· 文|環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心 初東 申文明 游代安 姚延娟 張雪

基于遙感技術的國家環(huán)境敏感區(qū)飲用水源保護區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)設計

· 文|環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心 初東 申文明 游代安 姚延娟 張雪

根據(jù)飲用水源保護區(qū)等國家環(huán)境敏感區(qū)監(jiān)督管理工作的需要，基于遙感技術構建國家環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查系統(tǒng)，進行環(huán)境監(jiān)查執(zhí)法、績效評估及國家敏感區(qū)的監(jiān)管。該系統(tǒng)建成后，將使得遙感信息處理解譯平臺的影像與矢量數(shù)據(jù)成果轉換為易理解、通用的標準形式。為環(huán)保部門開展飲用水源保護區(qū)水源安全應急管理提供有力支撐。本文主要介紹的是該系統(tǒng)的總體設計架構與思路。

遙感 飲用水源保護區(qū) 監(jiān)查系統(tǒng) 設計

一、引言

根據(jù)飲用水源保護區(qū)等國家環(huán)境敏感區(qū)監(jiān)督管理工作的需要，為了進一步提高環(huán)境管理的科學性和可靠性，實現(xiàn)對飲用水源保護區(qū)監(jiān)管工作業(yè)務化和常態(tài)化，基于遙感技術建成國家環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查系統(tǒng)，將能形成環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查技術支撐能力，完善環(huán)境敏感區(qū)監(jiān)查的天地一體化網絡建設，及時了解飲用水源保護區(qū)發(fā)生的違法開發(fā)建設活動情況，客觀評價飲用水源保護區(qū)建立以來的保護成效，支持國家環(huán)境管理部門開展環(huán)境監(jiān)查執(zhí)法、績效評估，提高對飲用水源保護區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)的監(jiān)管能力，加強我國對環(huán)境敏感區(qū)開發(fā)建設活動和環(huán)境風險源的監(jiān)管力度，為全面推進生態(tài)保護和污染防治、保障生態(tài)安全和人民健康提供有效支撐。

二、 水源保護區(qū)環(huán)境風險源遙感監(jiān)測評估業(yè)務需求

1.業(yè)務需求

根據(jù)2007年全國城鎮(zhèn)集中式飲用水水源地調查與評估結果，2007年，全國城鎮(zhèn)集中式飲用水源地總數(shù)為4002個，供水服務人口4.91億，占全國城鎮(zhèn)人口83%；年取水量717億噸。其中湖庫型水源地1090個，占27.2%，服務人口1.53億，年取水量326億噸；河流型水源地1243個，占31.1%，服務人口2.16億，年取水量291億噸；地下水型水源地1669個，占41.7%，服務人口1.22億，年取水量100億噸。

根據(jù)不同類型水源地保護區(qū)的特點，結合遙感技術的監(jiān)測能力，對湖庫型和河流型水源保護區(qū)進行遙感監(jiān)測。利用高分遙感影像，對全國城鎮(zhèn)湖庫型和河流型水源地內新增的風險源信息進行提取。

根據(jù)湖庫型和河流型水源地保護區(qū)的特點、風險源的不同、所在區(qū)域的特點，以及遙感影像的保障能力等，分步對不同區(qū)域的水源保護區(qū)進行環(huán)境風險源排查和監(jiān)測。

1）對全國113個環(huán)保重點城市的湖庫型和河流型水源保護區(qū)的風險源進行排查。從2005年開始，這113個城市就建立了水源地水質月報制度，所以首先對這113個城市的水源保護區(qū)內的風險源識別。這類區(qū)域屬于遙感監(jiān)測重點地區(qū)，采用分辨率優(yōu)于2m的遙感數(shù)據(jù)，每年進行2次重點監(jiān)測。

2）對東北三省和中部省份的湖庫型和河流型水源保護區(qū)的風險源進行排查，該地區(qū)為僅次于環(huán)保重點城市的經濟較發(fā)達地區(qū)，水源保護區(qū)內的風險源分布也較為普遍。采用優(yōu)于5m的遙感數(shù)據(jù)，每年進行1次重點監(jiān)測。

3）第三步，對西部各省的湖庫型和河流型水源保護區(qū)的環(huán)境風險源進行排查。該地區(qū)多為高山、高原、沙漠、戈壁、海洋，人口稀少，經濟發(fā)展相對滯后，保護區(qū)內的環(huán)境風險源相對較少，且變化不大。優(yōu)先采用5m左右分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展監(jiān)測，在5m數(shù)據(jù)難以保障的地區(qū)，采用10m分辨率遙感數(shù)據(jù)，每年進行1次監(jiān)測。

根據(jù)以上水源保護區(qū)監(jiān)測與評估區(qū)域劃分和監(jiān)測周期，分別獲取所需分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，進行遙感影像的波段合成、圖像鑲嵌、圖像裁切、投影轉換、幾何精糾正等圖像預處理工作。

2.數(shù)據(jù)需求

根據(jù)2007年全國城鎮(zhèn)飲用水水源地基礎環(huán)境調查及評估結果，2007年，全國城鎮(zhèn)水源地湖庫型和河流型共計2333個。飲用水源一級和二級保護區(qū)面積9.8萬平方千米，約占國土面積的1.02%，其中一級保護區(qū)3.8萬平方千米，二級保護區(qū)6萬平方千米。飲用水水源準保護區(qū)面積7萬平方千米，約占國土面積的0.7%。。

飲用水源保護一、二級保護區(qū)內需要采用優(yōu)于2m的多光譜遙感數(shù)據(jù)進行風險源識別，水源地準保護區(qū)范圍內需要優(yōu)于10m的多光譜遙感數(shù)據(jù)進行風險源識別分析，初步估算每年開展一次飲用水源保護區(qū)遙感監(jiān)查，所需數(shù)據(jù)量約為2.5TB，運行5年數(shù)據(jù)量13TB。遙感影像數(shù)據(jù)需求見表1所示。

