賴 杭，鄒顯勇，范光偉，楊 躍，田茂春

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院 智慧水利研究所，廣州 510610；2.華南理工大學 軟件學院，廣州 510006)

1 研究背景

2016—2017年，中央全面深化改革領導小組、中共中央辦公廳和國務院辦公廳相繼印發(fā)了《關于全面推行河長制的意見》和《關于在湖泊實施湖長制的指導意見》，明確提出了加強河湖水域岸線管理保護、加強執(zhí)法監(jiān)管、建立河湖日常監(jiān)管巡查制度等方面的工作要求。

目前，已有不少學者在強化河湖岸線監(jiān)管方面進行了研究。文獻[1]—文獻[4]基于無人機及遙感技術的特點，分析了無人機及遙感技術在河湖岸線監(jiān)管中應用的可行性，提出了相應的應用模式。金晶等[5-6]提出通過無人機三維傾斜攝影、遙感航攝等手段實時高效采集河湖岸線監(jiān)測數(shù)據(jù)，搭建無人機遙感河湖岸線監(jiān)測平臺。同時，針對河湖岸線監(jiān)管效率不高及監(jiān)管手段信息化程度不足等現(xiàn)狀，設計和開發(fā)了河湖岸線監(jiān)測管理系統(tǒng)，為河湖綜合治理提供技術支撐。丁春梅等[7]根據(jù)黑臭水體的特性，選取透明度、溶解氧等監(jiān)測指標，構建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)，為降低河長巡河問題的漏報率，做到及時預警提供了技術支撐。陳鵬等[8]提出應用輿情分析、圖像識別、智能語音交互、知識圖譜等人工智能技術，輔助河長制輿情監(jiān)控、河湖突發(fā)事件監(jiān)控、巡河監(jiān)督等業(yè)務的高效和精細管理，支撐河長制長效管理目標的實現(xiàn)。許靜波[9]利用視頻監(jiān)控搭建水面漂浮物監(jiān)測及估算系統(tǒng)，實現(xiàn)了水面漂浮物信息的數(shù)據(jù)采集、處理和資源共享,為河道的強化管理提供了新思路。還有不少學者[10-12]提出了基于移動端與PC端協(xié)同的河長制信息管理系統(tǒng)，利用PC端系統(tǒng)實現(xiàn)各類信息高效處理，利用移動端實現(xiàn)戶外高效巡河。此外，談廣鳴等[13]提出要研發(fā)河湖水域及岸線動態(tài)監(jiān)管與功能評估技術，構建河湖岸線動態(tài)監(jiān)管模式與服務平臺，為建設生態(tài)岸線、平安岸線提供科技支撐。劉晉高等[14]提出了綜合利用多種監(jiān)管技術手段的河湖岸線智慧監(jiān)管方案，為提高河湖岸線監(jiān)管水平提供了新的思路，但并未介紹方案具體該如何實現(xiàn)。

綜上可知，已有的研究主要集中在單獨利用遙感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術手段進行河湖及岸線監(jiān)管，綜合利用多種監(jiān)管手段進行河湖岸線監(jiān)管的研究較少。在現(xiàn)有的河湖長制工作方案基礎上，如何綜合利用各種監(jiān)管手段，建立有效可持續(xù)的監(jiān)管技術方案，已是水利管理工作者切實關注的問題。本文提出一種綜合利用空、天、地立體監(jiān)管手段進行河湖岸線監(jiān)管的監(jiān)管模式，同時，研究分析了綜合利用空、天、地等監(jiān)管技術存在的關鍵技術問題，并提出相應的解決方法。最后，以廣州市南沙區(qū)為例，設計開發(fā)一套可綜合利用空、天、地等監(jiān)管手段的河湖岸線智慧監(jiān)管平臺，以期為河湖岸線智慧監(jiān)管提供技術支撐，提高河湖岸線監(jiān)管水平。

2 綜合監(jiān)管模式

當前，空、天、地監(jiān)測的技術方法主要有遙感影像解譯、無人機航拍、無人監(jiān)測船、水文水質(zhì)測站和視頻監(jiān)控站等。不同的監(jiān)測方法對應不同的監(jiān)管手段，本文將監(jiān)管手段分成基于遙感監(jiān)測的遙感監(jiān)管、基于現(xiàn)場巡查和無人機航拍的現(xiàn)場監(jiān)管、基于各類測站監(jiān)測的測站監(jiān)管。不同的監(jiān)測手段各有特點，適用于不同的監(jiān)管場景，如表1所示。

