張曉斌，喬 祺，石 林

（1.湖南省洞庭湖水利事務(wù)中心，湖南 長沙410007；2.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙410007）

自湖南省實(shí)施河長制以來，省委、省政府將全面推行河長制湖長制納入生態(tài)強(qiáng)省、建設(shè)美麗富饒新湖南的重要內(nèi)容，全省各地以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導(dǎo)向，水資源管理不斷加強(qiáng)，水環(huán)境質(zhì)量不斷優(yōu)化，河湖管護(hù)機(jī)制日趨健全，河湖管理工作取得了階段性勝利。

但近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，資源環(huán)境可持續(xù)利用壓力日趨增大，河湖管理已演變?yōu)槎嘁蛩?、多方位、多視角、多主體的復(fù)雜問題。設(shè)立監(jiān)測站、建立測報系統(tǒng)、定期巡邏等傳統(tǒng)措施存在著信息傳輸發(fā)布不及時、人力物力消耗大、分析方法簡單粗略、各區(qū)域連通性差、缺乏智能的決策方法等弊端，已不能滿足新形勢下河湖管理需求，必須依靠各種科技手段，并統(tǒng)一統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)規(guī)劃、配合運(yùn)用，完善基礎(chǔ)設(shè)施體系與制度建設(shè)，實(shí)現(xiàn)河湖水系各類特征數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計、分析、展示、上傳等功能，全面支撐河湖要素的全面感知與及時預(yù)警。

本文以遙感技術(shù)與無人機(jī)為例，探討兩者在湖南省河湖管理中的綜合應(yīng)用，為提升湖南省河湖管理信息化與智能化提供應(yīng)用實(shí)例。

1 遙感技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)簡介

1.1 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)是指從高空或外層空間接收來自各類地物發(fā)出的電磁波信息，并利用一定手段對這些信息進(jìn)行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對各類地物或現(xiàn)象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控測和識別的現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)[1]。

遙感技術(shù)受限條件少，可大范圍獲取數(shù)據(jù)資料且不受地形地物阻隔的影響，它不僅能獲得地物可見光波段的信息，還能獲得紫外、紅外、微波等波段的信息[2]。遙感通常為瞬時成像，及時獲取所測目標(biāo)物的最新資料，便于動態(tài)監(jiān)測目標(biāo)地物的變化規(guī)律過程及規(guī)律。遙感技術(shù)提供了大量實(shí)時、動態(tài)、快速、廉價的地理信息，為各種自然、社會現(xiàn)象及其分布規(guī)律的研究帶來了“質(zhì)”的改變。

1.2 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)是一種無人駕駛飛行器，不與目標(biāo)地面物體直接接觸[3]。無人機(jī)技術(shù)最早用于軍事領(lǐng)域，后來逐漸演化并用于各類測量、研究、生產(chǎn)等民用領(lǐng)域。無人機(jī)系統(tǒng)主要由三個方面組成：飛機(jī)飛行平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及地面控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比能夠基本克服交通不暢、惡劣天氣等不利因素，既可以利用自身高視角寬尺度的飛行和機(jī)載遙感設(shè)備來進(jìn)行地面拍攝，又可以借助其靈活機(jī)動等特點(diǎn)結(jié)合相關(guān)技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的快速實(shí)時傳輸和后期局部數(shù)據(jù)建模分析，且操作相對簡單，成本更加低廉，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)措施消耗大、效率低、精度差等不足。

2 水利工程劃界中的綜合應(yīng)用

2020年3月23日，湖南省水利廳與湖南省自然資源廳發(fā)布了《關(guān)于做好全省水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作的通知》（湘水發(fā)〔2020〕8號），要求在2020年底前基本完成全省國有大中型和重點(diǎn)小型水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作；2021年底前完成其他規(guī)模以上水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作。

在內(nèi)業(yè)作業(yè)時通過收集的水利基本信息、已有大比例尺地形圖資料和衛(wèi)星遙感影像資料，進(jìn)行水利工程的地形和水文分析，通過地形和影像的疊加，制作初步的水利管理與保護(hù)范圍劃線工作底圖。對于缺少大比例尺地形圖或者高分辨率影像資料的地區(qū)，采用無人機(jī)現(xiàn)場航飛的方式獲取測區(qū)范圍DOM影像資料，進(jìn)行工作地圖的制作劃界。本次劃界工作結(jié)合1∶2 000數(shù)字正射影像和1∶2 000數(shù)字線劃圖，制作水利工程管理與保護(hù)范圍劃界的工作底圖。

