楊殿亮，張煜煜，何厚軍，陳 亮

(1.淮河水利委員會(huì)沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221009；2.黃河水利委員會(huì)信息中心，河南 鄭州 450004)

河湖水系是水資源的重要載體，也是水資源短缺、水生態(tài)損害、水環(huán)境污染等新老水問(wèn)題體現(xiàn)最為集中的區(qū)域。2016和2017年我國(guó)先后印發(fā)了《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》《關(guān)于在湖泊實(shí)施湖長(zhǎng)制的指導(dǎo)意見(jiàn)》，為解決我國(guó)新老水問(wèn)題、加強(qiáng)河湖管理、改善河湖生態(tài)提供了制度保障。水利部積極踐行“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管，推進(jìn)水利高質(zhì)量發(fā)展，是新形勢(shì)下賦予水利工作的歷史使命，推動(dòng)水利行業(yè)監(jiān)管從“整體弱”到“全面強(qiáng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工作的全鏈條監(jiān)管、涉水行為的全方位監(jiān)管，集中力量重點(diǎn)對(duì)江河湖泊、水資源、水利工程、水土保持、水利資金、行政事務(wù)等領(lǐng)域進(jìn)行監(jiān)管。

沂沭泗水政監(jiān)察總隊(duì)作為淮河水利委員會(huì)沂沭泗水利管理局直管區(qū)域(簡(jiǎn)稱“沂沭泗直管區(qū)”)水行政執(zhí)法和管理的主體，依據(jù)《水政監(jiān)察工作章程》(水利部第20號(hào)令)，代表流域機(jī)構(gòu)對(duì)公民、法人或者其他組織遵守、執(zhí)行水法規(guī)的情況進(jìn)行監(jiān)督檢查，對(duì)違反水法規(guī)的行為依法實(shí)施行政處罰，開(kāi)展流域內(nèi)的水行政執(zhí)法工作，在保護(hù)水資源、水工程、防汛抗旱與水文監(jiān)測(cè)環(huán)境和設(shè)施等方面發(fā)揮著重要的作用[1]。

沂沭泗水利管理局水政監(jiān)察機(jī)構(gòu)由1個(gè)水政監(jiān)察總隊(duì)、3個(gè)水政監(jiān)察支隊(duì)、19個(gè)水政監(jiān)察大隊(duì)和15個(gè)水政監(jiān)察中隊(duì)組成，現(xiàn)有專(兼)職水政監(jiān)察人員共計(jì)396名，監(jiān)督管理961km的直管河道、1729km的堤防、1537km2的湖泊水域。沂沭泗直管河道分布范圍廣、岸線長(zhǎng)、工況復(fù)雜，管理人員少、任務(wù)重、難度大。目前，沂沭泗直管河道水政執(zhí)法仍以傳統(tǒng)的人工沿河巡查為主的方式掌握水事活動(dòng)情況，由于執(zhí)法支撐信息少、信息獲取手段落后，存在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題不及時(shí)、監(jiān)管成本高、持續(xù)跟蹤難度大等問(wèn)題。亟需采用有效的監(jiān)測(cè)手段，動(dòng)態(tài)掌握河道管理范圍內(nèi)水事活動(dòng)情況。

