劉漢剛，尹正平，葛召華，劉 茜

（山東省綜合事業(yè)服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250025）

0 引言

河湖管理保護(hù)是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及水域、岸線、采砂、排污口設(shè)置、涉河建設(shè)項目等方面，是水利社會管理的核心內(nèi)容，是確保河湖資源可持續(xù)利用的重要工作，是當(dāng)前水利工作的一項硬任務(wù)。為推動解決我國復(fù)雜水問題，維護(hù)河湖健康，深入貫徹落實(shí)新發(fā)展理念，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，2014 年水利部提出要建立河湖管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)河湖管理信息化，積極運(yùn)用遙感、空間定位、衛(wèi)星航片、視頻監(jiān)控等科技手段，對重點(diǎn)河湖、水域岸線、河道采砂進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)圍墾河湖、侵占岸線、非法設(shè)障、水域變化、非法采砂等情況，為河湖管理和行政執(zhí)法提供技術(shù)支撐[1]。

山東省河湖眾多，水系交錯，河湖總體數(shù)量均位于全國前列。隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，岸線開發(fā)利用的要求越來越高，河湖管理保護(hù)工作面臨著岸線管理難度大、跨區(qū)域河流管理難、監(jiān)測費(fèi)時費(fèi)力、監(jiān)測體系不健全等問題，河道湖庫水域岸線管理范圍內(nèi)的違章、違法涉水項目建設(shè)屢禁不止，亟需提高全省河湖水域監(jiān)管能力。

2018 年以來，山東省緊緊圍繞“工程補(bǔ)短板、行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”工作總基調(diào)，著眼于管好“盛水的盆”和護(hù)好“盆里的水”，按照夯實(shí)基礎(chǔ)立支撐、數(shù)據(jù)共享增合力、創(chuàng)新應(yīng)用嚴(yán)監(jiān)測、流程閉環(huán)促落實(shí)的工作思路，建設(shè)河長制湖長制管理信息系統(tǒng)，全力推動河湖長制工作向智能化、智慧化轉(zhuǎn)變，探索具有山東特色的河湖精準(zhǔn)監(jiān)管和統(tǒng)籌治理的新思路。

1 完善基礎(chǔ)信息，提供全方位數(shù)據(jù)支撐

1.1 梳理全省河湖水系

山東省河湖眾多，共有鄉(xiāng)鎮(zhèn)級以上河流9 000 余條、湖泊 8 個、水庫 6 436 座，其中流域面積為 50～100 km2河流為 1 049 條，總長度為3.25 萬 km；流域面積為 100～1 000 km2河流為553 條，總長度為 2.37 萬 km；流域面積為 1 000 km2及以上河流為 39 條，總長度為 0.49 萬 km[2]。理清省、市、縣水系結(jié)構(gòu)是推行河長制工作的基礎(chǔ)，為掌握河湖治理進(jìn)展和落實(shí)管護(hù)責(zé)任，利用衛(wèi)星遙感和地理空間處理技術(shù)，判讀水資源基本信息，如河流湖泊邊界、位置、河網(wǎng)分布等，并對全省河湖進(jìn)行矢量標(biāo)繪和校核，生成河湖分布圖，實(shí)現(xiàn)全省河流、湖庫數(shù)字化，動態(tài)化，現(xiàn)代化管理。

1.2 完善各級河長信息

河長制是解決我國復(fù)雜水問題、維護(hù)河湖健康生命的一項有效舉措，是完善水治理體系、保障國家水安全的制度創(chuàng)新。河長制的實(shí)施主體是各級河湖長，針對目前跨區(qū)域河流缺乏上下聯(lián)動和協(xié)調(diào)配合機(jī)制，河道管理難度較大等問題，將全省 76 199 位河長、10 877 位湖長、92 513 條責(zé)任段，按照省、市、縣、鄉(xiāng)、村五級隸屬關(guān)系一一對應(yīng)到位，明確責(zé)任劃定，實(shí)現(xiàn)智能考核。建立河長會議、信息共享、工作督察等制度及動態(tài)更新機(jī)制，各級河湖長密切配合、協(xié)調(diào)聯(lián)動。人員出現(xiàn)變動，可在一周內(nèi)完成數(shù)據(jù)更新，確保河流、湖庫責(zé)任段與河長湖長信息對應(yīng)無誤。

