鄭瑤瑤 ，周 斌 ，林嘉怡 ，陳東亮

（1.杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州 311121；2.浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121；3.杭州九問數(shù)字科技有限公司，浙江 杭州 311202）

1 問題的提出

近幾十年，我國快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來的資源能源消耗不斷增長，城市環(huán)境問題越來越突出[1-2]，河道水質(zhì)的普遍惡化對(duì)人類健康及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅[3]。為促進(jìn)水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水環(huán)境承載能力相協(xié)調(diào)，2016年12月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推行河長制的意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》），標(biāo)志著探索近10 a的河長制從原來面對(duì)太湖藍(lán)藻危機(jī)的應(yīng)急之策上升為國家意志[4]?！兑庖姟分幸笕娼⑹?、市、縣、鄉(xiāng)4級(jí)河長體系，并明確河長的主要任務(wù)為：加強(qiáng)水資源保護(hù)、加強(qiáng)河湖水域岸線管理保護(hù)、加強(qiáng)水污染防治、加強(qiáng)水環(huán)境治理、加強(qiáng)水生態(tài)修復(fù)、加強(qiáng)執(zhí)法監(jiān)管。各地區(qū)政府積極響應(yīng)中央號(hào)召，于2018年6月底前全部建立河長制。通過各級(jí)河長積極行動(dòng)，河湖治理初見成效[5]，但在河長制運(yùn)行過程中，也暴露一些問題。在河長層面，其主要依靠自身的行政地位進(jìn)行相關(guān)水環(huán)境管理工作，專業(yè)知識(shí)不完備，例如僅能從主觀上目視判斷水質(zhì)水環(huán)境，在一定程度上影響了決策的有效性和科學(xué)性[6]，且河長的巡河、數(shù)據(jù)填報(bào)的頻率高、任務(wù)重[7]。在跨區(qū)域管理層面，河流水環(huán)境治理往往涉及多個(gè)區(qū)域，而由于各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和利益需求不同，導(dǎo)致其對(duì)水環(huán)境治理的著重點(diǎn)也不同，區(qū)域組織協(xié)調(diào)作用弱，類似“上游污染、下游治理”的現(xiàn)象仍然存在[8]。從河長制的全面推行到全面見效需要各方共同努力。部分學(xué)者對(duì)河長制進(jìn)行制度、機(jī)制以及思想層面的探索性研究，并提出相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策[9-11]。也有部分學(xué)者在技術(shù)層面對(duì)河長制的長效、高效發(fā)展提出可行方案。林順海等[12]在分析無人機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討無人機(jī)在河長制工作中的具體應(yīng)用。陳黎等[13]提出基于無人機(jī)技術(shù)的岸線監(jiān)管，并于廣東省一村級(jí)河段開展實(shí)際應(yīng)用。張曦等[14]提出基于遙感的水域岸線目標(biāo)變化檢測(cè)方法，利用衛(wèi)星遙感協(xié)助水域岸線管護(hù)及河長工作成效量化分析工作。閻雨[15]、呂玉鳳等[16]結(jié)合河長制的6大主要任務(wù)，研究衛(wèi)星遙感在輔助河長制工作開展中的作用。但目前綜合利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)等各種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而支撐將河長制的制度優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為水環(huán)境治理效能的研究較少。

2 巡河監(jiān)測(cè)技術(shù)

在河長制工作中，各地因地制宜，出臺(tái)相關(guān)方案意見，組織實(shí)施具體工作。在工作開展過程中，各級(jí)河長主要依靠人工巡河發(fā)現(xiàn)問題。而人工巡河費(fèi)時(shí)耗力，且巡河效率較低；對(duì)于巡河頻次要求最高的村級(jí)河道，還存在道路不通、沿岸植被遮擋等問題。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)已被運(yùn)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中。無人機(jī)及衛(wèi)星以其特殊的空天視角，能實(shí)現(xiàn)全面無死角的巡河工作，但由于空間分辨率、時(shí)間分辨率等限制因素，單一的監(jiān)測(cè)手段難以監(jiān)測(cè)不同河段的全部問題，無法完全替代人工巡河工作。結(jié)合不同監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)（見表1），進(jìn)行多源手段的協(xié)同監(jiān)測(cè)將最大程度發(fā)揮河長制的優(yōu)勢(shì)。

表1 不同類型的巡河技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比表

3 空天地協(xié)同的城市河道遙感監(jiān)測(cè)方案

結(jié)合衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、無人船、視頻監(jiān)控等技術(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)建空天地一體化的河道監(jiān)管方案（見圖1），用科技推動(dòng)河長制從“有名”到“有實(shí)”，從“全面建立”到“全面見效”的 轉(zhuǎn)變。

