文 | 張博群 劉宗玥 劉源

哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、數(shù)字化水務(wù)發(fā)展背景與趨勢

城市水務(wù)管理涉及領(lǐng)域涵蓋了水源調(diào)度、供排水管理、地下管網(wǎng)、海綿城市建設(shè)與管理、城市水環(huán)境監(jiān)管、城市防洪排澇以及綜合性管控平臺等。針對水務(wù)行業(yè)的發(fā)展，在黨的十九大會議上提出了明確要求，水務(wù)行業(yè)將對標(biāo)新時代要求，全面進入從“粗放式”到“高質(zhì)量”發(fā)展，從“傳統(tǒng)模式”到“創(chuàng)新模式”驅(qū)動的變革期。2021 年中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會發(fā)表的《城鎮(zhèn)水務(wù)2035 年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出“到2035 年，基本建成安全、便民、高效、綠色、經(jīng)濟、智慧的現(xiàn)代化城鎮(zhèn)水務(wù)體系”，這無疑是對智慧水務(wù)的發(fā)展提出了更高的要求，同時也為航天技術(shù)賦能水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造了良好的契機和發(fā)展空間。

技術(shù)賦能加快數(shù)字化水務(wù)智慧升級，利用前沿技術(shù)挖掘水務(wù)行業(yè)發(fā)展新動力。將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生、衛(wèi)星遙感等前沿技術(shù)與水務(wù)應(yīng)用深度融合，形成“新技術(shù)＋新業(yè)務(wù)”的發(fā)展模式。創(chuàng)新水務(wù)的運營管理，為城市水務(wù)集約建設(shè)、協(xié)同管理、資源共享和聯(lián)合應(yīng)急提供新思路和新途徑。以技術(shù)為核心力量推動水務(wù)行業(yè)的發(fā)展和變革，為數(shù)字化轉(zhuǎn)型打下智慧基礎(chǔ)，通過模型、智能算法的融合應(yīng)用，推動業(yè)務(wù)流程優(yōu)化與模式創(chuàng)新，不斷催生水務(wù)行業(yè)新模式、新場景，實現(xiàn)智能生產(chǎn)、精細運營、精準服務(wù)、智慧管理。

二、航天技術(shù)在水務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用

在此大背景下，為航天技術(shù)在水務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了前所未有的機遇，將“航天科技創(chuàng)新和水務(wù)數(shù)字化需求”高度融合，利用遙感衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航、北斗網(wǎng)格碼等技術(shù)手段，搭建全面的時空天地立體化感知網(wǎng)，將航天技術(shù)切實應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、信息定位、系統(tǒng)建設(shè)等城市水務(wù)管理的全生命周期，實現(xiàn)“天上看，網(wǎng)上管、地上查”的數(shù)字化、智能化管理模式。

1.北斗導(dǎo)航技術(shù)水務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用

（1）北斗導(dǎo)航助力智慧供水

隨著水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢的推進，城鎮(zhèn)智慧供水的建設(shè)也逐步開展實施。保障城鎮(zhèn)居民用水安全是供水管理的重中之重。針對供水管網(wǎng)的實時管理通常采用物聯(lián)網(wǎng)手段，但某些偏遠城鎮(zhèn)由于經(jīng)濟條件和基礎(chǔ)設(shè)備條件的限制，存在通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，監(jiān)測信息傳輸時效性不穩(wěn)定，異常爆管、滲漏等情況不易定位的問題，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)利用特有的短報文通信服務(wù)，能夠為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測提供實時的信息回傳功能。自從我國北斗三號衛(wèi)星組網(wǎng)成功，北斗系統(tǒng)短報文服務(wù)容量提升10 倍，用戶機發(fā)射頻率降低10 倍，形成可靠通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的業(yè)務(wù)服務(wù)，并且北斗系統(tǒng)能夠提供優(yōu)于10m 精度的定位功能，能夠?qū)崿F(xiàn)供水管網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠傳輸和異常點位的高精定位，有效解決供水公司在日常和突發(fā)爆管應(yīng)急事件兩種模式下的管理難題。

以三亞市為例，在山區(qū)供水管網(wǎng)管理的過程中，充分利用了北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有高精度的優(yōu)勢，精準定位傳感器位置信息，結(jié)合模型進行爆管、滲漏等異常管道的定位分析，并通過“北斗短報文通信+物聯(lián)網(wǎng)”建立實時可靠的感知網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性和保密性，動態(tài)監(jiān)測管網(wǎng)運行狀態(tài)，將供水管網(wǎng)日常運行數(shù)據(jù)及突發(fā)應(yīng)急爆管事件預(yù)警數(shù)據(jù)的信息實時上報，為輔助管理人員對山區(qū)全范圍內(nèi)的供水管網(wǎng)無死角地進行全天候、全天時的不間斷監(jiān)測管理，為更高效、更精準、更可靠的山區(qū)供水管理提供了有力支撐。