遙感技術(shù)具有快速、有效、實(shí)時(shí)、范圍廣等特點(diǎn)，不僅可以動(dòng)態(tài)監(jiān)督水利工程建設(shè)，還可以監(jiān)測(cè)水情、災(zāi)情、水土流失、河湖管理等問(wèn)題[2-7]。一些學(xué)者利用遙感技術(shù)開(kāi)展了流域水政執(zhí)法應(yīng)用探索研究，李春雷等[8]利用高分辨率遙感影像開(kāi)展了河湖“清四亂”應(yīng)用方法，唐慶忠等[9]對(duì)珠江水政監(jiān)察遙感信息系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹和討論，申邵洪等[10]研發(fā)了基于多時(shí)相高分辨率遙感影像的長(zhǎng)江流域水政監(jiān)察系統(tǒng)，齊予海等[11]利用航空遙感技術(shù)進(jìn)行黃河下游河道水政執(zhí)法監(jiān)測(cè)應(yīng)用并開(kāi)發(fā)了水政執(zhí)法遙感信息系統(tǒng)。但是，不同流域受地形、資源等自然因素和人類開(kāi)發(fā)建設(shè)等人為因素多重影響，河道監(jiān)管重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容存在差異，河道監(jiān)測(cè)對(duì)象不同，利用遙感技術(shù)手段進(jìn)行河道監(jiān)測(cè)各具獨(dú)特性。本文針對(duì)沂沭泗直管區(qū)河道監(jiān)測(cè)對(duì)象特點(diǎn)，利用航空遙感、國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感等技術(shù)進(jìn)行水政執(zhí)法本底和對(duì)比監(jiān)測(cè)，研究建立流域水政執(zhí)法遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，提升沂沭泗水利管理局對(duì)直管區(qū)水事活動(dòng)的監(jiān)管能力，為水政監(jiān)察執(zhí)法提供依據(jù)[12]。

1 研究區(qū)

沂沭泗水系是沂、沭、泗(運(yùn))3條水系的總稱，位于淮河流域東北部。流域范圍北起沂蒙山，東臨黃海，西至黃河右堤，南以廢黃河與淮河水系為界。流域面積7.96萬(wàn)km2，地跨江蘇、山東、河南、安徽4省15地(市)。流域氣候溫和，土地遼闊，資源豐富，是我國(guó)工農(nóng)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)之一。流域內(nèi)陸路、水運(yùn)交通發(fā)達(dá)，公路、鐵路交通網(wǎng)密布，京杭大運(yùn)河縱貫?zāi)媳薄?/p>

選取沂沭泗直管區(qū)為研究區(qū)，涉及沂河(跋山水庫(kù)-駱馬湖口)、祊河(姜莊湖攔河壩-入沂河口)、邳蒼分洪道(江風(fēng)口閘-中運(yùn)河)、分沂入沭(彭道口閘-入老沭河口)、沭河(青峰嶺水庫(kù)-口頭)、新沭河、南四湖、韓莊運(yùn)河及中運(yùn)河、駱馬湖及新沂河(嶂山閘-入?？?河道[13]，如圖1所示。其中，河道長(zhǎng)度961km，湖泊面積1537km2。研究區(qū)所處地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，河道內(nèi)水事活動(dòng)頻發(fā)，是沂沭泗水利管理局水政監(jiān)察的重點(diǎn)區(qū)域。

圖1 研究區(qū)域

2 水政遙感監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)流程

沂沭泗水政執(zhí)法遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)在收集研究區(qū)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，采用航空手段采集研究區(qū)0.5m空間分辨率高清遙感影像并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)深入理解各監(jiān)測(cè)對(duì)象的業(yè)務(wù)特征、圖像特征和地理特征建立解譯標(biāo)志，對(duì)河道監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行全面、詳細(xì)地解譯調(diào)查，獲取河道監(jiān)測(cè)對(duì)象本底監(jiān)測(cè)成果。在本底遙感監(jiān)測(cè)成果基礎(chǔ)上，采集優(yōu)于2m空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)比分析衛(wèi)星遙感影像與本底或歷史遙感影像河道監(jiān)測(cè)對(duì)象變化情況，解譯獲取水事活動(dòng)變化監(jiān)測(cè)成果。水政監(jiān)察人員根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行河道水政執(zhí)法。技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 沂沭泗水政執(zhí)法遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

2.2 遙感影像采集與處理

遙感影像采集與處理包括航空遙感影像采集與處理和衛(wèi)星遙感影像采集與處理。航空遙感影像具有空間分辨率高、大范圍成像、時(shí)相一致性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)采集成本相對(duì)較高，主要用于河道本底信息全面調(diào)查。衛(wèi)星遙感影像具有覆蓋范圍廣、重復(fù)覆蓋便捷、成本低廉等特點(diǎn)，主要用于河道動(dòng)態(tài)對(duì)比監(jiān)測(cè)。

2.2.1航空遙感影像采集與處理

航空遙感影像采集與處理包括航空攝影、外業(yè)像控測(cè)量、空三加密和數(shù)字正射影像(DOM)制作等處理，最終形成研究區(qū)0.5m空間分辨率航空正射影像。