表1 監(jiān)測手段特點及適用場景Table 1 Characteristics and application scenarios of monitoring approaches

面對范圍廣、問題類型多、場景復雜的河湖岸線，單獨使用某種監(jiān)測手段難以實現(xiàn)全面高效監(jiān)管，所以，需綜合利用上述監(jiān)管手段，充分發(fā)揮各種監(jiān)管手段的優(yōu)勢，實現(xiàn)河湖岸線的智慧監(jiān)管。本文提出一種將遙感監(jiān)管、現(xiàn)場監(jiān)管、測站監(jiān)管相結(jié)合的監(jiān)管模式。以最常見的岸線侵占監(jiān)管為例，首先，以遙感監(jiān)管為基礎，利用遙感監(jiān)管對岸線進行摸底，通過分析遙感監(jiān)管成果，制定現(xiàn)場監(jiān)管方案；然后，以現(xiàn)場監(jiān)管為補充，結(jié)合無人機及人工巡查對遙感監(jiān)管及測站監(jiān)管發(fā)現(xiàn)的問題進行現(xiàn)場復核及處置；最后，對一些重點問題利用視頻圖像、水文水質(zhì)等測站進行持續(xù)監(jiān)管。監(jiān)管流程如圖1所示。

圖1 綜合監(jiān)管流程Fig.1 Comprehensive supervision process

綜合監(jiān)管中，不同監(jiān)管手段之間的數(shù)據(jù)可以相互驗證、相互補充，提高監(jiān)管的準確性和監(jiān)管效率。在遙感監(jiān)管和測站監(jiān)管間，一方面，通過遙感反演可以獲取河段范圍內(nèi)可能存在的污染點，為測站安裝選址提供參考；另一方面，通過測站監(jiān)測到的水質(zhì)數(shù)據(jù)對遙感反演的結(jié)果進行驗證和率定，不斷優(yōu)化模型，使得遙感反演的結(jié)果更加準確。在遙感監(jiān)管和現(xiàn)場監(jiān)管間，一方面，遙感解譯發(fā)現(xiàn)的問題可以幫助制定現(xiàn)場巡查方案，根據(jù)問題點的數(shù)量、面積、位置提前規(guī)劃好巡查的人數(shù)、路線、要攜帶的設備，當問題點擾動的面積較大時，還可以提前計劃攜帶無人機輔助現(xiàn)場勘察，提高現(xiàn)場監(jiān)管效率，避免盲目巡河；另一方面，現(xiàn)場監(jiān)管除了可以對問題進行處置，還可以對遙感解譯的成果進行復核，排除一些非監(jiān)管問題，如一些地質(zhì)災害導致的擾動。在現(xiàn)場監(jiān)管和測站監(jiān)管間，一方面，現(xiàn)場監(jiān)管可以對測站監(jiān)管的問題進行處置和復核，如水質(zhì)數(shù)據(jù)異常也可能是設備問題導致的；另一方面，測站監(jiān)管可以輕松實現(xiàn)問題點的無人值守，當發(fā)現(xiàn)問題后再派人到現(xiàn)場進行處置，可以提高監(jiān)管效率，減少監(jiān)管工作量。

3 關鍵技術研究

3.1 基于分布式的遙感監(jiān)管技術

遙感技術已被廣泛應用于河湖水域岸線管理保護、水質(zhì)與水污染監(jiān)測。以“四亂”(亂占、亂采、亂堆、亂建)中的岸線侵占為例，利用遙感影像進行監(jiān)管的主要流程如圖2所示。其中，解譯成果綜合分析是將解譯結(jié)果結(jié)合岸線規(guī)劃信息、涉水工程審批信息、測站監(jiān)測信息以及現(xiàn)場巡查信息進行綜合比對，從而判斷某一圖斑是否存在監(jiān)管問題，如是否在岸線保護范圍內(nèi)、是否經(jīng)過審批、是否超出建設范圍等。