（2）北斗網(wǎng)格碼助推河長制長治久清

我國水網(wǎng)密布、河湖眾多、水資源豐富，河長制日常工作中涉及到的水利資源數(shù)據(jù)（水利設(shè)施、涉水建筑等空間位置數(shù)據(jù)）具有來源多、數(shù)據(jù)量大、處理分析復(fù)雜等特點。在大數(shù)據(jù)背景下，海量的、異構(gòu)的面目標(biāo)（水面遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)）、體目標(biāo)（河湖、水網(wǎng)）都必須用一群“點”（河湖影像數(shù)據(jù)）的集合來表達時，在對象標(biāo)識、位置傳遞、信息檢索、空間計算等方面都存在短板和不足。北斗網(wǎng)格碼是一種多尺度、離散、適用于導(dǎo)航定位服務(wù)的全球地理網(wǎng)格編碼，利用地球剖分網(wǎng)格實現(xiàn)全球多尺度區(qū)域位置標(biāo)識，和傳統(tǒng)經(jīng)緯度表達的區(qū)別在于用一個整型數(shù)代表一個域位置。利用北斗網(wǎng)格碼可以打破“實物ID”管理方法的局限性，能夠?qū)崿F(xiàn)空間與時間同時離散數(shù)字化，具有地球全域三維空間的唯一性，無縫無疊。并且可以兼容現(xiàn)行的測繪、氣象、海洋等各種地圖分幅體系，加速數(shù)據(jù)融合，有效降低計算維度，提高計算效率，使河長制監(jiān)測范圍更精細。

以廣東省為例，廣東是國內(nèi)河網(wǎng)密度最大的地區(qū)之一，陸地海岸線居全國首位，堤防總長度近30000km，河長制日常工作推進挑戰(zhàn)大，難度高。利用北斗網(wǎng)格碼作為時空大數(shù)據(jù)的組織框架，通過“一位一碼”（網(wǎng)格+空間）、“一物一碼”（網(wǎng)格+ID）、“一事一碼”（網(wǎng)格+活動）將萬事萬物統(tǒng)一到一個數(shù)據(jù)模型中。無人機、衛(wèi)星監(jiān)測到的水質(zhì)和影像數(shù)據(jù)（物）、河湖“四亂”問題（事）經(jīng)過網(wǎng)格編碼后，統(tǒng)一歸集到河湖及周邊涉水建筑（位）網(wǎng)格的“點”上，實現(xiàn)在某一“點”上進行數(shù)據(jù)組織管理和滲透檢索查詢。利用網(wǎng)格智能解譯、定位關(guān)聯(lián)與區(qū)域特性標(biāo)識，將衛(wèi)星、無人機的影像數(shù)據(jù)映射到網(wǎng)格內(nèi)對應(yīng)的“點”，與歷史影像進行對比，實現(xiàn)“點”位的可視化和智能分析。并利用北斗網(wǎng)格唯一性特點建立廣東省河湖“四亂”問題唯一身份信息，實現(xiàn)“四亂”問題時空尺度的狀態(tài)跟蹤與溯源，“四亂”問題得到有效遏抑，執(zhí)法難度及成本極大降低。圖1 為影像內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)格編碼流程及對“四亂”現(xiàn)象的智能解譯與變化監(jiān)測應(yīng)用。

圖 1 北斗網(wǎng)格在河長制管理應(yīng)用

2.衛(wèi)星遙感技術(shù)水務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用

（1）遙感監(jiān)測助力城市黑臭水體防治

隨著我國水環(huán)境保護正在由污染防治為主走向環(huán)境保護和污染防治并重的發(fā)展方向，環(huán)境監(jiān)測亟須從點上監(jiān)測向面上監(jiān)測發(fā)展，從靜態(tài)監(jiān)測向動態(tài)監(jiān)測發(fā)展，從定時監(jiān)測向連續(xù)監(jiān)測發(fā)展。衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用正符合此發(fā)展的需要，并能夠有效配合以點位構(gòu)成的地面環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立，在宏觀性、動態(tài)性、科學(xué)性方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，遙感技術(shù)在黑臭水體篩查以及宏觀生態(tài)指標(biāo)監(jiān)測中發(fā)揮了很大的應(yīng)用潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、連續(xù)地對黑臭水體進行監(jiān)測，全方位地獲取水體變化信息，其觀測能力是其他常規(guī)技術(shù)所不具備的。此外，隨著資源三號、高分一號、高分二號等國產(chǎn)高分辨率系列衛(wèi)星相繼發(fā)射，極大提升了獲取高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的機會。同時，亞米及米級空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為城市河道的精細提取、河道水質(zhì)的監(jiān)測和評價提供了數(shù)據(jù)保障。