1.3 水域岸線標(biāo)繪上圖

《關(guān)于全面推行河長制的意見》中明確提出加強(qiáng)河湖水域岸線管理保護(hù)的工作任務(wù)[3]，為嚴(yán)格河湖水域岸線等生態(tài)空間管控，落實(shí)規(guī)劃岸線分區(qū)管理要求，利用 GIS 空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對全省各市縣的水域岸線劃界和規(guī)劃成果數(shù)據(jù)中存在坐標(biāo)系不一致和偏移等空間數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、重繪，以及屬性信息關(guān)聯(lián)完善，建立地理空間數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行矢量標(biāo)繪及上圖。在地圖上標(biāo)繪河道控制線、保護(hù)區(qū)、保留區(qū)及開發(fā)利用區(qū)等范圍，明確岸線利用項目涉及的區(qū)域是否侵占河道，是否影響河流防洪、供水、航運(yùn)安全及水生態(tài)環(huán)境等，為河湖清違整治、岸線利用管理提供可靠依據(jù)。岸線標(biāo)繪上圖技術(shù)流程如圖 1 所示。

圖 1 岸線標(biāo)繪上圖技術(shù)流程

1.4 建立河湖問題清單

問題清單是河湖信息化管理的一個基本環(huán)節(jié)，包含問題序號、河流河段名稱、所在市縣鄉(xiāng)村、所在岸別和河道位置、問題點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、河段編碼，以及對應(yīng)的三級河長姓名職務(wù)、問題類型、定性描述、定量描述等信息。為掌握河湖現(xiàn)狀及明確責(zé)任劃分，將各市縣河長辦日常巡河及專項行動發(fā)現(xiàn)的問題，梳理形成違法主體明確、工作量清晰、責(zé)任可追溯的問題清單，錄入河長制湖長制管理信息系統(tǒng)，并提供現(xiàn)場問題照片，建立臺賬，構(gòu)建問題整改銷號可視化管理平臺。落實(shí)清單制 + 責(zé)任制，能夠明確整治標(biāo)準(zhǔn)，制定專項方案、具體措施和進(jìn)度安排，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的高效監(jiān)管和治理。

1.5 衛(wèi)星遙感影像獲取及處理

全省河道地域分布廣、覆蓋范圍大、個別地方交通條件差、開發(fā)建設(shè)項目繁雜，傳統(tǒng)地面人工巡視和監(jiān)管的工作量大，效果不佳，對破壞性建設(shè)等情況無法及時發(fā)現(xiàn)和監(jiān)督。遙感作為一種綜合對地觀測技術(shù)[4]，具有監(jiān)測范圍大、獲取信息速度快、周期短、受條件限制少、信息量大等優(yōu)勢[5]，能夠彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)測方法定時定點(diǎn)的不足，提供多時相、多尺度、快速、宏觀、動態(tài)的數(shù)據(jù)，客觀全面地反映河湖治理現(xiàn)狀，跟蹤評價河道整治成效。

近年來，高分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星快速發(fā)展，綜合使用高分 1，2，6 號及資源 3 號衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，對劃定的河湖管理范圍進(jìn)行監(jiān)測，建立岸線遙感監(jiān)測底片。針對不同空間分辨率、不同波段組合的遙感數(shù)據(jù)，利用全自動分布式數(shù)據(jù)處理平臺——超算平臺對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何糾正、正射校正、融合、拼接、勻光勻色等處理，制作河湖正射影像圖，數(shù)據(jù)處理流程如圖 2 所示。遙感影像可認(rèn)為是光源與地物卷積的結(jié)果（卷積數(shù)學(xué)定義如公式 1），因此，研發(fā)面向?qū)ο蠓指詈蜕疃葘W(xué)習(xí)結(jié)合的河湖岸線違建提取算法，創(chuàng)新性探索卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Convolutional Neural Networks，CNN）[6]用于建筑物和大棚的提取，模型實(shí)現(xiàn)過程如圖 3 所示，提取結(jié)果如圖 4 所示。利用該方法對監(jiān)測范圍內(nèi)的地物進(jìn)行快速提取，包括河湖違建、侵占灘地、違法養(yǎng)殖、非法采砂等信息，并對結(jié)果進(jìn)行人工目視修正，必要時進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核，最終形成遙感監(jiān)測疑似問題清單。