以郴州市蘇仙區(qū)水利工程劃界工作為例，工作底圖與目前的水利工程現(xiàn)狀有5年的時間間隔，部分水利工程的工程結(jié)構(gòu)及周圍建筑環(huán)境發(fā)生了較大變化。因此，為補(bǔ)充采集水庫管理所的范圍及其布局、庫區(qū)內(nèi)的建筑物和溢洪道等要素信息，采用無人機(jī)結(jié)合現(xiàn)場資料分析的形式，使得水利工程劃界工作成果更為嚴(yán)謹(jǐn)可靠。

通過分析底圖和現(xiàn)在運(yùn)行的水利工程的差異，劃界對象中的雷溪河堤防和水閘、飛天新城堤防均為近幾年實(shí)施的工程（2016年以后），劃界底圖為2014年10月航拍成果，為了明確這些水利工程的管理與保護(hù)范圍線，通過無人機(jī)現(xiàn)場航拍，圖像配準(zhǔn)、幾何校正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等過程，更新了部分工作底圖，更新前后的地圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 更新前的工作底圖

圖3 更新后的工作底圖

此外，通過遙感技術(shù)與GIS技術(shù)配合可建立精確的地理信息系統(tǒng)管理服務(wù)平臺，依靠建設(shè)的水利劃界范圍和保護(hù)范圍數(shù)據(jù)庫以及基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)水利工程管理保護(hù)范圍劃定工作的程序式管理，為建立全省水利信息大數(shù)據(jù)平臺提供支持，有利于對劃界成果實(shí)行信息化動態(tài)管理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)河湖及水利工程現(xiàn)代化管理。

3 “清四亂”中的綜合應(yīng)用

河湖管理中的“四亂”指亂占、亂采、亂堆、亂建四類[4]。實(shí)施“河長制”之前的河湖水域監(jiān)管，主要采用人工巡查、督查、測量、群眾舉報等傳統(tǒng)方式，準(zhǔn)確性難以保證，效率低且人力成本較高，違法占用水域現(xiàn)象時有發(fā)生，很難滿足現(xiàn)代管控的需求。

高分辨率遙感影像通過處理生成正射影像，再經(jīng)過預(yù)處理，消除或減弱噪聲和尖銳性噪聲，采用數(shù)值微分糾正等方法進(jìn)行正射校正、信息增強(qiáng)、融合、鑲嵌等處理。

目前河湖“四亂”問題可采用人工目視解譯、計算機(jī)解譯以及兩者結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)[5]。人工目視解譯需根據(jù)水體光譜特性與其它地物的差異，對河湖管理保護(hù)范圍內(nèi)存在的亂占、亂采、亂堆、亂建問題識別出來。該方法對解譯人員的綜合素質(zhì)和解譯經(jīng)驗(yàn)要求較高，人力資源消耗大且效率較低，但解譯精度較高。計算機(jī)解譯是基于遙感影像算法的自動識別方法，首先建立訓(xùn)練樣本庫，然后采用光譜特性分析方法進(jìn)行算法解譯。“清四亂”工作采用人工解譯與計算機(jī)相結(jié)合的方式，在計算機(jī)輔助解譯的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工目視解譯，既可大大提高解譯效率，又能對地物反射特性復(fù)雜的區(qū)域，進(jìn)行人工甄別，避免誤判，保證解譯精度。

對已收集到的影像進(jìn)行整理匯總分析，按照“四亂”分類，建立遙感信息數(shù)據(jù)庫名錄，精確顯示每個問題“四亂”的類型、位置、面積及所屬管轄單位（河段）信息，描述問題區(qū)域的動態(tài)變化信息。再根據(jù)區(qū)域地形、水文、植被情況、水體利用現(xiàn)狀等特征信息，建立典型地物解譯標(biāo)志，最終通過外業(yè)調(diào)查，對遙感發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行一一驗(yàn)證。同一地點(diǎn)亂建民房問題遙感解譯圖片與現(xiàn)場核實(shí)如圖4、圖5所示。