圖1 空天地協(xié)同城市河道遙感監(jiān)測(cè)框架體系圖

3.1 水資源調(diào)查保護(hù)

隨著人口的快速增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源需求量不斷加大，水資源將成為制約區(qū)域發(fā)展的重要因素。水資源調(diào)查保護(hù)可以為水資源綜合利用提供一定參考和依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù) 利用。

目前，河道水資源調(diào)查主要基于水文站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理和方法，通過水文分析計(jì)算得到水量。有限且不均勻分布的水文站點(diǎn)在一定程度上限制了水量的精確計(jì)算。

衛(wèi)星遙感和無人機(jī)遙感影像經(jīng)過預(yù)處理可自動(dòng)提取水體的面積、位置等屬性。對(duì)于大范圍水域調(diào)查，可以選擇中高分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像鑲嵌獲得覆蓋全流域的10～30 m分辨率影像數(shù)據(jù)。對(duì)于小范圍水域調(diào)查，基于國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過正射校正、圖像融合、圖像鑲嵌等影像預(yù)處理，獲得覆蓋全流域的1～2 m分辨率影像數(shù)據(jù)。利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）提取水體信息，生成水域分布圖，計(jì)算面積等屬性。

在河道面積遙感調(diào)查和無人船河道水下地形測(cè)量的基礎(chǔ)上，計(jì)算可得到區(qū)域地表水資源總量。同時(shí)結(jié)合多角度無人機(jī)立體測(cè)繪，可構(gòu)建河道的數(shù)字化四維展示。

3.2 水質(zhì)及水污染監(jiān)測(cè)

水質(zhì)及水污染監(jiān)測(cè)是水生態(tài)文明建設(shè)的主要工作之一，可為水環(huán)境管理、污染源控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來，在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)站發(fā)展比較快，該監(jiān)測(cè)技術(shù)可以較短的時(shí)間間隔測(cè)量水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，但由于硬件投入較大、需要經(jīng)常維護(hù)、點(diǎn)位分布有限等原因，不適宜開展大范圍監(jiān)測(cè)，不易捕捉污染物的空間分布特征。與在線監(jiān)測(cè)不同，衛(wèi)星遙感可以低成本、快速、大范圍監(jiān)測(cè)地表水體水質(zhì)，便于發(fā)現(xiàn)污染物的時(shí)空分布特征和遷移規(guī)律，是地表水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要補(bǔ)充。

在無人船實(shí)測(cè)得到水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感影像光譜信息構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)模型，利用高光譜無人機(jī)/高光譜衛(wèi)星遙感影像，對(duì)全流域河道水質(zhì)分布情況開展遙感監(jiān)測(cè)，形成河道水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分布信息。

在重點(diǎn)流域，利用無人船開展常態(tài)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)。在重點(diǎn)入河排污口附近可安裝監(jiān)控，并可在夜間使用搭載熱成像設(shè)備載荷的無人機(jī)進(jìn)行污水熱排放識(shí)別，打擊污水亂排、偷排等行為。

3.3 水域岸線管理保護(hù)

水污染雖然發(fā)生在河道中，但歸根結(jié)底是岸邊的原因。多年來，我國一直重視水污染防治工作，但點(diǎn)源、面源、內(nèi)源等水污染卻頻頻出現(xiàn)。雖然出臺(tái)相關(guān)政策法規(guī)，嚴(yán)禁以各種名義侵占河道、圍墾湖泊、非法采砂、亂占濫用岸線，但由于監(jiān)管不及時(shí)、不到位，體系不健全等問題，相關(guān)違規(guī)違法行為屢禁不止，河湖水域岸線生態(tài)功能屢遭破壞，岸線監(jiān)管能力亟待提高。

對(duì)于省市級(jí)河道，可對(duì)比多時(shí)相中高分辨率遙感影像，發(fā)現(xiàn)水域岸線動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)可對(duì)全流域范圍的土地利用/覆蓋狀況進(jìn)行年度遙感監(jiān)測(cè)，獲取岸線周邊的耕地、林地、居住用地等規(guī)模及其變化信息。

而對(duì)縣鄉(xiāng)級(jí)河道而言，遙感影像的成本過高，且對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，并不適用于日常河道監(jiān)測(cè)和管理。相較于衛(wèi)星遙感，無人機(jī)遙感具有成本低、操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、高時(shí)空分辨率、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)亂占濫用岸線等問題。

在重點(diǎn)水域岸線周圍，可安裝視頻監(jiān)控，進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)管理。

