張勝強 侯建 鄭尚

摘 要：河長制是河湖管理行政化的體制創(chuàng)新，是嚴格落實綠色發(fā)展理念、保障國家水安全的重要舉措。在河湖監(jiān)管常態(tài)化的大背景下，遙感技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢和特點，廣泛應(yīng)用于水域岸線管理、水污染防治、執(zhí)法監(jiān)管等河長制工作中。在論述遙感技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，詳細分析了現(xiàn)狀遙感技術(shù)在河長制工作的應(yīng)用以及存在的不足，對未來遙感技術(shù)助力河長制工作的研究方向做了一定的展望。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù)；河長制；水域岸線；水污染防治；執(zhí)法監(jiān)管

中圖分類號：TP79；TV213.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引 言

中國是世界上河流湖泊最多的國家之一，流域面積超過1 000 km2的河流有1 500多條，面積在1 km2以上的天然湖泊有2 800多個。水資源總量居世界第六位，2021年我國水資源總量為29 638.2億m3，其中地表水資源總量為28 310.5億m3，地下水資源總量為8 195.7億m3，不重復(fù)量為1 327.7億m3。雖然河流、湖泊數(shù)量較多，但人均水資源量僅2 007 m3，約為世界人均水平的25%；此外，伴隨著我國國民經(jīng)濟的高速增長，特別是高污染、高排放等產(chǎn)能的激增，河湖問題日趨嚴重，尤其是違規(guī)占用河湖岸線、坑塘養(yǎng)殖、圍湖造田、超標排放、非法采砂等，亟待解決。

2016年，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于全面推行河長制的意見》，明確由黨政領(lǐng)導(dǎo)擔(dān)任河長，協(xié)調(diào)整合各方力量，著力解決水資源保護、河湖水域岸線管理保護、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、執(zhí)法監(jiān)管6個方面的突出問題，嚴格落實綠色發(fā)展理念，保障國家水安全[1]。

此后，各地按照省、市、縣、鄉(xiāng)、村五級設(shè)立河長，全面分級開展河湖管理工作，但傳統(tǒng)的巡河、護河等監(jiān)管手段因為耗時長、范圍小、局限性大等缺點，難以滿足當(dāng)下河長制工作的要求。遙感技術(shù)憑借覆蓋范圍廣、監(jiān)測周期短、信息獲取快捷、對環(huán)境的適應(yīng)能力強等特點，特別是我國自主研發(fā)的不同用途、不同軌道高度、不同分辨率的衛(wèi)星相繼入軌服役，覆蓋從全色、多光譜到高光譜，從光學(xué)到雷達等多種探測類型，能夠?qū)崟r提供多源高分辨率影像資料，正逐步應(yīng)用于水域岸線管理保護、水污染防治、執(zhí)法監(jiān)管等方面，助力河長制工作從“有名有實”向“有能有效”轉(zhuǎn)變[2-3]。

1 遙感技術(shù)概述

遙感技術(shù)是利用航天、航空遙感平臺上的遙感儀器，獲取地球表層特征的反射或發(fā)射電磁輻射能的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和分析，定性、定量地研究地球表層的物理過程、化學(xué)過程、生物過程、地學(xué)過程，為資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等提供技術(shù)支撐。根據(jù)遙感平臺的不同，可以分為地面遙感、航空遙感和航天遙感。

遙感工作主要包括：①遙感數(shù)據(jù)獲取。電磁輻射能經(jīng)與大氣層的散射、吸收、衰減等相互作用后到達地表，與地表的研究對象發(fā)生反射、吸收、透射等光學(xué)反應(yīng)，遙感儀器探測、記錄地表對象的大量光譜信息后形成模擬圖像或數(shù)字圖像等遙感數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)處理、分析。遙感圖像信息通過復(fù)雜形式的色調(diào)、結(jié)構(gòu)及其變化等體現(xiàn)出來，需要經(jīng)過輻射校正、幾何校正、數(shù)字圖像鑲嵌等圖像預(yù)處理過程，光譜和空間增強等圖像增強和變換，目視解譯、模擬圖像處理、計算機數(shù)字圖像處理等遙感解譯后，遙感數(shù)據(jù)才能應(yīng)用于各個分支。③數(shù)據(jù)應(yīng)用。解譯分析后的遙感數(shù)據(jù)，可以廣泛應(yīng)用于土地覆蓋、土地資源評價等土地遙感領(lǐng)域，植被指數(shù)、植被指數(shù)與地表參數(shù)關(guān)系等植物遙感，地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘察、遙感地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等地質(zhì)遙感。此外，通過與地理信息系統(tǒng)（GIS）的深度融合，利用GIS提供的空間與屬性數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)能極大提高遙感目標識別的精度和效率。

