楊靜學(xué)，陳亮雄，李偉添，林奕霖，李興漢

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630)

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無(wú)人機(jī)航測(cè)和水色遙感技術(shù)在水庫(kù)管理和保護(hù)范圍劃界和水資源保護(hù)中的應(yīng)用

楊靜學(xué)，陳亮雄，李偉添，林奕霖，李興漢

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630)

基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)東江局楓樹(shù)壩水庫(kù)管理和保護(hù)區(qū)范圍開(kāi)展了精確的劃界工作，并利用高分辨率的航測(cè)成果進(jìn)行了違法違章嫌疑區(qū)解譯。同時(shí)結(jié)合水色遙感技術(shù)對(duì)庫(kù)區(qū)的懸浮泥沙和有機(jī)污染物進(jìn)行了反演，反應(yīng)了庫(kù)區(qū)污染狀況的宏觀分布，并結(jié)合前面解譯的嫌疑區(qū)種類和分布進(jìn)行了污染成因分析。該文證明基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)非常適用于水庫(kù)庫(kù)區(qū)的精確確界，且能對(duì)庫(kù)區(qū)管理人員難以到達(dá)的違法違章行為進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合水色遙感技術(shù)還可進(jìn)一步分析造成局部庫(kù)區(qū)污染的成因，為管理部門的庫(kù)區(qū)水資源管理與執(zhí)法決策提供科學(xué)有效的依據(jù)。

無(wú)人機(jī)；航測(cè)；水色遙感；劃界；水資源保護(hù)

1 概述

2014年水利部下發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作的通知》(水建管〔2014〕285號(hào))，明確要求對(duì)河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍進(jìn)行劃定。楓樹(shù)壩水庫(kù)是東江流域的第二大水庫(kù)，是東江水資源調(diào)度的關(guān)鍵性工程之一，是確保東江下游供水安全的重要保障。

近幾年，水庫(kù)的水質(zhì)較差，而庫(kù)區(qū)目前為止仍沒(méi)有劃定管理和保護(hù)范圍，不利于開(kāi)展水庫(kù)水資源管理保護(hù)工作。省水利廳在《廣東省水利廳對(duì)東江流域三大水庫(kù)等重要水源地保護(hù)和管理范圍確界立碑工作有關(guān)問(wèn)題的意見(jiàn)》(粵水資源函〔2014〕402號(hào))中，明確了對(duì)楓樹(shù)壩水庫(kù)開(kāi)展劃界工作。

水庫(kù)劃界工作的基礎(chǔ)是測(cè)量圖，劃界的目標(biāo)是為未來(lái)的水庫(kù)庫(kù)區(qū)的水資源管理和保護(hù)工作服務(wù)。本文將圍繞以上兩項(xiàng)內(nèi)容，詳細(xì)描述開(kāi)展的相關(guān)工作和取得的成果。本文涉及的劃界工作也是廣東省首個(gè)基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行水庫(kù)管理和保護(hù)區(qū)劃界的項(xiàng)目。

無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)是繼衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)遙感之后發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型航空遙感技術(shù)，是傳統(tǒng)測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、成果直觀、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)。隨著無(wú)人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量正迅速應(yīng)用于工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)察、資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)等方面。

水色遙感技術(shù)是利用傳感器接受到水面發(fā)射的輻射光譜，并且進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，從而獲得水體的一些基本信息的技術(shù)。通過(guò)水色遙感技術(shù)，可以獲得水體中影響光學(xué)性質(zhì)的組分的濃度，探測(cè)水體表層的物質(zhì)組成。本文中主要關(guān)注懸浮泥沙和有機(jī)污染物兩個(gè)水色要素濃度。