圖2 遙感監(jiān)管流程Fig.2 Remote sensing supervision process

遙感監(jiān)管的實現(xiàn)離不開一些關鍵技術的支持。在數(shù)據(jù)管理方面，遙感監(jiān)管離不開海量的遙感影像，對海量遙感影像的高效管理、快速檢索是實現(xiàn)持續(xù)性遙感監(jiān)管的基礎。利用基于分布式數(shù)據(jù)庫的海量遙感影像存儲技術[15-17]可以解決海量遙感影像存儲管理問題。在數(shù)據(jù)訪問方面，遙感影像因為數(shù)據(jù)量大，直接使用幾GB甚至十幾GB的原始數(shù)據(jù)較為困難，利用基于分布式的遙感影像快速切片技術[18-20]可以將遙感影像轉(zhuǎn)化成影像瓦片，再將瓦片發(fā)布成地圖服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線訪問，可解決遙感數(shù)據(jù)在線訪問問題。本文綜合利用上述分布式、大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的高效管理，為實現(xiàn)高效可持續(xù)的遙感監(jiān)管奠定數(shù)據(jù)基礎。

3.2 基于微信小程序的現(xiàn)場監(jiān)管技術

針對遙感監(jiān)管發(fā)現(xiàn)的問題，需要通過現(xiàn)場監(jiān)管對問題進行復核及處置。對于較小的侵占問題，可以通過人工現(xiàn)場勘察的方式進行復核。對于侵占數(shù)量多且侵占面積較大的區(qū)域，可以選擇利用無人機航拍對侵占區(qū)域進行取證。利用無人機航拍可根據(jù)需要采集現(xiàn)場視頻、圖像、激光點云等數(shù)據(jù)，除了可以提高現(xiàn)場監(jiān)管效率，后期還可以對數(shù)據(jù)進行加工獲得更豐富的數(shù)據(jù)，如加工成正射影像、三維模型或者全景圖。將加工后的數(shù)據(jù)和工程審批信息進行精準對比，可以幫助判定工程項目是否存在違規(guī)行為，以及準確計算違規(guī)面積的大小。此外，現(xiàn)場監(jiān)管還包括河長制日常巡河，在巡河過程中可能發(fā)現(xiàn)一些遙感解譯無法發(fā)現(xiàn)的問題，如岸邊小面積的垃圾堆放、隱蔽處的排污口。

現(xiàn)場監(jiān)管離不開移動端應用的配合。目前主流的移動端應用大致可分為傳統(tǒng)App和微信小程序兩類。傳統(tǒng)App開發(fā)成本高、開發(fā)周期長、升級維護繁瑣、用戶體驗不佳；和傳統(tǒng)App相比，微信小程序具有更多優(yōu)勢[21-24]。從用戶角度看，微信小程序使用方便，用戶體驗好。微信小程序無需安裝、隨點隨用、資源占用小、兼容性強等特點極大提升了用戶體驗；從開發(fā)者角度看，微信小程序開發(fā)成本低、開發(fā)周期短。微信小程序采用組件化開發(fā)框架，有良好的開發(fā)生態(tài)圈，提供豐富的組件及應用程序編程接口(API)，具有原生的跨平臺性，可滿足不同手機平臺的需求。

為提高現(xiàn)場監(jiān)管效率和能力，開發(fā)與平臺配套的巡查小助手微信小程序，通過平臺與移動端相互配合，實現(xiàn)監(jiān)管能力的提升。一方面，平臺為人工巡河提供問題導向，避免盲目巡河，提高巡河效率：巡河前，通過小程序從平臺自動獲取存在的監(jiān)管問題，然后針對問題地點進行巡查；到現(xiàn)場后，對問題進行確認和處置時，可以采集現(xiàn)場的音視頻信息，同時將信息上傳到平臺。另一方面，平臺為巡河問題的判斷提供信息支撐，在巡查過程中如果發(fā)現(xiàn)不確定的問題，可以通過小程序?qū)栴}位置、問題現(xiàn)場的音視頻圖片等信息上傳到平臺，由平臺結(jié)合岸線規(guī)劃信息、涉水工程審批信息、水利設施信息對問題進行定性與定量分析，如河邊的建筑是否在河道管理范圍內(nèi)，進一步，計算有多大面積是在河道管理范圍內(nèi)或者有多大面積超出審批范圍。這些問題的定性及定量分析單靠現(xiàn)場目視是無法完成的。