遙感技術(shù)作為遠距離的觀測技術(shù)，具有如下特點：①宏觀性。遙感技術(shù)觀測范圍廣、影像信息豐富，一張TM影像能觀測185 km×185 km的地面范圍。②綜合性。遙感影像涵蓋的光譜特征豐富，采用不同的解譯方式可以分析地物的不同特征和屬性。③多波段性。根據(jù)探測器的不同，可以實現(xiàn)多波段、全天候?qū)Φ赜^測。④多時相性?？梢詫Σ煌瑫r點的空間區(qū)域進行觀測，分析區(qū)域的變化和階段趨勢。⑤經(jīng)濟性。與其他觀測手段相比，單位面積的觀測成本大大降低。目前遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、地質(zhì)、海洋、水文、環(huán)境、地災(zāi)、測繪等領(lǐng)域[4]。

目前，針對遙感技術(shù)的前沿研究主要集中在高光譜遙感和目標識別與信息提取等方面[5]，重點體現(xiàn)在高光譜遙感影像分類方法研究、深度學(xué)習(xí)及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域。張健等[6]針對基于深度學(xué)習(xí)的分類算法在訓(xùn)練樣本過程中存在的過擬合問題，提出了一種生成式對抗網(wǎng)絡(luò)分類算法，在高光譜圖像遙感影像分類試驗中表現(xiàn)出明顯的精度提升。孫根云等[7]結(jié)合多源遙感影像與開源數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一種融合光學(xué)、SAR和地形數(shù)據(jù)的超輕量級CNN模型，有效提升了大尺度高分辨率不透水面提取精度。高浩博等[8]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像條帶噪聲去除方法，并通過試驗證明了該方法的優(yōu)越性。許慧琳[9]通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練框架、空譜特征降維算法、空譜語義特征學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，提出了解決樣本受限條件下高光譜遙感影像分類中存在的噪聲樣本、小樣本及無樣本問題的方法。

2 遙感技術(shù)在河長制工作中的應(yīng)用

2.1 水域岸線管理保護中的應(yīng)用

2.1.1 河湖管理范圍劃定

河湖管理范圍劃定是水域岸線管理的基礎(chǔ)性工作，對于河長制工作的深入開展具有現(xiàn)實意義。通過在遙感底圖上疊加河湖管理范圍劃定成果，可以高效開展河湖管理范圍劃定復(fù)核工作，定性判斷河湖管理范圍劃定的合理性，有效解決故意避讓建筑物、河（湖）汊劃出管理范圍、洲頭重復(fù)劃界等問題。遙感技術(shù)應(yīng)用于河湖管理范圍劃定實例如圖1所示。

2.1.2 涉河建設(shè)項目管理

涉河建設(shè)項目管理是開展水域岸線空間管控的重點，是落實岸線資源集約節(jié)約利用的關(guān)鍵。利用衛(wèi)星遙感底圖成果，通過地理位置坐標將涉河建設(shè)項目平面布置方案導(dǎo)入河湖綜合管理平臺，能準確判斷涉河項目建設(shè)地點是否與許可一致，是否存在與上下游涉水項目重復(fù)利用岸線的情況，以及是否占用岸線保留區(qū)、保護區(qū)及生態(tài)敏感區(qū)。遙感技術(shù)應(yīng)用于涉河建設(shè)項目管理實例如圖2所示。

2.2 水污染防治中的應(yīng)用

不同水體具有不同的太陽光吸收和反射特性，表現(xiàn)出不同的光譜特征。利用遙感技術(shù)可以對水體的光譜特性進行分析，結(jié)合數(shù)學(xué)模型對水體中包含的懸浮物、有機質(zhì)的含量進行反演推算。直接水質(zhì)參數(shù)（如葉綠素a、懸浮物）具備清晰的光譜特征，可作為現(xiàn)階段遙感技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測的典型指標[10]。