式中：x = 0，1，2，…，M - 1；y = 0，1，2，…，N - 1。

圖 3 中，Data 為高分辨率遙感影像滑動窗口數(shù)據(jù)；Conv 為卷積層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；Pool 為池化層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；Relu 為激活層結(jié)構(gòu)；Norm 為局部響應(yīng)規(guī)范化層結(jié)構(gòu)；Dropout 為隨機(jī)屏蔽層；FC 為全連接層；Output 為目標(biāo)的預(yù)測值。

圖 2 正射影像圖生產(chǎn)流程

圖 3 CNN 深度學(xué)習(xí)模型過程

圖 4 人工智能（深度學(xué)習(xí)）提取結(jié)果

2 破除信息壁壘，強(qiáng)化資源共享共用

2.1 整合水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)涵蓋不同部門，由于銜接環(huán)節(jié)不完善，導(dǎo)致信息資源共享程度低，難以滿足業(yè)務(wù)協(xié)同需求。河長制湖長制系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分考慮業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展需要，擴(kuò)展應(yīng)用范圍，深度開發(fā)應(yīng)用信息資源。山東省通過水利數(shù)據(jù)中心，完成水利普查、水文、防汛、水資源、農(nóng)村飲水等業(yè)務(wù)信息整合，實(shí)現(xiàn)已有水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在出入口上的一數(shù)一源和資源共享，提升整體業(yè)務(wù)支撐能力，為河湖長制管理信息系統(tǒng)提供較為完備的基礎(chǔ)水利數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.2 整合省市縣三級資源

堅持行業(yè)內(nèi)上下級資源共享的原則，集成所有基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，信息互聯(lián)互通。各市縣建立的地面視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)拥赖暮用?、重要水利工程、水文水質(zhì)監(jiān)測站、碼頭、主要排水口、違法高發(fā)區(qū)域、垃圾堆放點(diǎn)等重要區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并對偷排偷放的違法行為進(jìn)行抓拍，在一些重要監(jiān)控點(diǎn)獲取高清晰度的監(jiān)控畫面。將市、縣級視頻資源接入至系統(tǒng)的視頻監(jiān)控平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)省、市、縣三級視頻資源整合，進(jìn)一步豐富和完善河湖地面視頻監(jiān)控體系，避免重復(fù)建設(shè)。

2.3 數(shù)據(jù)及應(yīng)用上下一體

為避免分散建設(shè)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、低水平重復(fù)開發(fā)，2017 年 10 月 25 日，山東省河長制辦公室印發(fā)《山東省河長制湖長制管理信息系統(tǒng)技術(shù)要求》，明確河長制湖長制管理信息系統(tǒng)采用“統(tǒng)一開發(fā)、兩級部署”的建設(shè)模式，構(gòu)建省、市兩級管理平臺，統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換與功能分發(fā)，實(shí)現(xiàn)國家、省、市、縣、鄉(xiāng)、村河湖管理向下通透，數(shù)據(jù)上下一致，功能聯(lián)合分發(fā)，事件協(xié)同辦理。加強(qiáng)組織協(xié)調(diào)，督促相關(guān)部門單位按照職責(zé)分工，落實(shí)責(zé)任，密切配合，共同推進(jìn)河湖管理保護(hù)工作。

2.4 強(qiáng)化行業(yè)間資源共享

河湖管理保護(hù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及上下游、左右岸、不同行政區(qū)域和行業(yè)，山東省水利廳與自然資源、生態(tài)環(huán)境等 15 個部門實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對接，獲得數(shù)據(jù) 148 項，促進(jìn)了跨部門業(yè)務(wù)協(xié)作與資源共享，共同維護(hù)河湖環(huán)境。如將河湖岸線數(shù)據(jù)與自然資源廳相關(guān)數(shù)據(jù)一一印證和校對，確保劃界數(shù)據(jù)的權(quán)威性和準(zhǔn)確性，為開展水域岸線管理范圍監(jiān)管監(jiān)控提供堅實(shí)基礎(chǔ)，并協(xié)同開展岸線保護(hù)范圍內(nèi)基本農(nóng)田數(shù)量統(tǒng)計。

