衛星遙感技術在河湖監管中的應用與展望

文 | 黃詩峰 孫亞勇 胡夢成 張瑞

中國水利水電科學研究院/水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心/水利部遙感技術應用中心

一、前言

江河湖泊具有重要的資源功能和生態功能，是洪水的通道、水資源的載體、生態環境的重要組成部分。當前我國河湖存在著水域面積萎縮、管理范圍侵占、生態用水不足、水體污染嚴重等突出問題，人民群眾對水資源、水生態、水環境的需求與水利行業監管能力不足成為了我國目前治水的主要矛盾。根據新時代水利改革發展的總基調要求，河湖監管工作已是“水利行業強監管”的重中之重[1]。但是，由于江河湖泊眾多，并受限于監管手段有限等因素，河湖水資源管理、河湖資源保護、水污染防治、水環境治理、水生態修復、長效管護、監管執法等方面的工作相對滯后。

相比傳統監管手段存在不高效、不全面、不及時、不精確等問題，衛星遙感技術具有宏觀、快速、動態、經濟等優勢，可實現對大范圍的河湖狀態全天候全天時的動態監測。近年來，衛星遙感技術快速發展，為開展河湖管理動態監控、加強河湖管理提供了有效途徑。

二、衛星遙感技術的發展及水利應用現狀

衛星遙感技術是以人造地球衛星作為遙感平臺，對地球和低層大氣進行光學和電子觀測的技術，具有觀測范圍廣、獲取信息量大、動態更新快等特點，很早就引起各國重視。美國早在1961年就發射了第一顆氣象衛星，其后1972年、1978年又先后發射了第一顆陸地衛星和第一顆海洋衛星，當前民用遙感衛星中空間分辨率最高的也是美國的世界觀測衛星（WorldView），其影像空間分辨率達到0.31m。歐盟、俄羅斯、日本、加拿大等國家和組織相繼發射了一系列遙感衛星，如歐洲航天局哨兵（Sentinel）系列衛星、俄羅斯資源（Resurs）系列衛星、日本的先進陸地觀測衛星（ALOS）、加拿大的雷達衛星（Radarsat）等。我國遙感衛星的發展晚于歐美先進國家，1988年發射第一顆氣象衛星風云一號（FY-1），1999年發射第一顆數字傳輸型資源衛星中巴地球資源衛星01星（CBERS-01），其后遙感衛星發展進入快車道，先后成功發射了氣象、資源、海洋、環境減災、測繪等系列遙感衛星[2]。特別是2010年以來，通過高分辨率對地觀測系統重大專項，我國先后發射高分一號到高分七號7顆衛星，同時民用商業遙感衛星如高景一號、北京二號、吉林一號、珠海一號等也紛紛升空，具有高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率的對地觀測體系初步形成，可在2～3天內實現對全國任意地區有效觀測，對地觀測能力大大增強。

豐富的國產遙感衛星資源極大地推動了遙感應用的深度和廣度，也為水利遙感業務化應用創造了良好條件。尤其是高分辨率對地觀測系統重大專項的實施，有力支撐了防汛抗旱、水資源管理、水土保持等業務，促進了自主衛星遙感數據在水利領域的大規模應用。在防洪方面，基于多源衛星遙感數據，開展了2013年黑龍江大洪水，2016年長江中下游洪澇災害，2018年金沙江、雅魯藏布江堰塞湖及2020年江西、安徽特大洪澇災害等衛星遙感監測，實現了對災情的快速、及時、動態的監測；在抗旱方面，開發了水利部旱情遙感監測系統，實現了全國旱情的定期遙感監測；在水資源方面，基于衛星遙感開展了示范區重要水源地水體范圍監測、重要水源地蓄水量估算、水功能區水質參數監測以及灌溉面積監測等工作；在水土保持方面，遙感技術也成為土壤侵蝕監測評價、生產建設項目監管、水土保持效益評價三大業務的支撐技術。

三、衛星遙感技術在河湖監管中的應用

我國地理氣候條件特殊，水系復雜，隨著經濟社會快速發展，河湖管理保護新老問題交織，生態環境問題十分突出。2016年以來，中共中央辦公廳、國務院辦公廳先后印發了《關于全面推行河長制的意見》《關于在湖泊實施湖長制的指導意見》，在全國江河湖泊全面推行河長制、湖長制，建立地方黨政領導牽頭的河湖管理保護責任體系和相應的制度體系，有力推進河湖治理保護各項工作，調動地方政府履行河湖管理、保護主體責任，促進河湖庫管理有人、管得住、管得好，解決中國復雜水問題。快速發展的遙感技術具有快速、客觀、經濟的優勢，能夠為河湖監測提供重要支撐。