3.3 基于人工智能的測站監(jiān)管技術

針對一些長期存在且反復出現(xiàn)的問題，如工廠排污、工地施工廢水排放等，利用監(jiān)測站點可以對問題點實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)管。對于水質(zhì)水文測站獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)只需將監(jiān)測結(jié)果跟標準進行比對即可發(fā)現(xiàn)結(jié)果是否正常，如果結(jié)果超過標準，則在系統(tǒng)中增加相應的監(jiān)管問題，并通過系統(tǒng)進行提示。對于視頻圖像監(jiān)測站獲取的監(jiān)控視頻圖像，因為違規(guī)事件發(fā)生過程往往只需1～2 min，甚至只有幾秒，如何從大量的視頻圖像中發(fā)現(xiàn)有用的信息是實現(xiàn)基于視頻圖像監(jiān)管可持續(xù)的關鍵。利用基于人工智能的圖像識別目標檢測技術可以幫助快速發(fā)現(xiàn)圖像中存在的監(jiān)管問題。以岸線侵占中的岸邊砂場監(jiān)管為例，可通過檢測砂場中的卡車、船舶等關鍵目標判斷砂場的運行狀態(tài)。砂場正常運行期間通過船舶將河砂運到岸邊，再由卡車將河砂運到施工現(xiàn)場。所以，檢測到的卡車和船舶的數(shù)量越多說明砂場的運行情況越好;相反，如果較長一段時間內(nèi)砂場都沒有卡車駛?cè)?，則說明砂場可能已經(jīng)停工。

YOLO(You Only Look Once)[25]是一個端到端的統(tǒng)一的實時目標檢測神經(jīng)網(wǎng)絡模型，具有速度快、背景誤檢率低、泛化能力強等特點。文獻[26]—文獻[30]研究表明，由于模型的上述優(yōu)點，基于該模型或者該模型的改進模型已被廣泛應用于不同領域的目標檢測當中。本文選擇利用YOLO模型進行目標檢測實現(xiàn)基于視頻圖像的智能監(jiān)管。YOLO模型實現(xiàn)了包括船舶、卡車、行人在內(nèi)的一共80類物體的目標檢測功能，為了提高模型在實際應用中對目標檢測的準確率，可以利用監(jiān)控的圖片對模型進行強化訓練。首先，在監(jiān)控的圖片中標注一批關鍵目標的樣本;然后，利用標記好的樣本對模型進行訓練;最后，將訓練好的模型用于監(jiān)控圖片的目標檢測。

利用目標檢測實現(xiàn)監(jiān)管的流程如圖3所示。以岸邊砂場監(jiān)管為例，站點對應的監(jiān)管場景是岸邊砂場，監(jiān)管問題是砂場是否運營，關鍵目標是船舶、卡車、行人。當圖片檢測到目標對象時，系統(tǒng)生成該站點的“疑似砂場營運”問題。因為檢測存在誤差，所以將問題標注為疑似問題，同時需要對疑似問題進行人工審核。

圖3 基于圖像識別的監(jiān)管流程Fig.3 Supervision process based on image recognition

識別到疑似問題后平臺會發(fā)出相應的提示，管理人員通過查看相應的監(jiān)控圖片以及綜合分析臨近時段內(nèi)的監(jiān)控圖片、測站監(jiān)測數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等判斷該問題是否存在。如果確實存在，則可以將相應的問題推送給河長制管理系統(tǒng)或者平臺移動端，由巡河人員去現(xiàn)場進行問題處理。如果結(jié)果為錯誤識別，則將疑似問題撤銷，同時更新檢測結(jié)果表中的記錄狀態(tài)為錯誤檢測，后期可以利用檢測錯誤的圖片對模型進行新一輪的強化訓練，從而提高模型的識別能力。