葉綠素a是衡量水域浮游生物和富營養(yǎng)化程度的典型水質(zhì)參數(shù)。實踐中利用光譜儀測定水域反射光譜特征，建立光譜特征與實測葉綠素a含量的數(shù)學(xué)反演模型（見式1）；基于反演模型，利用高光譜遙感影像中對象的光譜特征，實時反演出水域葉綠素a的含量[11]。

式中：Rs為葉綠素a濃度函數(shù)；A、B、C為反演模型參數(shù)；fc為光譜特征函數(shù)。

懸浮物作為污染物的載體和示蹤劑，會對水體透明度、水體顏色產(chǎn)生影響。懸浮物的監(jiān)測和葉綠素a的監(jiān)測原理類似，基于實測的總懸浮物濃度（TSM）數(shù)據(jù)建立光譜反射率與懸浮物含量的數(shù)學(xué)模型，通過遙感影像的光譜反射特性反演懸浮物含量。遙感技術(shù)應(yīng)用于水污染防治實例如圖3所示。

利用不同時點不同區(qū)域的水質(zhì)監(jiān)測成果，可以生成某一特定時點的水質(zhì)監(jiān)測云圖和某一時間段內(nèi)水質(zhì)變化云圖，了解水污染在時間上和空間上的分布情況，理清水污染擴散的具體路徑，評估水污染問題整改的效果，為水污染防治提供堅實的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2.3 執(zhí)法監(jiān)管中的應(yīng)用

利用高分辨率的遙感影像，疊加經(jīng)公示的河湖劃界范圍圖層和行政區(qū)劃圖層，基于一定的機器算法，自動識別河道管理范圍內(nèi)的亂占、亂堆、亂采、亂建“四亂”問題，尤其對河道管理范圍內(nèi)的工礦企業(yè)、居民房屋、圍湖養(yǎng)殖等亂建、亂占問題具有較高的精度，按行政區(qū)劃形成“四亂”問題疑似圖斑清單，明確現(xiàn)場復(fù)核、整改權(quán)屬，落實監(jiān)管責(zé)任，全面從嚴落實水域岸線監(jiān)管。對于亂堆等自動解譯精度較低的疑似圖斑，輔助以人工現(xiàn)場復(fù)核、無人機低空遙感監(jiān)測等方式，構(gòu)建“天空地一體化”河湖岸線監(jiān)管平臺[12]，基本實現(xiàn)河湖岸線全方位無死角監(jiān)管。

通過對不同時點序列的遙感影像進行縱向?qū)Ρ确治?，能夠明確具體“四亂”問題發(fā)生的時間段。對比分析區(qū)域“四亂”問題清單，能有效獲取特定區(qū)域河長制工作的成效及“四亂”問題的整改力度。遙感技術(shù)應(yīng)用于河湖“四亂”問題執(zhí)法監(jiān)管實例如圖4所示。

3 存在的不足

在河長制工作中，特別是河湖岸線管理保護環(huán)節(jié)，遙感技術(shù)已經(jīng)成為主要的監(jiān)管手段之一，但是在應(yīng)用過程中仍存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）遙感影像空間分辨率有待進一步提高。遙感影像雖然對亂建、亂占等四亂問題具有較高的精度，生成的疑似圖斑現(xiàn)場復(fù)核準確率較高，但是由于亂堆問題與附近地物的光譜特性類似，對現(xiàn)有空間分辨率遙感影像的自動解譯精度往往不盡如人意，需要通過無人機低空遙感再次確認。

（2）遙感影像重復(fù)周期有待進一步縮短。將遙感影像用于不同時點序列的對比分析時，只能大致確定具體“四亂”問題發(fā)生的時間段，以月或季為單位，時間精度較低。此外，對于亂采等瞬時違法行為，遙感技術(shù)更是無能為力。