1.江河湖泊水體遙感監測

地表水體監測對于防汛抗旱以及水資源、生態和環境的保護都起著極其重要的作用。衛星遙感可以快速獲得廣大地區全面、客觀、準確的河流、水庫、湖泊等地表水體信息，可以克服傳統手段高投入、長周期、低效率的缺點。對于光學衛星遙感影像，天然水體的反射率在可見光范圍內總體上比較低，且隨著波長增大逐漸降低，在藍綠光波段水體反射率約4%～5%，在近紅外波段最低，幾乎完全吸收。因此水體在遙感影像上呈暗色調，水陸界線相對比較清楚。基于這一水體光譜特點，可采用歸一化水體指數（NDWI）來提取水體信息。對于雷達衛星影像，水體后向散射強度弱，水體灰度值小。平坦水面在雷達影像上通常表現為黑色，與其他地物有著較為明顯的區別。基于這一水體影像特征，一般采用閾值法即可快速提取水體。閾值的確定主要有經驗法、雙峰法以及最大類間方差法等，其中最大類間方差法具有精度高、不用人工干預等特點，使用最廣[3]。圖1為鄱陽湖水體遙感監測專題圖。

圖1 鄱陽湖水體面積遙感監測專題圖

隨著衛星遙感技術快速發展，可用于水體提取的遙感影像數據源越來越多，大范圍快速水體提取技術日益成熟。采用遙感技術監測江河湖泊面積的變化，一方面可以從自然的角度來探求江河湖泊面積的年內和年際變化的規律和趨勢，分析人類活動對于地表自然水體的影響，以及更好地通過流域管理來保護河流湖泊。利用衛星遙感監測可對河流、湖泊、水庫進行監測和識別，對保護生態健康具有重要意義。

2.河湖岸線和河口遙感監測

河湖岸線和河口是河湖監管重要內容，衛星遙感技術是河湖岸線及河口變化監測與調查評價的重要支撐技術[4]。河道水沙變化會引起河道沖淤和地貌變化，河道采砂也會導致河勢發生變化，在國際界河上河道中泓線的變化還會引起國土面積的變化。因此河湖岸線及河勢變化遙感監測一直是水利遙感研究的問題之一。圖2為黑龍江的局部河道及江心洲岸線遙感監測專題圖，從中可以看出，河道岸線及江心洲變化非常明顯。另外，河口作為陸地和海洋的交匯處，在徑流、潮流、風浪流等水動力因素的相互作用下，一方面使泥沙輸移、擴散和沉積，另一方面還對局部河床產生沖刷作用，從而使河床地形以及平面邊界發生變化。黃河、長江及珠江等河口變化均較大。北方黃河因多沙，河口以淤積為主，河口三角洲也是我國新增濕地最多的區域。南方珠江有八個入海水道，八大口門近幾十年來變化也非常大。河口地區遙感動態監測可為河口治理提供重要依據。

圖2 黑龍江某河段河道淤積及江心洲演變監測

3.江河湖泊水污染遙感監測

水污染監測與治理是河湖管理中的重要方面，加強水污染監測對維系河湖健康、推進綠色可持續發展、保障區域水安全具有重要意義。近年來，隨著我國加大河湖治理力度，總體上河湖水質明顯改善，但是局部地區、局部水域的水環境污染情況仍比較嚴重。衛星遙感技術可以反演水體中葉綠素a、懸浮物濃度、濁度等水質指標，在大范圍水污染事件監測方面有突出優勢，近年來廣泛應用于對水華、黑臭水體等水色特征明顯的污染事件監測。藍藻作為水華的一種，在我國南方內陸湖泊時有爆發，是水體富營養化后表現出地藻類超常生長的一種水生態失衡的現象。正常水體在紅光-近紅外-短波紅外波段是強吸收，而藍藻水華在近紅外的反射率要遠大于紅光和短波紅外波段，使水體光譜表現出與植被光譜相似的特征。可采用歸一化植被指數（NDVI）或者浮游藻類指數 （FAI）來提取藍藻。

基于遙感技術的水華監測已經成為部分湖庫水源地水華、藍藻監測的主要手段，很好地支撐了水華、藍藻治理工作。圖3 為巢湖藍藻衛星遙感監測專題圖。

圖3 巢湖藍藻遙感監測專題圖（2020年3月17日）

另外，黑臭水體是城市河道、湖泊的一種主要水色污染現象，是城市河湖水污染整治的重點。目前，由于黑臭水體常發生在城市小河道、湖泊、坑塘中，需要高分辨率影像觀測，黑臭水體遙感監測尚未形成成熟的業務監測能力，監測手段仍以地面人工調查為主。隨著高分辨率對地觀測數據源的豐富，衛星遙感在城市黑臭水體監測中越來越能夠發揮重要的作用。