2 研究方法及步驟

項(xiàng)目的具體技術(shù)路線如圖1所示，主要包括前期工作、初步確界、航測(cè)作業(yè)、最終確界、嫌疑區(qū)解譯，以及庫(kù)區(qū)水質(zhì)反演分析。其中前期工作主要包含調(diào)研工作，資料收集工作和實(shí)施方案編制工作。初步確界主要是為了確定航測(cè)的區(qū)域。本次航測(cè)的區(qū)域?yàn)榛跉v史1∶50 000比例尺數(shù)據(jù)和管理和保護(hù)區(qū)定義劃定的管理和保護(hù)區(qū)范圍，初步確界的楓樹(shù)壩水庫(kù)管理區(qū)面積。確定了航測(cè)區(qū)后進(jìn)行了航測(cè)作業(yè)，包括航測(cè)外業(yè)、像控點(diǎn)布設(shè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲得測(cè)區(qū)1∶1 000比例尺正射影像圖和1∶2 000比例尺數(shù)字高程模型。最終確界為重新基于航測(cè)成果，根據(jù)管理和保護(hù)區(qū)定義進(jìn)行地形和水文分析獲得的目標(biāo)管理和保護(hù)區(qū)邊界。劃界的目的是更好進(jìn)行庫(kù)區(qū)的水資源管理工作，同時(shí)由于航測(cè)獲取的正射影像分辨率達(dá)到0.1 m，可以非常清晰和準(zhǔn)確的反應(yīng)測(cè)區(qū)地形地貌，本文基于高清航測(cè)成果進(jìn)行了管理和保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的違法違章嫌疑區(qū)的解譯。最后還基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水色遙感技術(shù)對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)進(jìn)行了反演，分析了庫(kù)區(qū)的污染源。

圖1 技術(shù)路線示意

3 結(jié)果與分析

3.1 初步確界

楓樹(shù)壩水庫(kù)管理區(qū)范圍確定為壩址以上壩頂高程(即高程173 m)以下的土地和水域。技術(shù)方法為基于ARCGIS的Spatial Analyst Tools模塊對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行高程為173 m的等高線的提取，并對(duì)自動(dòng)生成的等高線的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化和錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)的修改。

楓樹(shù)壩水庫(kù)保護(hù)區(qū)范圍確定為水庫(kù)壩址上游壩頂高程線以上至第一道分水嶺山脊之間的土地和水域。技術(shù)方法為基于ARCGIS的Hydrology模塊對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，得到庫(kù)區(qū)及周邊地區(qū)的集水線和集水區(qū)域，合并與管理區(qū)邊界相交的集水區(qū)域，這些集水區(qū)域的外邊界的集合即為楓樹(shù)壩水庫(kù)保護(hù)區(qū)范圍外邊界，而保護(hù)區(qū)范圍為外邊界以內(nèi)和管理區(qū)邊界以外的區(qū)域(如圖2所示)。

圖2 楓樹(shù)壩水庫(kù)管理區(qū)和保護(hù)區(qū)范圍初步劃界示意

初步測(cè)算，楓樹(shù)壩水庫(kù)管理區(qū)面積約57 km2，周長(zhǎng)約為524 km；保護(hù)區(qū)面積約140 km2，外邊長(zhǎng)約252 km。整個(gè)楓樹(shù)壩水庫(kù)的管理區(qū)和保護(hù)區(qū)初步劃界范圍面積共計(jì)197 km2，外邊長(zhǎng)為776 km，如表1所示。

表1 楓樹(shù)壩水庫(kù)管理和保護(hù)區(qū)初步劃界范圍統(tǒng)計(jì)

以上確定的管理和保護(hù)區(qū)范圍作為目標(biāo)航測(cè)區(qū)域，進(jìn)行航測(cè)獲取更精確的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和正射影像圖，從而進(jìn)行最終的確界。

3.2 航測(cè)作業(yè)

本項(xiàng)目測(cè)區(qū)成圖面積約200 km2，實(shí)際航測(cè)面積約為240 km2左右。該測(cè)區(qū)內(nèi)海拔高度最高約550 m，最低150 m，高差不是很大，可以滿足本次成圖。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，地圖投影采用高斯-克呂格投影，采用3度分帶。高程坐標(biāo)系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

本次航拍范圍覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)，并有一定的拓寬；地面分辨率0.08 m相對(duì)航高589 m；像片重疊度航向>70%，旁向>40%。航線、架次以及作業(yè)機(jī)如圖3所示，航線圖中每種顏色代表一個(gè)架次。本項(xiàng)目共航攝了6個(gè)架次，獲取有效影像11 354張，影像格式為JPG，大小約為15～20 M。原始影像大小共計(jì)211 G。

圖3 航測(cè)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、航線和架次

本次像控點(diǎn)首先在室內(nèi)按照設(shè)計(jì)書(shū)和像片條件進(jìn)行初選位置，并制作相應(yīng)的電子影像，由像控組根據(jù)電子影像，實(shí)地選點(diǎn)并在電子影像上刺點(diǎn)，然后采用廣東省的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)作為測(cè)區(qū)控制系統(tǒng)參考，使用RTK實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)測(cè)量。