（3）通用的反演模型有待進一步研發(fā)?，F(xiàn)階段基于遙感影像中水體光譜特征進行的葉綠素a、懸浮物等直接水質(zhì)參數(shù)反演的應(yīng)用，還無法做到一個模型反演數(shù)個水體，個別水體的成功遙感模型還無法直接移植于其他水體。

4 結(jié)束語

遙感技術(shù)基于自身的特點及優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于河長制工作的多個環(huán)節(jié)，特別在水域岸線管控和執(zhí)法監(jiān)管等方面已經(jīng)較為成熟。隨著更高分辨率、更廣光譜遙感衛(wèi)星的投入使用，以及更有效的影像預(yù)處理模型算法的出現(xiàn)，遙感影像成果的精度、時間周期、穩(wěn)定性將會不斷提升。此外，在水利信息化的大趨勢下，遙感技術(shù)將與數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)深入融合，將人工目視解譯剝離，真正實現(xiàn)基于機器學(xué)習(xí)的遙感自動解譯，提高遙感技術(shù)的自動化程度和效率，將地理信息、水文水資源信息與遙感影像成果整合，增加遙感影像數(shù)據(jù)的維度，助力水利信息化和智慧河湖向縱深發(fā)展。

參考文獻：

[1] 中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳.關(guān)于全面推行河長制的意見[J].中國水利，2016（23）：4-5.

[2] 孫偉偉，楊剛，陳超，等.中國地球觀測遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及文獻分析[J].遙感學(xué)報，2020，24（5）：479-510.

[3] 趙忠明，高連如，陳東，等.衛(wèi)星遙感及圖像處理平臺發(fā)展[J].中國圖象圖形學(xué)報，2019，24（12）：2098-2110.

[4] 趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[5] 熊巨華，吳浩，高陽，等.遙感科學(xué)十年：自然科學(xué)基金項目申請資助、研究成果與發(fā)展挑戰(zhàn)[J].遙感學(xué)報，2023，27（4）：821-830.

[6] 張健，保文星.生成式對抗網(wǎng)絡(luò)的高光譜遙感圖像分類方法研究[J].遙感學(xué)報，2022，26（2）：416-430.

[7] 孫根云，王鑫，安娜，等.基于多源遙感的大尺度高分辨率不透水面深度學(xué)習(xí)提取方法[J].測繪學(xué)報，2023，52（2）：272-282.

[8] 高浩博，卜桐，李欣，等.基于深度學(xué)習(xí)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像條帶噪聲去除[J].遙感學(xué)報，2023，27（3）：610-622.

[9] 許慧琳.樣本受限條件下的高光譜遙感影像分類方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2023，48（5）：822.

[10] 馬兆越.珠江口懸浮物濃度遙感估算及影響因素分析[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2022.

[11] 張鵬，郭正鑫，劉振軍.高光譜衛(wèi)星影像水質(zhì)遙感反演[J].測繪通報，2022（增刊2）：206-211.

[12] 馮新軍，張旭陽.基于“天空地一體化”遙感監(jiān)測體系的河湖岸線動態(tài)監(jiān)管平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].河南科技，2021（22）：6-8.

River Chief System Based on Remote Sensing Technology

ZHANG Shengqiang，HOU Jian，ZHENG Shang

（River and Lake Protection and Construction Operation Safety Center of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430019，China）

Abstract：As an institutional innovation in the administrative management of rivers and lakes，the river chief system is a significant initiative to strictly implement the concept of green development and ensure national water security. Under the background of the regularized oversight of rivers and lakes，remote sensing technology，with intrinsic advantages and characteristics，is widely used in river chief system applications such as water shoreline management，water pollution prevention，and law enforcement supervision. Following a discussion of the basic principles of remote sensing technology，this paper presents the application of remote sensing technology and the existing deficiencies in the river chief system operations. Furthermore，the paper outlines future research directions to facilitate the efficacy of river management system.

Key words：remote sensing technology；river chief system；water shoreline；water pollution prevention；law enforcement supervision

收稿日期：2022–11–19

作者簡介：張勝強，男，工程師，碩士，主要從事河湖督查和涉河項目管理工作。E-mail：2247581306@qq.com

通信作者：鄭 尚，男，工程師，碩士，主要從事河湖保護、水文規(guī)劃工作。E-mail：1316376453@qq.com