李春雷 ，劉立聰 ，張雅莉 ，王 新 ，鄭慧芳

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

河湖水域是地表水的主要載體，是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)資源，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。河湖水域在防洪、排澇、灌溉、供水、發(fā)電、航運和生態(tài)景觀、水文化等方面發(fā)揮了巨大的綜合功能。我國東部平原區(qū)河網(wǎng)密布，但近幾十年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，城鎮(zhèn)周邊河流破壞較嚴重，河流蓄泄功能逐年降低[2]。因此，為推動河（湖）長制工作取得實效，進一步加強河湖管理保護，維護河湖健康生命，水利部在全國范圍內(nèi)對亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖管理保護突出問題開展專項清理整治行動。

以往河湖水域的監(jiān)管，主要采用傳統(tǒng)的測量、人工巡查、群眾舉報的方式，準確性、時效性差，非法侵占水域現(xiàn)象難以及時發(fā)現(xiàn)查處，傳統(tǒng)的手段已不適應社會發(fā)展的要求。近年來，隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，遙感監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用到各個領(lǐng)域，尤其是在水利行業(yè)，利用遙感影像來提取水體信息，彌補監(jiān)測手段存在的諸多不足[3]。高分辨率遙感對地識別能力強，監(jiān)測成果真實、客觀、準確、全面，是水域動態(tài)監(jiān)測的一種先進的技術(shù)手段[4]。遙感技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取上可分為衛(wèi)星遙感、航空遙感、無人機遙感幾個大類，遙感數(shù)據(jù)種類眾多，選擇合適的遙感數(shù)據(jù)很大程度上關(guān)系到監(jiān)測的成效。

針對上述問題，本文主要探究遙感技術(shù)在河湖“清四亂”中的應用方法。提出利用遙感技術(shù)動態(tài)監(jiān)測河湖“清四亂”行為方案，結(jié)合地物光譜特征、空間關(guān)系、幾何特征等建立河湖“四亂”解譯標志，通過人機交互手段監(jiān)測河湖水域“四亂”行為，并分析在不同尺度下最佳的應用方法，為河湖監(jiān)管提供有效的技術(shù)手段。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源介紹

2.1 研究區(qū)概況

浙江省位于中國東南沿海，介于東經(jīng) 118°01' ～ 123°10'，北緯27°02' ～ 31°11'之間，東臨東海，南接福建，西與安徽、江西相連，北與上海、江蘇接壤。總體地勢格局為西南高、東北低，自西南向東北傾斜，呈階梯下降。浙江省溪流縱橫、河網(wǎng)星羅棋布，地跨錢塘江、甌江、椒江、甬江、苕溪、運河、飛云江、鰲江八大水系。全省山地面積為7.57萬km2，占陸域面積的72.58%；水域面積為0.59萬km2，占陸域面積的5.66%；平坦地面積為2.27萬km2，占陸域面積的21.76%[5]，素有“七山一水二分田”之說。

2.2 數(shù)據(jù)源介紹

研究收集的資料可分為遙感數(shù)據(jù)和水域調(diào)查成果2大類。遙感影像用于“四亂”監(jiān)測提取圖斑，已有水域調(diào)查成果數(shù)據(jù)用于確定“四亂”監(jiān)測的范圍與圖斑的空間屬性信息。

遙感數(shù)據(jù)主要包括:①不同分辨率衛(wèi)星遙感影像，包括0.2 m無人機航拍影像；②0.5 m高景一號衛(wèi)星影像；③1.0 m的GF2號以及BJ2號衛(wèi)星影像；④2.5 m的Spot5衛(wèi)星影像；3.0 ～ 5.0 m分辨率的Planet衛(wèi)星遙感影像；

水域基礎(chǔ)成果主要包括:①2005年浙江省第一次水域調(diào)查成果；②浙江省第一次水利普查成果；③2018年浙江省河道名錄公布成果；④2018年浙江省湖泊名錄公布成果。

3 技術(shù)方法

3.1 監(jiān)測方法

遙感信息提取方法主要有人工目視解譯法和監(jiān)督分類法[6]、非監(jiān)督分類法、面向?qū)ο蟮姆诸惙╗7]、決策樹分類[8]等多種提取方法。其中，針對變化監(jiān)測，一般選擇其中2種方法:一是目視解譯，直接在遙感影像判讀，可以疊加地形圖等信息進行精確判讀；二是計算機信息提取，主要是運用監(jiān)督和非監(jiān)督分類進行計算機自動信息提取[9]。許多研究人員還利用波段閾值、波段組合[10-12]關(guān)系等進行水體變化信息提取，并取得一定成果。考慮到水體光譜信息復雜，水生植物、水位原因、停靠船只、懸浮泥沙導致的水色差異等多種因素直接影響著變化圖斑自動提取的精度，所以監(jiān)測采用目視解譯、人工提取的方案。

通過比對2個時期遙感影像數(shù)據(jù)，利用建立的“四亂”解譯標志，目視解譯提取疑似“四亂”圖斑，并進行實地驗證。分析遙感數(shù)據(jù)特點，探究不同監(jiān)測尺度下最佳的應用方法。

3.2 解譯標志建立

水利部對河湖“四亂”定義主要包括亂占、亂采、亂堆、亂建4個大類。

（1）亂占:圍墾湖泊；未依法經(jīng)省級以上人民政府批準圍墾河道；非法侵占水域、灘地；種植阻礙行洪的林木及高桿作物；

（2）亂采:河湖非法采砂、取土；

（3）亂堆:河湖管理范圍內(nèi)亂扔亂堆垃圾；傾倒、填埋、貯存、堆放固體廢物；棄置、堆放阻礙行洪的物體；

（4）亂建:河湖水域岸線長期占而不用、多占少用、濫占濫用；違法違規(guī)建設(shè)涉河項目；河道管理范圍內(nèi)修建阻礙行洪的建筑物、構(gòu)筑物。