本研究航空攝影利用大棕熊Kodiak 100型飛機(jī)搭載UCXp-WA數(shù)字航攝儀配備POS AV510輔助航攝系統(tǒng)進(jìn)行拍攝。根據(jù)整個(gè)攝區(qū)的地形特點(diǎn)、航攝儀飛行要求、成像精度要求等，進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，飛行相對(duì)航高5500m，共飛行航線24條。航空攝影時(shí)間為2018年10月1—3日。

外業(yè)像控測(cè)量采用平高區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，像控點(diǎn)采用CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK方式測(cè)量，本次像控點(diǎn)測(cè)量利用山東省和江蘇省連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，像控制點(diǎn)對(duì)最近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差為±0.3m，高程中誤差為±0.08m。

空三加密采用PHOTOMOD數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件，對(duì)具有POS輔助數(shù)據(jù)的數(shù)碼影像進(jìn)行自動(dòng)匹配影像生成高精度連接點(diǎn)；對(duì)于點(diǎn)位不足的區(qū)域人工添加連接點(diǎn)，在像片上量測(cè)外業(yè)控制點(diǎn)；最后采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，剔除粗差點(diǎn)，獲取高精度空中三角測(cè)量成果，為建立測(cè)區(qū)模型及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

數(shù)字正射影像制作首先結(jié)合合空三加密成果和生成的數(shù)字高程模型(DEM)，采用PHOTOMOD數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件的數(shù)字微分糾正模塊，按地面分辨率0.5m對(duì)原始影像進(jìn)行嚴(yán)格正射糾正，生成相對(duì)應(yīng)的單張正射影像；其次，基于INPHO數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件，采用整體接邊、一次成圖的方法，對(duì)整個(gè)區(qū)域單張數(shù)字正射影像進(jìn)行鑲嵌，同時(shí)完成整體勻光勻色、幾何接邊和色彩過(guò)渡等工作；最后，根據(jù)成圖分幅要求，將數(shù)字正射影像進(jìn)行裁剪分幅處理。

2.2.2衛(wèi)星遙感影像采集與處理

隨著國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)資源日益豐富，多顆衛(wèi)星協(xié)同監(jiān)測(cè)基本可達(dá)到每月大范圍重復(fù)覆蓋一次到數(shù)次的需求。本研究對(duì)比遙感監(jiān)測(cè)采用優(yōu)于2m空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像，包括高分一號(hào)、高分一號(hào)02星、高分一號(hào)03星、高分一號(hào)04星、高分二號(hào)、高分六號(hào)等，影像時(shí)間為2019年5—9月。衛(wèi)星遙感影像選取晴空少云且河道監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)無(wú)云覆蓋的遙感影像。

衛(wèi)星遙感影像處理主要包括正射校正、圖像融合、圖像增強(qiáng)、鑲嵌裁剪等。首先，以航空本底遙感影像為參考影像，結(jié)合研究區(qū)數(shù)字高程模型對(duì)采集的衛(wèi)星遙感影像全色和多光譜數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正射校正；其次，采用Pansharpen融合方法對(duì)全色和多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，得到2米多光譜融合影像；再次，采用指數(shù)計(jì)算、直方圖匹配、圖像拉伸等方法進(jìn)行圖像增強(qiáng)，提高監(jiān)測(cè)對(duì)象解譯精度；最后，根據(jù)研究區(qū)范圍，對(duì)遙感影像進(jìn)行鑲嵌與裁剪處理。