4 實(shí)際案例

浙江省是最早探索河長制管理的省份之一，歷屆省委、省政府對(duì)治水工作高度重視。河長制成為國家水環(huán)境治理的重要舉措后，浙江省積極推動(dòng)河長制向縱深發(fā)展，對(duì)水環(huán)境進(jìn)行長效整治。作為浙江省杭州市和紹興市兩地的母親河、浙東引水樞紐工程主干通道，西小江水環(huán)境治理工作也是浙江省治水工作的重要組成部分。西小江北岸的杭州市蕭山區(qū)對(duì)各級(jí)河長巡查力度作出規(guī)定，區(qū)級(jí)河長不少于半月1次，鎮(zhèn)街級(jí)河長不少于每旬1次，村級(jí)河長不少于每周1次；并借助“杭州河道水質(zhì)”和“智慧河道云平臺(tái)”APP打造河長制管理信息化透明化。西小江南岸的紹興市柯橋區(qū)已全面落實(shí)區(qū)級(jí)河長半月一巡，鎮(zhèn)級(jí)河長一周一巡，村級(jí)河長一周兩巡，對(duì)重點(diǎn)河道加密巡查頻次的巡查機(jī)制。但由于西小江位于杭州、紹興2市交界，河湖管理體制存在各自為政的跨界難題。為促進(jìn)上下游、左右岸機(jī)制聯(lián)動(dòng)、資源共享，促進(jìn)全流域水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，2020年8月，杭州、紹興2市正式開啟杭甬運(yùn)河（西小江）“流域共治”模式。為真正做到統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一防治，“流域共治”不能僅僅依靠“人治”，還要依靠科技支撐，讓科技為新模式賦能。

4.1 研究區(qū)域概況

西小江呈西南—東北流向，始于杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)新壩，流經(jīng)義橋鎮(zhèn)、臨浦鎮(zhèn)、所前鎮(zhèn)、新塘街道、衙前鎮(zhèn)，止于蕭山區(qū)衙前鎮(zhèn)與紹興市柯橋區(qū)錢清鎮(zhèn)交界處，全長33.7 km，江面平均寬度94 m，根據(jù)其流經(jīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，河道被分為5個(gè)河段（見圖2、表2）。西小江流域支流眾多，南側(cè)通過新壩河等支流與浦陽江、進(jìn)化溪相接，北側(cè)通過南門江等支流與官河、北塘河溝通，同時(shí)依靠蕭紹老海塘上的節(jié)制閘與南沙平原的河網(wǎng)溝通。

圖2 西小江地理位置圖

表2 西小江河段明細(xì)表

4.2 遙感監(jiān)測(cè)方案

（1）水資源調(diào)查保護(hù)：本研究使用的遙感影像數(shù)據(jù)為歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下載的Sentinel-2影像，影像獲取時(shí)間為2020年8月16日。下載的數(shù)據(jù)級(jí)別為經(jīng)過正射校正、幾何精校正和大氣校正的大氣底層反射率數(shù)據(jù)。在歐空局提供的SNAP軟件中通過最鄰近插值法將Sentinel-2 L2A級(jí)影像數(shù)據(jù)所有波段重采樣至10 m，并導(dǎo)出為ENVI格式。在ENVI 5.3中計(jì)算改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI），確定閾值提取水域并處理得到河道邊界矢量數(shù)據(jù)。最后計(jì)算得到西小江河道面積為2.43 km2。

（2）水污染監(jiān)測(cè)：利用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)衙前段部分河道的航拍巡河，通過合理的航線規(guī)劃，獲得河道的高分辨率視頻，實(shí)現(xiàn)高效率無人機(jī)航拍巡河（主要為衙前段河道）。

無人機(jī)在8 min內(nèi)完成3 000 m距離的巡河工作，工作量相當(dāng)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)河長巡河。相比人工步行巡河，無人機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)道路不通或植被遮擋河段的巡查，實(shí)現(xiàn)全覆蓋、無死角、高效率的河道巡查，且巡河數(shù)據(jù)以視頻形式長期保存，為監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。通過航拍視頻發(fā)現(xiàn)西小江衙前段河道無明顯漂浮物及大面積藻類，河道整體較為整潔干凈。

（3）水質(zhì)監(jiān)測(cè)：利用英國Aquaread公司提供的AP-2000多參數(shù)水質(zhì)傳感器及德國TriOS公司提供的熒光計(jì)系列水質(zhì)分析儀，按照規(guī)劃路徑沿河道中心線進(jìn)行走航式水質(zhì)監(jiān)測(cè)。其中AP-2000多參數(shù)水質(zhì)傳感器攜帶水溫、pH、鹽度（SAL）、濁度（Turbidity）、電導(dǎo)率（EC）、電阻率（RES）、溶解氧（DO）、總?cè)芙夤腆w（TDS）、氧化還原電位（ORP）、氨（NH4）探頭，熒光劑系列水質(zhì)儀包括葉綠素（Chl）、藍(lán)藻（Cyno）、可溶性有機(jī)物（CDOM）熒光計(jì)。

