素的全面感知與及時預警。

本文以遙感技術與無人機為例，探討兩者在湖南省河湖管理中的綜合應用，為提升湖南省河湖管理信息化與智能化提供應用實例。

1 遙感技術與無人機技術簡介

1.1 遙感技術

遙感技術是指從高空或外層空間接收來自各類地物發出的電磁波信息，并利用一定手段對這些信息進行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對各類地物或現象進行遠距離控測和識別的現代實用技術[1]。

遙感技術受限條件少，可大范圍獲取數據資料且不受地形地物阻隔的影響，它不僅能獲得地物可見光波段的信息，還能獲得紫外、紅外、微波等波段的信息[2]。遙感通常為瞬時成像，及時獲取所測目標物的最新資料，便于動態監測目標地物的變化規律過程及規律。遙感技術提供了大量實時、動態、快速、廉價的地理信息，為各種自然、社會現象及其分布規律的研究帶來了“質”的改變。

1.2 無人機技術

無人機是一種無人駕駛飛行器，不與目標地面物體直接接觸[3]。無人機技術最早用于軍事領域，后來逐漸演化并用于各類測量、研究、生產等民用領域。無人機系統主要由三個方面組成：飛機飛行平臺、數據采集系統以及地面控制系統，如圖1所示。

圖1 無人機系統

無人機與傳統人工作業相比能夠基本克服交通不暢、惡劣天氣等不利因素，既可以利用自身高視角寬尺度的飛行和機載遙感設備來進行地面拍攝，又可以借助其靈活機動等特點結合相關技術手段來實現現場信息的快速實時傳輸和后期局部數據建模分析，且操作相對簡單，成本更加低廉，彌補了傳統措施消耗大、效率低、精度差等不足。

2 水利工程劃界中的綜合應用

2020年3月23日，湖南省水利廳與湖南省自然資源廳發布了《關于做好全省水利工程管理與保護范圍劃定工作的通知》（湘水發〔2020〕8號），要求在2020年底前基本完成全省國有大中型和重點小型水利工程管理與保護范圍劃定工作；2021年底前完成其他規模以上水利工程管理與保護范圍劃定工作。

在內業作業時通過收集的水利基本信息、已有大比例尺地形圖資料和衛星遙感影像資料，進行水利工程的地形和水文分析，通過地形和影像的疊加，制作初步的水利管理與保護范圍劃線工作底圖。對于缺少大比例尺地形圖或者高分辨率影像資料的地區，采用無人機現場航飛的方式獲取測區范圍DOM影像資料，進行工作地圖的制作劃界。本次劃界工作結合1∶2 000數字正射影像和1∶2 000數字線劃圖，制作水利工程管理與保護范圍劃界的工作底圖。

以郴州市蘇仙區水利工程劃界工作為例，工作底圖與目前的水利工程現狀有5年的時間間隔，部分水利工程的工程結構及周圍建筑環境發生了較大變化。因此，為補充采集水庫管理所的范圍及其布局、庫區內的建筑物和溢洪道等要素信息，采用無人機結合現場資料分析的形式，使得水利工程劃界工作成果更為嚴謹可靠。

通過分析底圖和現在運行的水利工程的差異，劃界對象中的雷溪河堤防和水閘、飛天新城堤防均為近幾年實施的工程（2016年以后），劃界底圖為2014年10月航拍成果，為了明確這些水利工程的管理與保護范圍線，通過無人機現場航拍，圖像配準、幾何校正和坐標轉換等過程，更新了部分工作底圖，更新前后的地圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 更新前的工作底圖

圖3 更新后的工作底圖

此外，通過遙感技術與GIS技術配合可建立精確的地理信息系統管理服務平臺，依靠建設的水利劃界范圍和保護范圍數據庫以及基礎測繪數據庫，可實現水利工程管理保護范圍劃定工作的程序式管理，為建立全省水利信息大數據平臺提供支持，有利于對劃界成果實行信息化動態管理，進一步實現河湖及水利工程現代化管理。

3 “清四亂”中的綜合應用

河湖管理中的“四亂”指亂占、亂采、亂堆、亂建四類[4]。實施“河長制”之前的河湖水域監管，主要采用人工巡查、督查、測量、群眾舉報等傳統方式，準確性難以保證，效率低且人力成本較高，違法占用水域現象時有發生，很難滿足現代管控的需求。