3 天空地協(xié)同，助力河湖精準(zhǔn)監(jiān)管

3.1 天空地協(xié)同巡查

傳統(tǒng)的地面巡查方式，由于數(shù)據(jù)來源單一，監(jiān)測點(diǎn)有限，其結(jié)果缺乏可靠性和全面性，利用先進(jìn)的衛(wèi)星遙感和無人機(jī)技術(shù)，構(gòu)建全省河湖天空地一體化的立體監(jiān)管體系，不僅能實(shí)現(xiàn)全省大范圍監(jiān)測，還可以對重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)域和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)重點(diǎn)監(jiān)管。河長河管員通過手機(jī)端 App 上報巡查發(fā)現(xiàn)問題，各級河長辦公室也可將之前統(tǒng)一排查的問題通過清違整治管理模塊自動上報，系統(tǒng)可將不同渠道獲取的問題自動錄入河湖問題清單，問題概況、責(zé)任河長、整改狀態(tài)等均做到實(shí)時顯示。將衛(wèi)星遙感和無人機(jī)航拍攝影獲取的問題，形成疑似違章、違法、違占報告清單，錄入河長制管理信息系統(tǒng)遙感監(jiān)測專題庫，通過天空地協(xié)同巡查，初步構(gòu)建河湖全面問題清單。

3.2 天空地綜合比對

基于衛(wèi)星遙感、無人機(jī)監(jiān)測和地面巡查，分別形成遙感監(jiān)測疑似和上報問題清單。衛(wèi)星遙感監(jiān)測范圍廣，但受影像分辨率的限制，對于亂排、亂堆等較小目標(biāo)識別不出，無人機(jī)航拍可以獲取厘米級影像，識別精度高，但監(jiān)測區(qū)域不受管理范圍線約束，無法明確問題是否侵占河道。因此，將衛(wèi)星影像與無人機(jī)航拍監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的疑似問題同河長河管員日常巡查、河長辦公室集中上報的問題進(jìn)行比對，互相印證和補(bǔ)充。通過問題比對，屬于同一個問題的系統(tǒng)自動進(jìn)行歸并；對遙感發(fā)現(xiàn)的新問題發(fā)送到各級河長辦進(jìn)行核實(shí)，核實(shí)無誤的進(jìn)入問題清單，并記錄為漏報問題。通過遙感定期監(jiān)測與地面日常巡查的相互補(bǔ)充，完善全省河湖問題清單。

3.3 天空地聯(lián)合校核

河湖經(jīng)過專項專人的治理之后，對于成果的復(fù)核和后期的監(jiān)督評價同樣是一項復(fù)雜的工作。無人機(jī)具有可操控性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠提供高清視頻和正射影像等航測數(shù)據(jù)產(chǎn)品，局部范圍內(nèi)可以獲得精度高于 0.05 m 的實(shí)時影像，在河湖動態(tài)監(jiān)管和日常巡查等方面發(fā)揮巨大作用。對于重點(diǎn)關(guān)注、地形復(fù)雜等區(qū)域，采用無人機(jī)暗訪獲取高精度的航拍影像和視頻資料，對巡查發(fā)現(xiàn)情況進(jìn)行核實(shí)和確認(rèn)，可節(jié)省人力物力財力，減少誤判錯判，并有效提高監(jiān)測效率。檢查組、暗訪組等可通過系統(tǒng)進(jìn)行問題復(fù)核，將發(fā)現(xiàn)的新增、漏報、整改不到位等問題，通過巡河 App 與系統(tǒng)實(shí)施人機(jī)交互，動態(tài)監(jiān)督工作進(jìn)展。