4.江河湖泊疑似違法遙感監測

遙感技術很早就應用于土地執法監察、城市規劃執法監察中。近年來，隨著各類水事活動更加頻繁, 水事違法案件日漸增多, 傳統的水政監察執法手段的不足和弊端日益凸顯，遙感技術在水政監察中得到廣泛應用[5-6]。非法侵占水域灘地、非法采砂、非法堆放固體廢棄物、非法排污以及河道內建設非法建筑物等違法行為，嚴重影響河湖生態健康。基于多源動態遙感數據，利用河湖及周邊地區變化檢測技術，實現對江河湖泊疑似違法的快速監測，為水政執法提供支撐。中國水利水電科學研究院與湖北省合作開展的湖北省湖泊遙感監測工作，利用遙感影像和影像識別技術，實現對湖北省湖泊動態監測，分別采用優于6m分辨率的全色（光）影像圖和優于2.5m分辨率全色（光）影像圖對湖北省755個湖泊和22個重點湖泊的岸線、保護區、控制區及湖體內物體進行監測和分析，對識別的異常情況進行分析、判斷、存儲，并將告警提示同步顯示在平臺和手持終端設備上，同時實現對執法過程的遠程記錄和監督。該項目將衛星遙感技術應用到湖泊執法監測中，在全國水利系統開創先例。圖4為湖北省湖泊違法事件衛星遙感監測專題圖。

圖4 湖北某湖泊疑似違法遙感監測

水利部自2018年7月開始，在全國范圍內部署對亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖突出問題開展專項清理整治行動，要求對第一次全國水利普查流域面積1000km2以上河流、水面面積1km2以上湖泊的“四亂”問題進行全面摸查和清理整治。水利部信息中心聯合黃委、長委、珠江委相關單位采用高分辨率遙感技術開展河湖“清四亂”遙感監管，取得良好效果。目前“清四亂”專項行動已轉化為常態工作。

四、發展趨勢與未來展望

（1）河湖遙感監測內容進一步豐富和完善

長期以來，一些地方圍墾湖泊、侵占水域、超標排污、違法養殖、非法采砂，造成河湖面積萎縮、水域空間減少、水質惡化、生物棲息地破壞等問題突出，河湖功能嚴重退化。衛星遙感不僅能為河流湖泊動態變化監測提供支撐，還能為洪澇災害、水文水質等方面提供重要支撐。未來將進一步推進衛星遙感在河湖岸線、水資源、水質、水生態等方面的工作，挖掘衛星遙感的應用潛力, 提高河流湖泊監測和服務生態環境的能力。

（2）多星組網與空天地一體化提升河流湖泊遙感監測能力

遙感數據是遙感信息服務的根本，及時全面的衛星遙感數據是遙感業務化應用的基礎。由于衛星自身的物理性能限制，高空間分辨率和時間分辨率是一對矛盾體，往往不可兼得。目前，高分辨率光學衛星在南方多云多雨地區實現高頻次有效覆蓋上尚存在一定的困難，大范圍高頻次衛星遙感影像的獲取是目前遙感業務化應用的瓶頸問題。隨著遙感技術的進步和發展，遙感對地觀測網絡正在形成高、中、低軌道相結合，大、中、小衛星協同，可以獲取高、中、低分辨率互補的遙感數據源。為應對未來大范圍河湖監測需求，需要發展不同時相、不同空間分辨率、不同光譜、不同傳感器類型聯合協同觀測，提升衛星遙感數據的保障能力。

（3）遙感大數據與人工智能技術將提升河湖遙感監測精度與效率

目前，衛星遙感技術正朝著高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率方向發展，遙感影像數據量越來越大，如何快速、高效提取河湖監管信息成為難題。以遙感大數據為支撐的信息挖掘技術以及以深度學習為代表的人工智能，將成為河湖遙感監管的支撐技術，替代傳統的目視解譯與影像分類技術。

（4）遙感技術為河湖長制提供技術支撐

河湖長制是中央貫徹落實綠色發展理念的一項重要舉措，全面推行河湖長制、加強河湖管理，事關生態安全，事關人民福祉。截至2018 年年底，全國已全面建立了河長制湖長制，設立了各級河湖長及河長辦，建立了河湖監管的相關制度，探索形成了明察暗訪相結合的監管方式，為推進水利行業強監管搭建了重要基礎平臺。目前，河湖長制工作進入從“有名”向“有實”轉變的重要階段，客觀、經濟、高效的監管手段至關重要。毫無疑問，遙感技術，包括衛星和無人機遙感，將為河湖長制提供強有力的技術支撐。