通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲得了最終的航測(cè)成果包括1∶1 000比例尺正射影像圖和1∶2 000比例尺數(shù)字高程模型，如圖4和圖5所示。

圖4 楓樹(shù)壩水庫(kù)正射影像示意

圖 5楓樹(shù)壩水庫(kù)數(shù)字高程示意

3.3 最終確界

圖6為最終確定的楓樹(shù)壩水庫(kù)管理和保護(hù)區(qū)邊界示意圖。白色線為管理區(qū)邊界，管理區(qū)范圍為白色線內(nèi)區(qū)域。保護(hù)區(qū)內(nèi)邊界與管理區(qū)邊界重合，外邊界為黑色線，其范圍為外邊界以內(nèi)和管理區(qū)邊界以外的區(qū)域。整個(gè)楓樹(shù)壩水庫(kù)的管理區(qū)和保護(hù)區(qū)范圍面積共計(jì)150 km2，外邊長(zhǎng)共計(jì)852 km，詳細(xì)見(jiàn)表2所示。圖7和圖8分別為初步確界和最終確界的管理和保護(hù)區(qū)邊界對(duì)比，從圖上可以看出，初步確界的管理和保護(hù)區(qū)邊界較粗，且有一定的偏差，基于航測(cè)成果最終確界更加的精細(xì)和準(zhǔn)確。

表2 管理區(qū)和保護(hù)區(qū)邊長(zhǎng)面積統(tǒng)計(jì)

圖6 楓樹(shù)壩水庫(kù)管理和保護(hù)區(qū)邊界示意

圖7 管理區(qū)初步和最終確界放大比較示意

圖8 保護(hù)區(qū)初步和最終確界放大比較示意

3.4 嫌疑區(qū)解譯

本次工作基于高分辨率航測(cè)成果對(duì)管理和保護(hù)區(qū)內(nèi)的違法違章行為進(jìn)行了解譯，以方便未來(lái)庫(kù)區(qū)的水資源管理工作。本次嫌疑區(qū)遙感解譯工作參考《廣東省東江流域新豐江楓樹(shù)壩白盆珠水庫(kù)庫(kù)區(qū)水資源保護(hù)辦法》(廣東省人民政府令第157號(hào))定義的違法違章行為。解譯目標(biāo)包括在水庫(kù)庫(kù)區(qū)保護(hù)范圍內(nèi)：煉山、大規(guī)模機(jī)械墾伐種植經(jīng)濟(jì)林，栽種桉樹(shù)林，采石、開(kāi)礦、取土、陡坡開(kāi)荒、毀林開(kāi)墾、大規(guī)模禽畜養(yǎng)殖等違禁行為；和在水庫(kù)庫(kù)區(qū)管理范圍和保護(hù)范圍內(nèi)：新建、擴(kuò)建和改建的各類建設(shè)項(xiàng)目的行為。圖9和表3為管理和保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)違法違章嫌疑區(qū)分布圖和統(tǒng)計(jì)信息表，根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息表可知在庫(kù)區(qū)發(fā)現(xiàn)了504個(gè)違法違章嫌疑區(qū)，其中數(shù)量最多為網(wǎng)箱捕魚(yú)。

圖9 楓樹(shù)壩水庫(kù)違法違章嫌疑區(qū)分布示意

3.5 庫(kù)區(qū)水質(zhì)反演分析

本次楓樹(shù)壩水庫(kù)水質(zhì)遙感通過(guò)定量遙感方法，根據(jù)水體反射光譜產(chǎn)生的機(jī)理，建立水庫(kù)懸浮泥沙濃度和有機(jī)污染物濃度與水體反射光譜之間的物理模型，提取楓樹(shù)壩水庫(kù)這兩個(gè)水質(zhì)參數(shù)，得到庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況的分布，并通過(guò)對(duì)比航測(cè)獲取的高分辨率影像來(lái)分析造成水庫(kù)污染的可能性因素，從而為管理部門的科學(xué)決策提供依據(jù)。圖10和圖11為基于水色遙感技術(shù)獲取的2014年10月楓樹(shù)壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)懸浮泥沙濃度和有機(jī)物濃度分布示意圖。