對已收集到的影像進行分析，結(jié)合“四亂”分類，建立遙感解譯標志。其中部分“四亂”類別在遙感影像中紋理、光譜信息相似度極高難以區(qū)分，在建立遙感解譯標志時進行合并。根據(jù)區(qū)域自然地理、地形地貌特征、植被類型及水體利用結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律等情況，建立典型地物解譯標志，再通過外業(yè)進行驗證（見表1）。

表1 “四亂”遙感解譯標志表

“四亂”內(nèi)業(yè)監(jiān)測中針對亂占、亂建、亂采在遙感影像上解譯標志比較規(guī)則明顯，識別率較高。亂堆則較難監(jiān)測與分類，亂占中種植阻礙行洪的林木及高桿作物也較難監(jiān)測，只能通過實地調(diào)查完成。

3.3 遙感數(shù)據(jù)分析

利用遙感影像數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測，影像的空間分辨率越高，監(jiān)測精度也越高，獲取的變化監(jiān)測信息也越全面。但“四亂”監(jiān)測需要較強的時效性，要同時滿足時間與空間分辨率的要求，不僅要考慮監(jiān)測精度還要考慮監(jiān)測頻次的問題。要保證衛(wèi)星過境拍攝的影像清晰，受重訪周期、空間分辨率、拍攝幅寬以及天氣狀況的限制，浙江地區(qū)氣候多雨，衛(wèi)星拍攝狀況較差，作為“四亂”監(jiān)測的影像云量需控制在10%以內(nèi)數(shù)據(jù)才可利用，因此數(shù)據(jù)獲取難度較大，時間節(jié)點也無法保證。

因此本文針對不同衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在空間分辨率、獲取周期、數(shù)據(jù)價格多方面進行多方調(diào)研分析。首先在數(shù)據(jù)獲取方面，對于高分辨率遙感數(shù)據(jù)，只能采用編程獲取所需影像。其次，變化監(jiān)測空間分辨率一般要求3 m以內(nèi)，如果分辨率進一步降低，將會大大影響監(jiān)測精度。目前國內(nèi)外符合動態(tài)監(jiān)測需求的影像數(shù)據(jù)列表及價格見表2，不同分辨率遙感影像對比效果見圖1。

圖 1 不同分辨率遙感影像對比圖

表2 浙江地區(qū)不同分辨率影像數(shù)據(jù)信息表

4 應用方法探究

本次試驗利用已建立的解譯標志，對不同分辨率遙感數(shù)據(jù)都進行分類提取，獲取到疑似“四亂”圖斑，但不同分辨率的數(shù)據(jù)最小監(jiān)測單元不同，決定應用場景的不同，實驗結(jié)果見表3。

表3 不同分辨率影像監(jiān)測比對分析表

本次應用方法探究旨在利用最新時相遙感影像主動發(fā)現(xiàn)新的“四亂”行為，在盡量少的預算內(nèi)獲得最佳的監(jiān)測效果。以浙江地區(qū)為例，進行如下分析:

針對省、市級監(jiān)測:滿足1 a 1期監(jiān)測，可以選擇的面較多，基本都可以實現(xiàn)，只是精度不同對應的預算不同。如果在該尺度下需要完成1 a多次的全面監(jiān)測，目前可獲取度最高的是Planet衛(wèi)星數(shù)據(jù)，缺點是分辨率較低，分辨率最高可達到3.0 m，確保可以做到1 a 4期。

省、市級監(jiān)測如果對頻次要求不高，也可以進行1 a 1次的全面監(jiān)測，利用GF2號與BJ2號數(shù)據(jù)相互補充，分辨率可達到1.0 m，基本滿足該尺度下的監(jiān)測要求。如果作為重要河湖水域可以采取航空攝影、無人機等靈活的方式進行補充監(jiān)測。

針對區(qū)、縣級監(jiān)測:往往監(jiān)測的區(qū)域越小，影像分辨率的選擇更加廣泛，一般要求的監(jiān)測時間與空間分辨率相應會越高。目前可直接通過BJ2號編程數(shù)據(jù)進行1 a多期的全面監(jiān)測，同樣少量重點監(jiān)測區(qū)域需如果要更高頻次監(jiān)測，可以通過無人機航拍方式進行補充監(jiān)測。

5 討論與結(jié)論

本文研究結(jié)果表明，利用高空間分辨率遙感開展河湖水域變化監(jiān)測，可快速、準確獲取大范圍水域亂占、亂采、亂堆、亂建等問題信息。本文通過建立“四亂”解譯標志，獲取疑似“四亂”圖斑，方法可操作性強。在不同的監(jiān)測尺度下，提出合理的遙感技術(shù)應用方法。對時間分辨率要求較高的地區(qū)，可以采用3.0 ～ 5.0 m分辨率的Planet衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行1 a多次的全面監(jiān)測+重點河湖利用無人機航拍的模式進行。對空間分辨率要求較高的地區(qū)，可采用亞米級（0.5 ～ 1.0 m）衛(wèi)星影像進行1 a 1次的全面監(jiān)測+重點河湖利用無人機航拍的模式進行。

遙感技術(shù)可以主動發(fā)現(xiàn)問題，更高的監(jiān)測頻次可提前停止違法占用水域活動，更好地解決河湖水域無序占用問題，為河湖管理和水政執(zhí)法提供更有效的依據(jù)。本文的研究充分發(fā)揮遙感快速、高效獲取大范圍數(shù)據(jù)的特點，在河湖水域“四亂”監(jiān)測的應用方法選擇上，提供重要依據(jù)。