卫星遥感技术在河湖长制工作中的应用

卫星遥感技术在河湖长制工作中的应用

马静,张晓东

吉林省基础测绘院 吉林省 四平市 136001

摘要：传统的河湖监测方法落后且效率不高,监测体制也不完整,难以以最短的时间获取最全面的信息。遥感技术覆盖面广,收发信息快速、高效、稳定、安全且数量庞大,可提供河湖长制工作所需的数据信息。借助于高分辨率的遥感影像数据技术,拍摄地面影像后做解译处理,建立以湖泊水系信息为研究对象的仿真模型,提取水系基础地理情况、水污染及周边水利工程等可用信息,生成综合数据库,为各级河湖长制工作提供技术支持。河湖长制工作是贯彻落实党和政府的方针政策,在水利部等有关部门的指挥领导之下开展的,具有重大的科学意义和实际价值。

关键词：卫星遥感技术；河湖长制工作；应用

1遥感技术在河长制管理模式中的应用优势

第一，机动性强，灵活性高，飞行速度快，巡河效率高，可以在最短的时间内到达目标区域，能迅速发现问题。第二，操作简单，智能化程度高，可以提前设置好飞行路线，然后在飞行过程中进行校对与调整。如果设备发生故障，还可以自主进行故障排除，若故障无法排除并修复则会自动返航。第三，体积较小，操作简单，且存放、维护、调试都非常便捷，工作人员可以快速掌握操作技巧。第四，借助无人机遥感数据处理软件系统，可以在短时间内完成相关数据的处理，大幅度高工作效率。第五，影像分辨率高，成像效果好，即便在高空，也可以对地面物体进行有效地捕捉。第六，可以将平面数据信息、三维场景影像及三维数据信息有效显示，数据精度较高。将其应用到河长制管理模式中，与人工徒步巡河相比，巡查效率更高、巡查时间更短、发现问题更快，可以大幅度提高水环境治理效果，创新河流监管模式。

2卫星遥感技术在河湖长制工作中的应用

东洞庭湖多年平均出湖流量约9010立方米、沙量可达3883万吨,水沙条件十分优越。近70年以来,洞庭湖区已淤积泥沙近60亿吨。长江和洞庭湖的水系关系在时刻变化着,长远来看,东洞庭湖的水沙量有下降的趋势。城陵矶（七里山）站的平均出湖流量近60年来下降了约43.4%,累计出湖水量减少了1210亿立方米,水体平均悬沙浓度也相对减少57%,出湖沙量减少了约5350万吨。

2.1数据源

遥感可长时间稳定的获取地表面状信息,对比于传统的以离散点为基础的对地观测方式,是革命性的创新与变革。研究者们选择不同的分辨率和采样周期对遥感数据进行深入的分析,找到了行之有效的研究方法。如Landsat系列数据的空间分辨率很高,适合用在河湖的环境研究中；MODIS遥感数据则具备很高的时间分辨率,在探究悬浮泥沙大区域分布和扩散的趋势中得到了很成功的应用。卫星载荷的数量日趋增加,新传感器的应用范围持续的被拓宽,比较有代表性的是我国的环境与灾害监测小卫星等,随着科学技术的高速发展,遥感卫星数据源的可选性及可靠性都得到了极大的提升。遥感卫星数据的筛选原则有科学的标准做指导,针对关键问题和项目的目的,综合考量各卫星数据的获取通道、可靠性及稳定性、湖泊水体监测的周期性等关键信息,选择最适用的遥感数据源。在东洞庭湖的河湖长制工作中,选用了Landsat8-OLI影像作为分析数据源,进行全水域的测量与研究。Landsat8-OLI遥感数据空间分辨率可达15m,1景可覆盖住整个东洞庭湖区,已发射近10年,数据开源,各项指标很好的符合了项目的要求。