將AP-2000水質(zhì)儀測(cè)得的水質(zhì)數(shù)據(jù)及GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)出，剔除40組異常數(shù)據(jù)后，得到179組可用數(shù)據(jù)。將3個(gè)熒光計(jì)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，剔除229條異常數(shù)據(jù)后，共獲得33 219條數(shù)據(jù)，其中包括8 167條Cyno數(shù)據(jù)、8 315條Chl數(shù)據(jù)和16 737條CDOM數(shù)據(jù)。由于AP-2000水質(zhì)儀的采樣間隔為1 min，而3個(gè)熒光計(jì)的采樣間隔為1 s，所以需要按照時(shí)間將熒光計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，與AP-2000水質(zhì)儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到179組數(shù)據(jù)（見圖3）。

圖3 實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)圖

根據(jù)實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)質(zhì)量，選擇溫度、pH、ORP、DO共4個(gè)參數(shù)，利用Sentinel-2數(shù)據(jù)（見表3）進(jìn)行水質(zhì)反演。所使用的Sentinel-2影像數(shù)據(jù)成像時(shí)間為2020年8月21日，與水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)間同步，來源為歐空局官網(wǎng)。數(shù)據(jù)級(jí)別為經(jīng)過正射校正、幾何精校正和大氣校正的L2A級(jí)數(shù)據(jù)。利用SNAP軟件對(duì)分辨率20 m和60 m的波段進(jìn)行最鄰近法重采樣，得到10 m分辨率的數(shù)據(jù)用于水質(zhì)反演。

表3 Sentinel-2波段信息表

續(xù)表3

溫度、pH、DO遙感反演模型調(diào)整后的決定系數(shù)ΔR2均大于0.4，反演效果較好（見表4）。

表4 各水質(zhì)參數(shù)反演模型摘要表

圖4為西小江河道水質(zhì)參數(shù)空間分布圖。由圖4可知，從上游至下游，西小江水溫總體呈上升趨勢(shì)。西小江由錢塘江水補(bǔ)給，而錢塘江水溫較低，導(dǎo)致西小江水溫西南低、東北高的特征。此外，西小江流域的pH值和DO值由上游至下游總體呈下降趨勢(shì)。全流域的DO值為6.22～8.91 mg/L，符合Ⅰ類～Ⅱ類水體標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）。

（4）水域岸線管理保護(hù)：本研究通過對(duì)2016年5月1日和2020年3月17日的兩景SPOT6影像的目視解譯發(fā)現(xiàn)，西小江河道兩岸500 m范圍內(nèi)，共48個(gè)地塊發(fā)生土地利用類型變化，總變化面積為61.74 hm2，其中由林地、耕地、草地等地物變?yōu)榻ㄖ拿娣e為22.91 hm2，占總變化面積的37%；由裸地、建筑、水體等地物變?yōu)椴莸氐拿娣e為18.22 hm2，占總變化面積的30%；由建筑、草地、裸地等地物變?yōu)樗w的面積為11.23 hm2，占總變化面積的18%。土地利用類型的變化與河長制水域岸線管理保護(hù)工作密切相關(guān)。全面推行河長制后，為營造“水清、流暢、岸綠、景美”的河道水環(huán)境，西小江兩岸絕大部分進(jìn)行砌石護(hù)岸且新建綠化帶，兩岸違章建筑物都得到處理，河道整體面貌有較大改觀。2016—2020年西小江500 m范圍內(nèi)土地利用變化類型及面積見表5。

圖4 西小江河道水質(zhì)參數(shù)空間分布圖

表5 2016—2020年西小江500 m范圍內(nèi)土地利用變化類型及面積表

5 結(jié) 語

黨的十九大將“堅(jiān)持人與自然和諧共生”納入新時(shí)代堅(jiān)持和發(fā)展中國特色社會(huì)主義的基本方略，把“生態(tài)文明建設(shè)”納入“中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)”。作為生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分和基礎(chǔ)工作內(nèi)容，水生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。河長制的全面推進(jìn)在河道管理特別是水資源保護(hù)、水域岸線管理保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)等方面發(fā)揮關(guān)鍵性作用。本研究基于高分衛(wèi)星遙感遙測(cè)、多光譜分析、無人機(jī)遙感、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)，提出空天地協(xié)同的城市河道遙感監(jiān)測(cè)方案，為河長制提供技術(shù)支撐，可有效提高河長制監(jiān)管質(zhì)量和監(jiān)管效率。