表1 遙影像感數(shù)據(jù)需求

三、總體技術方案

國家環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查系統(tǒng)建設按照應用不同，可劃分為四個不同的層次，由下至上依次為基礎設施層、數(shù)據(jù)層、應用支撐層、應用層、訪問層，根據(jù)不同的應用需求可以具有不同程度的復用和更新，同時通過數(shù)據(jù)的共享與交互與外部系統(tǒng)進行對接，并供外部用戶訪問，圖1為系統(tǒng)總體技術路線圖。

>> 圖1 系統(tǒng)總體技術路線

四、飲用水源地保護區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)的設計

飲用水源地保護區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)是將遙感信息處理解譯平臺的影像與矢量數(shù)據(jù)成果轉換為易理解、通用的標準形式。不同的是，本分系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)資源與對象為水源地保護區(qū)的基礎數(shù)據(jù)、遙感影像、解譯成果、核查信息等；同時，本分系統(tǒng)中的各個模塊也將針對飲用水源保護監(jiān)管的業(yè)務需求進行專門的開發(fā)。后續(xù)運行的相關部門通過本分系統(tǒng)實現(xiàn)對飲用水源保護區(qū)中風險源的監(jiān)管核查。圖2為飲用水源保護區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)業(yè)務流程圖。

>> 圖2 飲用水源保護區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)業(yè)務流程

本分系統(tǒng)按功能分為專題制圖模塊、報告編制模塊、統(tǒng)計分析模塊、綜合查詢分析模塊、信息顯示與編輯模塊、聯(lián)動模塊、數(shù)據(jù)導入導出模塊。圖3為飲用水源保護區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)模塊組成圖。

>> 圖3 飲用水源保護區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)模塊組成

（1）專題制圖模塊

主要包括加載數(shù)據(jù)、地圖標注、地圖整飾和地圖輸出功能。主要啟用標準制圖工程模板文件，通過替換數(shù)據(jù)，標注整飾，地圖輸出和打印，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像的制圖輸出功能。

（2）統(tǒng)計分析模塊

綜合應用空間分析、地理信息分析和數(shù)學統(tǒng)計功能，基于位置信息和屬性信息，對不同的矢量圖層（如土地利用現(xiàn)狀圖）或數(shù)據(jù)庫內的多批次多區(qū)域解譯信息進行統(tǒng)計、分析、評估，并且可依據(jù)分析結果生成新的矢量數(shù)據(jù)。

（3）報告編制模塊

加載固定的報告模板文件，如標準word文檔或excel表格，連接數(shù)據(jù)庫，通過對數(shù)據(jù)的獲取與計算，自動生成標準報告；在此基礎上，允許用戶輸入矢量的可配置信息，結果保存為微軟office的標準格式。

（4）綜合查詢分析模塊

綜合查詢分析是根據(jù)需要，通過查詢解譯信息、飲用水源保護區(qū)信息的多種信息資源，對飲用水源保護區(qū)的解譯信息進行綜合態(tài)勢分析。

查詢方式多樣化，可以基于地圖進行點選、框選、圓選、多邊形選擇；也可以基于屬性進行首字母檢索、模糊匹配、高級查詢等；也可以根據(jù)分類規(guī)則，進行分類檢索。

查詢結果展示樣式多樣，可以在地圖上進行展示，采用密度圖、分區(qū)設色圖、餅狀圖、柱狀圖等方式；也可以以查詢結果列表形式顯示。

（5）信息顯示與編輯模塊

該模塊對基礎地理信息、成果信息、解譯信息、專家知識、遙感影像、核查信息的顯示功能，對解譯信息和核查信息提供編輯修改功能。

該模塊能夠實現(xiàn)多源多遙感影像瀏覽、輔助圖層管理、三維顯示等功能。

（6）聯(lián)動模塊

聯(lián)動模塊對現(xiàn)場核查的視頻、圖片等多媒體信息進行組織管理，通過自動搜索人類地塊信息相關的多媒體信息并播放，提供直觀的、動態(tài)的多媒體資料。

所有多媒體資料是基于時間與地點進行組織的，可以查看同一地塊不同時間的多媒體資料，也可查看同一時間不同地塊的多媒體資料。

（7）數(shù)據(jù)導入導出模塊

將解譯信息、遙感影像、專題圖成果、報告表格、專家知識、核查信息等系統(tǒng)成果導入至成果數(shù)據(jù)庫，供本分系統(tǒng)查詢顯示與編輯。

能夠將所需的成果數(shù)據(jù)庫內的數(shù)據(jù)導出為約定的格式與組織形式，為數(shù)據(jù)在內業(yè)平臺與外業(yè)平臺的轉換和傳遞提供服務。

五、結論

該系統(tǒng)的建立能迅速、全面地獲取飲用水源保護區(qū)內的環(huán)境風險源信息，客觀預警水源保護區(qū)內的環(huán)境風險等級，自動化水平高，在環(huán)保部飲用水源保護區(qū)綜合監(jiān)管方面有著良好的應用前景，并且能逐步成為環(huán)保部每年開展的新建和調整的國家級自然保護區(qū)評審工作必不可少的技術支撐平臺，為環(huán)保部們開展飲用水源保護區(qū)水源安全應急管理提供有力支撐。同時，通過數(shù)據(jù)和成果的共享服務，該系統(tǒng)也將在支持地方各級環(huán)保部門開展相關工作和促進公眾了解環(huán)保工作等方面發(fā)揮積極作用。