4 應用實踐

4.1 平臺構建

河湖岸線智慧監(jiān)管平臺依托云平臺，采用前后端分離的技術路線，前端采用Html5等技術，后臺采用SSM[31]框架，系統(tǒng)主界面如圖4所示。整體框架如圖5所示，包含數(shù)據(jù)層、方法層、應用層。其中，數(shù)據(jù)層主要用于匯集多源、海量的各類動態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速接入和高效存儲管理，如遙感影像數(shù)據(jù)的管理；方法層采用組件化技術，實現(xiàn)對各類監(jiān)管數(shù)據(jù)處理方法的封裝和高效集成，如智能圖像識別功能實現(xiàn)視頻圖像的智能識別；應用層是系統(tǒng)人機交互的接口，通過PC端和移動端為用戶提供河湖岸線動態(tài)監(jiān)管服務，為各層級河湖岸線管理保護與高效利用提供支撐。

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of the system

圖5 系統(tǒng)框架Fig.5 Architecture of the system

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層包括了基礎地理庫、立體監(jiān)測庫、評估規(guī)劃庫、河湖監(jiān)管庫等。從業(yè)務層看，基礎地理庫用于存放河流水系、水利設施、遙感影像等河湖岸線相關的地理數(shù)據(jù)；立體監(jiān)測庫主要用于存儲遙感解譯成果、視頻圖像、水文水質(zhì)等監(jiān)測信息；河湖監(jiān)管庫包括涉水工程管理庫和監(jiān)管問題庫。其中，涉水工程管理庫主要用于存放涉水工程數(shù)據(jù)，監(jiān)管問題庫主要用于存儲在河湖岸線監(jiān)管過程中發(fā)現(xiàn)的問題數(shù)據(jù)及問題的處理情況。

不同監(jiān)管手段間的數(shù)據(jù)關聯(lián)，除了通過問題編號，即針對同一個問題，可以通過不同手段獲取不同的監(jiān)管信息，然后補充到監(jiān)管問題庫中，還可以通過監(jiān)管問題中的地理位置信息進行關聯(lián)。如將巡查發(fā)現(xiàn)的問題與遙感解譯發(fā)現(xiàn)的問題在空間上進行疊加，調(diào)用簡單的GIS要素相交運算，即可實現(xiàn)2個問題的關聯(lián)分析。

4.2 實際應用

系統(tǒng)研發(fā)完成后，利用系統(tǒng)對示范區(qū)進行了立體監(jiān)管應用測試。系統(tǒng)能夠綜合利用遙感影像、無人機航拍、視頻監(jiān)控、人工巡查對河湖岸線問題進行監(jiān)管。結(jié)果表明，綜合利用多種監(jiān)管手段對河湖岸線進行監(jiān)管相比單獨利用某種監(jiān)管手段，收集的問題資料更加全面，更加有利于決策，符合設計預期功能，滿足河湖岸線監(jiān)管需求，提高了監(jiān)管效率和水平。部分監(jiān)管成果如表2所示。

表2 監(jiān)管成果統(tǒng)計Table 2 Statistics of regulatory achievements

5 總結(jié)與展望

通過監(jiān)管應用測試，證明系統(tǒng)能夠利用無人機遙感、人工智能、大數(shù)據(jù)處理等技術，充分結(jié)合遙感監(jiān)管、現(xiàn)場監(jiān)管、測站監(jiān)管等監(jiān)管手段，實現(xiàn)對河湖岸線高精度實時監(jiān)測，可達到及時、準確、全面獲取河湖岸線監(jiān)管信息的目的，改善傳統(tǒng)監(jiān)管模式信息獲取不及時、監(jiān)測覆蓋面窄和工作效率低的問題。該系統(tǒng)在河湖岸線日常管理中的應用，將提高河湖岸線監(jiān)管工作的覆蓋面和時效性，為提高河湖岸線監(jiān)管水平，提高河湖岸線利用效率提供技術支撐?？偠灾疚奶岢鼍C合利用空、天、地多種監(jiān)管手段進行河湖岸線監(jiān)管，為河湖岸線監(jiān)管提供了一種可行的參考方案，具有一定推廣應用價值。

在使用過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還存在一些不足。如在監(jiān)控圖像識別過程中有一些錯誤識別的情況，圖像識別的準確率還有待提高；多種監(jiān)管信息的疊加分析還依賴人工，無法實現(xiàn)多種監(jiān)管信息的自動疊加分析；利用岸線監(jiān)管成果對岸線實現(xiàn)分析評價功能還未實現(xiàn)等。這些功能需要在后面的研究中進一步實現(xiàn)、改進和完善。