2.3 其他資料準(zhǔn)備

本研究收集了研究區(qū)地形圖、水利工程專題地圖、水行政審批許可、其他資料等，主要用于輔助遙感影像處理和解譯。

2.4 監(jiān)測(cè)對(duì)象解譯標(biāo)志建立

根據(jù)研究區(qū)水政業(yè)務(wù)需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)象劃分，主要包括圈圩、文體旅游、光伏電廠、碼頭、造船廠、房屋、采砂、魚(yú)塘、養(yǎng)殖場(chǎng)、蘆葦、片林等。結(jié)合河道水政執(zhí)法業(yè)務(wù)，綜合考慮相應(yīng)的圖像特征、地理特征、業(yè)務(wù)特征等要素，建立河道水政執(zhí)法遙感解譯標(biāo)志。圖像特征主要包括監(jiān)測(cè)對(duì)象本身的有關(guān)屬性在遙感影像上的直接標(biāo)志和間接標(biāo)志，包括形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理等[14]。地理特征主要包括監(jiān)測(cè)對(duì)象在地形地貌的空間分布特征。業(yè)務(wù)特征主要從監(jiān)測(cè)對(duì)象的類型、地物組成和整體性來(lái)考慮。本研究建立的部分監(jiān)測(cè)對(duì)象典型解譯標(biāo)志見(jiàn)表1。

表1 部分監(jiān)測(cè)對(duì)象典型解譯標(biāo)志

2.5 本底遙感監(jiān)測(cè)

利用0.5m空間分辨率航空正射影像，結(jié)合水行政審批許可和其他相關(guān)資料，根據(jù)河道監(jiān)測(cè)對(duì)象解譯標(biāo)志，遵循“先宏觀后微觀、由已知到未知、先易后難、由大到小”的原則，采用人工目視解譯的方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)河道監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行遙感影像特征分析，勾繪疑似監(jiān)測(cè)對(duì)象圖斑邊界，設(shè)置地理位置、中心經(jīng)度、中心緯度、面積、周長(zhǎng)、所屬管理單位、河(湖)長(zhǎng)等屬性字段并進(jìn)行賦值，得到初步解譯成果。借助無(wú)人機(jī)、照相機(jī)、GNSS等現(xiàn)場(chǎng)取證設(shè)備，采用現(xiàn)場(chǎng)查勘等方式對(duì)疑似圖斑進(jìn)行逐一查證和核實(shí)，修訂初步解譯圖斑生成監(jiān)測(cè)對(duì)象本底監(jiān)測(cè)成果，建立研究區(qū)河道監(jiān)測(cè)對(duì)象本底數(shù)據(jù)庫(kù)，為對(duì)比遙感監(jiān)測(cè)提供比對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.6 對(duì)比遙感監(jiān)測(cè)

在本底遙感監(jiān)測(cè)成果的基礎(chǔ)上，利用優(yōu)于2m空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行沂沭泗直管區(qū)河道監(jiān)測(cè)對(duì)象對(duì)比遙感監(jiān)測(cè)。

對(duì)比遙感監(jiān)測(cè)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索發(fā)現(xiàn)和人機(jī)交互分析識(shí)別相結(jié)合的方式進(jìn)行變化圖斑發(fā)現(xiàn)。首先，計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索發(fā)現(xiàn)基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)和多源地物特征指數(shù)(水體指數(shù)、植被指數(shù)、建筑指數(shù)等)，對(duì)最新高分辨率衛(wèi)星遙感影像和歷史高分辨率遙感影像進(jìn)行遍歷變化分析，查找生成疑似變化區(qū)域圖斑，縮小人工解譯作業(yè)范圍。其次，通過(guò)采用人機(jī)交互分析識(shí)別的方式對(duì)最新高分辨率衛(wèi)星遙感影像和本底數(shù)據(jù)或歷史遙感影像進(jìn)行時(shí)相序列影像比對(duì)、解譯成果比對(duì)，進(jìn)一步對(duì)計(jì)算機(jī)搜索識(shí)別出的疑似變化圖斑進(jìn)行修訂，提高疑似變化圖斑的識(shí)別準(zhǔn)確率。最后，采用現(xiàn)場(chǎng)查勘等方式對(duì)疑似變化圖斑進(jìn)行查證和核實(shí)，修訂相關(guān)屬性，生成監(jiān)測(cè)對(duì)象變化圖斑。通過(guò)對(duì)比遙感監(jiān)測(cè)及時(shí)、動(dòng)態(tài)跟蹤研究區(qū)監(jiān)測(cè)對(duì)象新增、減少、擴(kuò)大、縮小等變化，為河道水政執(zhí)法立案查處落實(shí)情況、水行政執(zhí)法公示、執(zhí)法全過(guò)程記錄和執(zhí)法可回溯管理等提供重要支撐。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)本底和對(duì)比遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，選取幾個(gè)典型案例進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果詳細(xì)對(duì)比，分析監(jiān)測(cè)成效，如圖3—7所示。