圖4 亂建問題遙感解譯

圖5 亂建問題現(xiàn)場核查

2019年湖南省水利廳河湖管理處組織了開展“四亂”問題的衛(wèi)星遙感核查工作，并于2019年4—5月分三批向各市州交辦遙感發(fā)現(xiàn)疑似河湖“四亂”問題1 258個，經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)，確認(rèn)540個問題屬實(shí)。

4 河長巡河中的綜合應(yīng)用

傳統(tǒng)的人力巡河方式，由于行程和時間受限，數(shù)據(jù)采集不夠，巡河結(jié)果往往缺乏全面性與科學(xué)性，利用無人機(jī)與衛(wèi)星遙感影相互輔助與配合，構(gòu)建立體化監(jiān)控體系，不僅能為河長巡河提供極大的便利，還能對敏感區(qū)域和重點(diǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化智能監(jiān)管。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測范圍廣，獲取信息全面，但受時效性與解譯成本限制，遙感技術(shù)對于亂排、亂堆等較小目標(biāo)，可能無法準(zhǔn)確實(shí)時監(jiān)測，這種情況下應(yīng)充分利用無人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢。

目前，無人機(jī)巡河已成為河湖管理的重要趨勢。無人機(jī)巡河有兩大優(yōu)勢：一是提高巡河效率，規(guī)避可能發(fā)生的風(fēng)險，通過機(jī)器的輔助真正達(dá)成巡河全覆蓋。針對違法捕魚、非法采砂等行為，體積小、速度快、隱蔽強(qiáng)的無人機(jī)可以提供有效、實(shí)時的現(xiàn)場偵查和取證，對破壞河流生態(tài)健康的行為形成有力震懾。二是生成河流數(shù)據(jù)庫，專業(yè)測繪無人機(jī)在巡河的同時，開展全河段適航掃描，生成含有匹配Pos數(shù)據(jù)的DOM影像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可以搭建河湖問題信息數(shù)據(jù)庫。

河長巡河過程中，利用無人機(jī)獲取河道高清視頻和全景圖片，可有效進(jìn)行污染源、排污口、非法占用河道建筑物、水面及岸線垃圾等排查，提取監(jiān)測對象的地理位置、特征坐標(biāo)、視頻、全景等數(shù)據(jù)，并上傳至湖南省河長制湖長制工作綜合管理信息系統(tǒng)，初步形成疑似問題清單。無人機(jī)巡河拍攝圖片如圖6、圖7所示。

巡河結(jié)束后，結(jié)合衛(wèi)星遙感影像對問題進(jìn)行深度識別。通過不同時期遙感影像對比，收集河岸帶變化、水域面積變化、水體污染等信息，數(shù)字化解析問題發(fā)生前、中、后的全時間序列，深入、全面地了解非法行為實(shí)施的全過程，追根溯源最大程度地剖析問題，為行政執(zhí)法提供便利。

將遙感影像與無人機(jī)巡查發(fā)現(xiàn)的疑似問題與河長、河湖管理部門日常巡查發(fā)現(xiàn)上報的問題進(jìn)行比對，互相驗(yàn)證和補(bǔ)充。通過問題比對與核實(shí)，完善全省河湖問題清單。為河湖管理相關(guān)管理部門提供宏觀輔助決策支持，較于傳統(tǒng)方法，河湖管控效率有了大幅提升。

圖6 無人機(jī)巡河拍攝圖片（a）

圖7 無人機(jī)巡河拍攝圖片（b）

5 結(jié)論

本文立足于現(xiàn)代科技手段在湖南省河湖管理中的應(yīng)用，以遙感技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)為例，發(fā)揮其各自特點(diǎn)及優(yōu)勢，相互輔助與配合，打造了現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)在河湖管理綜合應(yīng)用的范例，為提升湖南省河湖管理效率、加快“河長制”信息化與現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)全省科技治水管水提供參考。

資助項目：“河長制”背景下的河湖管理實(shí)用技術(shù)研究（湘水科計[2017]230-31）。