2.2水循环过程遥感监测反演

卫星遥感可开展包括降水、截留、蒸散发、土壤水、地表水、地下水等水循环过程及其影响因素如土地利用、地表温度、地形、灌溉等物质能量与人类活动过程监测反演，为水文水动力模型提供模型参数，服务于大范围、多尺度的流域生态水文过程模拟。遥感中心在卫星降水产品精度检验、大尺度植被冠层截留模拟、基于理论参数空间的遥感蒸散发模型构建、基于被动微波的土壤水分遥感反演模型构建、地表水体遥感监测、基于深度学习的土地利用分类、基于无人机的地表温度监测、高精度数字高程模型（DEM）数据生产、基于光谱匹配技术的灌溉面积遥感监测等方面开展了创新性技术研究。“黄河流域生态水文遥感监测关键技术”成果获2019年中国大坝工程学会科技进步一等奖，“基于多源遥感协同的土壤水分定量反演技术及应用”成果获2016年测绘科技进步二等奖。

2.3水域岸线保护

将无人机遥感技术应用到河长制管理模式中，可以迅速、有效获取河道管理范围内的正射影像，进而将水域岸线管理保护现实状况进行有效展示。之后，再借助smart3D、Pix4dmapper等软件进行数字高程模型图的生成，可以快速提取水域岸线内的堤防工程分部情况、护坡工程分部情况。对相应部分的长度和相对高程进行计算，就可以为优化岸线保护与利用，规划合理利用、科学布局岸线功能区（岸线保护区、岸线保留区、岸线控制利用区、岸线开发利用区）提供数据支持。同时，还可以加大侵占河道、围垦湖泊等违法违规行为的查处与整治力度。

2.4水资源时空数据库建设技术

河湖水体空间信息资源同时包括空间信息、时间信息和属性信息三大特征，时空数据库的建立对于河湖水体动态更新监测至关重要。为实现河湖水面空间信息资源动态更新，可建立“事件差量存储、自主版本快照”的时空数据库模型。该模型主要由现势数据、记录事件的历史数据和快照数据构成。每次更新事件发生，数据库只将被更新的现势数据插入历史数据，并记录变化关系，不会对所有数据做快照。采用“事件差量存储、自主版本快照”的时空数据库模型，既解决了传统序列快照模型数据大量冗余的问题，又可以满足应用单位对时空大数据管理动态化的需要。

以上述模型为基础，将河湖空间信息资源时空数据库分为4个子库：现势库、历史库、过程库、统计分析库。其中过程库主要为各类原始资料、变化识别、各类检查等生产过程的文件记录；统计分析库为统计数据集及报表。研发时空数据库管理系统，基于时空数据库实现时空数据预处理、时空索引建立、时空查询检索、时空回溯、数据版本快照等功能。

2.5河湖水质及水污染监测

近些年,水域的污染和生态破坏情况日趋严重,采取行动治理止损已经迫在眉睫。悬浮物指不易溶于水的固体物质,也是湖泊水质卫星遥感监测中非常重要的参数,水体中的叶绿素a浓度间接体现了浮游植物的疏密,衡量了湖泊内水生植物的生物量和富营养化的程度。卫星遥感检测的数据可提取悬沙和叶绿素a的浓度,制订对应有效的方案治理污染情况。卫星遥感检测的水体包括开放的海水和内陆水体。前者的水质推演模型很成熟,数据来源相对多样化,后者的水质情况更加复杂,很难得到标准化的模型。

结论

卫星遥感技术已应用多年,监测的地表观测影像,具有极大的社会和经济价值。在Landsat应用的基础上,不断开发更高分辨率更高精度的国产卫星,使卫星监测的精度和频率在质和量上都有更高层次的提高；对河湖模型反演算法进行深度开发,提高定量遥感的计算精度,以满足河湖长制工作的高要求。河湖长制工作难度大、耗时长、投入多,在高科技技术的助力下,持续深入卫星遥感技术在河湖长制中的应用研究,推动河湖治理的体系和能力现代化,具有深远的现实意义。

参考文献：

[1]余德清,余姝辰,贺秋华,李长安,魏传义.联合历史地图与遥感技术的洞庭湖百年萎缩监测[J].国土资源遥感,2019,28(03):116-122.

[2]胡春宏,王延贵.三峡工程运行后泥沙问题与江湖关系变化[J].长江科学院院报,2019,31(05):107-116.