4 完善閉環(huán)管理機(jī)制，監(jiān)管模式成效顯著

基于河長制湖長制管理信息系統(tǒng)，綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感比對、無人機(jī)核查、視頻監(jiān)控、河長巡查等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對河湖全面、精準(zhǔn)的掌握，閉環(huán)管理如圖 5 所示。系統(tǒng)將落實(shí)后的問題進(jìn)行自動派發(fā)、全程跟蹤，實(shí)現(xiàn)信息之間無障礙流轉(zhuǎn)、查閱、督辦；實(shí)時查看辦理過程，對未銷號的問題進(jìn)行提醒督辦；對已銷號的問題進(jìn)行核查，通過銷號前后照片比對，確保問題達(dá)到銷號標(biāo)準(zhǔn)。山東省初步構(gòu)建了協(xié)同發(fā)現(xiàn)、遙感分析、跟蹤復(fù)核、閉環(huán)解決的問題監(jiān)管模式，為河湖精準(zhǔn)監(jiān)管提供了強(qiáng)有力的支撐保障。

圖 5 天空地一體化閉環(huán)管理

2019 年以來，利用覆蓋全省河湖的多源高分辨率衛(wèi)星影像和無人機(jī)數(shù)據(jù)對省級重要河湖、市級重要河流開展了 4 次水域岸線違章監(jiān)測。水域岸線數(shù)據(jù)處理及遙感動態(tài)監(jiān)測項目，基于河道劃界管理范圍，聯(lián)合“天—空”遙感技術(shù)，以 2019 年 1 和 2 月影像監(jiān)測河湖亂占、亂采、亂堆、亂建、亂排問題，第 1 次排查出 14 條省級河湖存在問題 1 581 處，第 2 次排查出 14 條省級河湖、48 條市級河流存在問題 3 207 處。省級重要河湖、市級重要河流水域岸線監(jiān)測項目，以 2019 年 4 和 6 月影像對全省1.6 萬余個河湖清違整治點(diǎn)進(jìn)行篩選與監(jiān)測，同時動態(tài)監(jiān)控流域面積 1 000 km2以上河流新增問題，重點(diǎn)對河湖違建、侵占灘地、違法養(yǎng)殖、違法采砂、涉水建設(shè)項目等進(jìn)行快速提取，共發(fā)現(xiàn)存在問題1 067 處。將 4 次遙感監(jiān)測形成的問題清單導(dǎo)入山東省河長制湖長制管理信息系統(tǒng)，并下發(fā)至各地市河長辦進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核，核實(shí)無誤的問題歸并為新增漏報，合法問題需提供依據(jù)進(jìn)行審核銷號，實(shí)現(xiàn)了河湖問題精準(zhǔn)監(jiān)管及信息化調(diào)度。

5 結(jié)語

山東省在全面推進(jìn)河長制工作中，基于管理現(xiàn)狀及具體需求，以“互聯(lián)網(wǎng) +”為載體，建成河長制湖長制管理信息系統(tǒng)，完善基礎(chǔ)信息，強(qiáng)化資源共享，并探索先進(jìn)技術(shù)與河長制工作的切合點(diǎn)，利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航拍、視頻監(jiān)控等，構(gòu)建了天空地一體化立體監(jiān)測體系，助力河湖精準(zhǔn)監(jiān)管，取得顯著成效。但仍存在相關(guān)問題審核標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范、遙感監(jiān)測時效性有待提高、河湖監(jiān)測尚未實(shí)現(xiàn)全覆蓋等不足。針對上述問題，2019 年將實(shí)現(xiàn)對全省197 條省市級河流的遙感監(jiān)測全覆蓋，為清河、河湖清四亂等行動，提供堅實(shí)的技術(shù)支撐，協(xié)助全面核查整治河湖管理范圍內(nèi)存在的漏查漏報、新增反彈，以及整改標(biāo)準(zhǔn)不高等涉河湖各類違法行為，實(shí)現(xiàn)問題全清零；完善河長制湖長制管理信息系統(tǒng)各功能模塊，助力河長湖長日常工作；充分利用先進(jìn)技術(shù)，探索河湖水質(zhì)監(jiān)測、城市污水監(jiān)測等研究，提高河長制工作效率，更好地推進(jìn)水利信息化工作。