圖3 南四湖某碼頭遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

圖3為南四湖某碼頭遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。2018年10月該碼頭還在運(yùn)行中，碼頭上建有房屋等設(shè)施，?？苛舜罅窟\(yùn)輸船只，碼頭幾乎堆滿了各種貨物，碼頭占地面積達(dá)222994m2，如圖3(a)所示；2019年7月，該處碼頭已經(jīng)整改，附近河道內(nèi)沒(méi)有?？亢瓦\(yùn)輸往來(lái)船只，碼頭上原有房屋和堆放的貨物已經(jīng)清除完畢，如圖3(b)所示。

圖4為沂河沂南河段某光伏電廠遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。2018年10月，該光伏電廠還在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，光伏電板排列整齊，廠址居中位置還有房屋等配套設(shè)施，如圖4(a)所示；2019年6月，該光伏電廠的光伏電板和房屋等設(shè)施已被完全拆除，所占區(qū)域已經(jīng)平整恢復(fù)為原貌，如圖4(b)所示。

圖4 沂河沂南河段某光伏電廠遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

圖5為祊河某房屋遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。2018年10月，該處房屋結(jié)構(gòu)完整，可見(jiàn)周邊配套設(shè)施，院內(nèi)停車場(chǎng)可見(jiàn)停放車輛，如圖5(a)所示；2019年6月，該房屋已經(jīng)被整改拆除，拆除后原址上被防塵布遮蓋，如圖5(b)所示。

圖5 祊河某房屋遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

圖6為沂河郯城河段某文體旅游項(xiàng)目遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。該文體旅游項(xiàng)目為修建在河道堤防內(nèi)灘區(qū)的馬術(shù)場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)修建有大型跑道、看臺(tái)、馬棚、管理及游客休閑房屋等，如圖6(a)所示；2019年6月，該馬術(shù)場(chǎng)已完成整改清除，跑道已廢棄，看臺(tái)、馬棚、管理及游客休閑等房屋已經(jīng)拆除，如圖6(b)所示。

圖6 沂河郯城河段某文體旅游項(xiàng)目遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

圖7為南四湖某文體旅游項(xiàng)目遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。2018年10月該處為南四湖湖泊內(nèi)自然蘆葦灘地，如圖7(a)所示；2019年7月，該處灘地蘆葦?shù)戎脖灰驯磺謇?，土地進(jìn)行了人為平整，疑似在建建設(shè)項(xiàng)目，如圖7(b)所示。通過(guò)實(shí)地核查，為一處動(dòng)土違規(guī)在建的文體旅游項(xiàng)目，水政執(zhí)法人員根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)對(duì)該處違規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行執(zhí)法整改，停止了項(xiàng)目建設(shè)。

圖7 南四湖某文體旅游項(xiàng)目遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

本文綜合利用航空、衛(wèi)星等遙感技術(shù)手段進(jìn)行河道水政執(zhí)法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，全面獲取了河道內(nèi)圈圩、文體旅游、臨河房屋、碼頭、光伏電廠等監(jiān)測(cè)對(duì)象本底信息，動(dòng)態(tài)跟蹤發(fā)現(xiàn)了水事活動(dòng)的新增和整改清除等變化情況，實(shí)現(xiàn)水政執(zhí)法問(wèn)題變化高效監(jiān)管、動(dòng)態(tài)更新，有效解決傳統(tǒng)水政執(zhí)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題不及時(shí)、監(jiān)管成本高、持續(xù)跟蹤難度大等問(wèn)題，為沂沭泗河道水政執(zhí)法提供了有力支撐，取得了良好應(yīng)用效果。在將來(lái)的水政執(zhí)法遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，需進(jìn)一步加強(qiáng)多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用，提高監(jiān)測(cè)頻次，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，強(qiáng)化人工智能等先進(jìn)計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)在監(jiān)測(cè)對(duì)象信息提取中的應(yīng)用，提升動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的智能化水平。