圖10 楓樹(shù)壩水庫(kù)懸浮泥沙濃度系數(shù)分布示意

圖11 楓樹(shù)壩水庫(kù)有機(jī)物濃度系數(shù)分布示意

從圖10可以看出在桂子坑、渡田河和梅里壩一段懸浮泥沙濃度較大。在本次航測(cè)作業(yè)中包含了梅里壩到渡田河一段。放大后發(fā)現(xiàn)在渡田河段存在采砂點(diǎn)，如圖12所示。由此分析該段河道懸浮泥沙濃度的增大與采砂行為相關(guān)。

圖12 渡田河處局部放大(2015.8)

根據(jù)圖11楓樹(shù)壩水庫(kù)有機(jī)污染物濃度分布圖，定南水一側(cè)比尋烏水一側(cè)有機(jī)污染濃度高，結(jié)合2015年度無(wú)人機(jī)航測(cè)正射影像圖及解譯結(jié)果，如圖13所示，發(fā)現(xiàn)定南水一側(cè)魚(yú)養(yǎng)殖明顯多于尋烏水一側(cè)，由此分析庫(kù)區(qū)漁業(yè)養(yǎng)殖活動(dòng)與庫(kù)區(qū)有機(jī)物濃度分布有相關(guān)關(guān)系，密集的網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)活動(dòng)導(dǎo)致了定南水一側(cè)的有機(jī)污染濃度偏大。

圖13 楓樹(shù)壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)魚(yú)養(yǎng)殖分布示意

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目基于無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了楓樹(shù)壩水庫(kù)管理與保護(hù)范圍的確界工作，從結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出基于航測(cè)成果的邊界圖要比基于歷史1∶50 000比例尺數(shù)字高程模型和正射影像圖的邊界圖更準(zhǔn)確，說(shuō)明無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)非常適用于水庫(kù)的管理和保護(hù)區(qū)精確劃界工作。由于劃界工作的目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)的水資源保護(hù)，本項(xiàng)目基于分辨率高達(dá)0.1 m的航測(cè)成果對(duì)管理和保護(hù)區(qū)內(nèi)的水庫(kù)違法違章嫌疑區(qū)進(jìn)行了解譯。該成果可為管理部門的管理與執(zhí)法決策提供科學(xué)有效的依據(jù)。同時(shí)，基于水色遙感技術(shù)，本項(xiàng)目還完成了庫(kù)區(qū)懸浮泥沙濃度和有機(jī)污染物定性反演工作，分析了庫(kù)區(qū)污染物的宏觀分布，并結(jié)合嫌疑區(qū)解譯成果對(duì)庫(kù)區(qū)污染物濃度高值區(qū)的成因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明楓樹(shù)壩水庫(kù)采砂點(diǎn)分布與懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，庫(kù)區(qū)魚(yú)養(yǎng)殖分布與有機(jī)污染物濃度也呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。

總的來(lái)說(shuō)，基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以出色的完成水庫(kù)庫(kù)區(qū)的管理和保護(hù)區(qū)確界，并進(jìn)行管理和保護(hù)區(qū)內(nèi)的違法違章行為識(shí)別。結(jié)合水色遙感技術(shù)一起可以對(duì)庫(kù)區(qū)的污染源進(jìn)行科學(xué)分析。兩種技術(shù)為水庫(kù)庫(kù)區(qū)的宏觀、高效、廉價(jià)的劃界和監(jiān)測(cè)，以及在庫(kù)區(qū)實(shí)施最嚴(yán)格水資源保護(hù)制度提供科學(xué)有效的支持。

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(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Application of UAV Aerial Technique and Water Color Technique in Demarcation of Reservoir and Protection of Water Resource

YANG Jingxue, CHENG Liangxiong, LI Weitian, LIN Yilin, LI Xinghan

(Guangdong research institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics, Guangzhou 510635,Chian)

Applicate advance UAV aerial technique in demarcation of management and protection scope of Fengshuba reservoir, and use the high-resolution aerial survey results for the illegal suspect area interpretation. Then, suspended sediments and organic pollutants are interpreted by establishing water color remote sensing model. The results show that, the UAV aerial survey technique is very suitable to demarcation of management and protection scope of reservoir and the illegal suspect area interpretation. Combined with the water color remote sensing technology can also be further analysis of the causes of pollution.

UAV；aerial technique；water color remote sensing； protection of water resource

2016-05-31;

2016-08-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(41401485)；廣東省水利水電科學(xué)研究院青年科研基金(201402003)。

楊靜學(xué)(1984)，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事水環(huán)境遙感、地理信息和水利信息化等工作。

TP79；TV697

B

1008-0112(2016)09-0056-06