以江蘇省為例，2019 年生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心和江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，首次將天（衛(wèi)星航天遙感技術(shù)）、空（無人機航空遙感技術(shù)）、地（地面實測數(shù)據(jù)）相結(jié)合，全方位、多角度地對城市黑臭水體進行無死角監(jiān)測，并形成了具有航天特色的“衛(wèi)星遙感篩查+ 無人機航拍細查+ 水質(zhì)地面核查”黑臭水體治理模式。利用該手段累計對全國15 個省、41 個城市進行了建成區(qū)內(nèi)黑臭水體高分辨率遙感篩查工作，篩查面積總計13000km，篩查發(fā)現(xiàn)黑臭水體193 個，總長度達260km，使地面督查工作更加有的放矢。與此同時，江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心以衛(wèi)星遙感影像分析技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了城市水域精細提取、城市黑臭水體遙感識別與分級技術(shù)，在黑臭水體篩查、現(xiàn)狀監(jiān)測、過程監(jiān)管、成效評估各個階段均得到有效應(yīng)用，為城市精準治理黑臭水體、提升水環(huán)境管理和科學(xué)決策水平提供了有效支撐。圖2 為遙感技術(shù)在黑臭水體分布分析及治理監(jiān)管的應(yīng)用。

圖 2 遙感技術(shù)在黑臭水體治理應(yīng)用

（2）衛(wèi)星遙感助力防洪防汛管理

早在1980 年，我國已經(jīng)將衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用到防汛抗旱的監(jiān)測與評估工作當(dāng)中，經(jīng)過40 年的不斷探索，我國防洪遙感監(jiān)測的技術(shù)水平發(fā)生了大的飛躍，建立了“機、星、地”模式的全天候和準實時的洪水遙感監(jiān)測系統(tǒng)，每次重特大涉水災(zāi)害監(jiān)測中都離不開遙感技術(shù)，遙感監(jiān)測第一時間發(fā)揮了重要作用。

以汶川地震災(zāi)區(qū)堰塞湖洪水風(fēng)險遙感連續(xù)監(jiān)測為例，2008 年5 月12 日汶川地震發(fā)生后，第一時間全面投入災(zāi)區(qū)堰塞湖遙感應(yīng)急監(jiān)測，從5 月14 日得到第一幅遙感影像開始，在不到一個月的時間內(nèi)，先后使用10 余種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，共計進行應(yīng)急監(jiān)測60 余次，在較短時間內(nèi)通過遙感技術(shù)新排查出99 處堰塞湖，同時核實了34 處堰塞湖中的27 處，監(jiān)測到的災(zāi)區(qū)堰塞湖總數(shù)達到126 處，對唐家山堰塞湖開展了持續(xù)跟蹤監(jiān)測，打印各類圖件300 多張，其中為水利部、國家防汛抗旱總指揮部辦公室、科技部等提供各類圖件100 多張，為抗震救災(zāi)提供了有力支撐。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，洪澇災(zāi)害的遙感監(jiān)測評估已逐步向全鏈路、全覆蓋和定量化方向轉(zhuǎn)變，不再只局限于應(yīng)急型監(jiān)測，通過遙感數(shù)據(jù)與流域洪水模型的耦合，在動態(tài)了解全流域洪水時空過程的前提下，為應(yīng)急監(jiān)測目標(biāo)區(qū)的預(yù)判爭取時間，實現(xiàn)從傳統(tǒng)局部應(yīng)急監(jiān)測向流域全覆蓋的高效定量監(jiān)測的轉(zhuǎn)變。對于重特大臺風(fēng)暴雨洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測，已打破了地面洪澇監(jiān)測的傳統(tǒng)手段，從臺風(fēng)形成開始就啟動基于氣象衛(wèi)星的動態(tài)監(jiān)測，并貫穿其移動、登陸、消亡的全過程，為基于多源遙感的地面洪澇災(zāi)害監(jiān)測目標(biāo)區(qū)的預(yù)判爭取時間，實現(xiàn)了臺風(fēng)暴雨洪澇災(zāi)害全鏈路的遙感監(jiān)測。高分遙感技術(shù)在非災(zāi)時的很多前期基礎(chǔ)性工作中也同樣發(fā)揮了不可或缺的作用，對流域地表水體、冰川積雪、下墊面植被、不透水面積等目標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測以及土壤墑情、降雨等參數(shù)時空變化信息的反演，這些基礎(chǔ)信息的動態(tài)獲取與綜合分析均對防災(zāi)減災(zāi)決策具有指示意義。圖3 為遙感技術(shù)在城市防汛淹沒分析及洪水發(fā)展趨勢分析的應(yīng)用。

圖 3 衛(wèi)星遙感技術(shù)在防洪防汛管理應(yīng)用

三、結(jié)束語

隨著航天技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在城市水務(wù)管理領(lǐng)域的應(yīng)用日益增強，在農(nóng)村飲水安全、黑臭水體整治、河長制實施等方面都得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效能，為助力智慧水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型作出了貢獻。但是，城市水務(wù)管理的業(yè)務(wù)范圍廣泛，并隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展在不斷地擴展延伸，北斗、遙感的應(yīng)用目前還有局限性，在城市污水處理、內(nèi)澇預(yù)警、“廠網(wǎng)河”一體化等方面還有很大的應(yīng)用空間需要去挖掘和探索。