高分辨率遙感影像通過處理生成正射影像，再經過預處理，消除或減弱噪聲和尖銳性噪聲，采用數值微分糾正等方法進行正射校正、信息增強、融合、鑲嵌等處理。

目前河湖“四亂”問題可采用人工目視解譯、計算機解譯以及兩者結合的方法實現[5]。人工目視解譯需根據水體光譜特性與其它地物的差異，對河湖管理保護范圍內存在的亂占、亂采、亂堆、亂建問題識別出來。該方法對解譯人員的綜合素質和解譯經驗要求較高，人力資源消耗大且效率較低，但解譯精度較高。計算機解譯是基于遙感影像算法的自動識別方法，首先建立訓練樣本庫，然后采用光譜特性分析方法進行算法解譯。“清四亂”工作采用人工解譯與計算機相結合的方式，在計算機輔助解譯的基礎上進行人工目視解譯，既可大大提高解譯效率，又能對地物反射特性復雜的區域，進行人工甄別，避免誤判，保證解譯精度。

對已收集到的影像進行整理匯總分析，按照“四亂”分類，建立遙感信息數據庫名錄，精確顯示每個問題“四亂”的類型、位置、面積及所屬管轄單位（河段）信息，描述問題區域的動態變化信息。再根據區域地形、水文、植被情況、水體利用現狀等特征信息，建立典型地物解譯標志，最終通過外業調查，對遙感發現問題進行一一驗證。同一地點亂建民房問題遙感解譯圖片與現場核實如圖4、圖5所示。

圖4 亂建問題遙感解譯

圖5 亂建問題現場核查

2019年湖南省水利廳河湖管理處組織了開展“四亂”問題的衛星遙感核查工作，并于2019年4—5月分三批向各市州交辦遙感發現疑似河湖“四亂”問題1 258個，經現場核實，確認540個問題屬實。

4 河長巡河中的綜合應用

傳統的人力巡河方式，由于行程和時間受限，數據采集不夠，巡河結果往往缺乏全面性與科學性，利用無人機與衛星遙感影相互輔助與配合，構建立體化監控體系，不僅能為河長巡河提供極大的便利，還能對敏感區域和重點目標實現常態化智能監管。

衛星遙感監測范圍廣，獲取信息全面，但受時效性與解譯成本限制，遙感技術對于亂排、亂堆等較小目標，可能無法準確實時監測，這種情況下應充分利用無人機技術優勢。

目前，無人機巡河已成為河湖管理的重要趨勢。無人機巡河有兩大優勢：一是提高巡河效率，規避可能發生的風險，通過機器的輔助真正達成巡河全覆蓋。針對違法捕魚、非法采砂等行為，體積小、速度快、隱蔽強的無人機可以提供有效、實時的現場偵查和取證，對破壞河流生態健康的行為形成有力震懾。二是生成河流數據庫，專業測繪無人機在巡河的同時，開展全河段適航掃描，生成含有匹配Pos數據的DOM影像，經數據處理，可以搭建河湖問題信息數據庫。

河長巡河過程中，利用無人機獲取河道高清視頻和全景圖片，可有效進行污染源、排污口、非法占用河道建筑物、水面及岸線垃圾等排查，提取監測對象的地理位置、特征坐標、視頻、全景等數據，并上傳至湖南省河長制湖長制工作綜合管理信息系統，初步形成疑似問題清單。無人機巡河拍攝圖片如圖6、圖7所示。

巡河結束后，結合衛星遙感影像對問題進行深度識別。通過不同時期遙感影像對比，收集河岸帶變化、水域面積變化、水體污染等信息，數字化解析問題發生前、中、后的全時間序列，深入、全面地了解非法行為實施的全過程，追根溯源最大程度地剖析問題，為行政執法提供便利。

將遙感影像與無人機巡查發現的疑似問題與河長、河湖管理部門日常巡查發現上報的問題進行比對，互相驗證和補充。通過問題比對與核實，完善全省河湖問題清單。為河湖管理相關管理部門提供宏觀輔助決策支持，較于傳統方法，河湖管控效率有了大幅提升。

圖6 無人機巡河拍攝圖片（a）

圖7 無人機巡河拍攝圖片（b）

5 結論

本文立足于現代科技手段在湖南省河湖管理中的應用，以遙感技術與無人機技術為例，發揮其各自特點及優勢，相互輔助與配合，打造了現代實用技術在河湖管理綜合應用的范例，為提升湖南省河湖管理效率、加快“河長制”信息化與現代化進程，實現全省科技治水管水提供參考。

資助項目：“河長制”背景下的河湖管理實用技術研究（湘水科計[2017]230-31）。