前言：本站為你精心整理了遙感衛(wèi)星技術在河湖監(jiān)管的應用范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

摘要：衛(wèi)星遙感技術具有觀測范圍廣、獲取信息大、動態(tài)更新快、環(huán)境適應強等特點，可廣泛應用于河湖監(jiān)管。本文介紹了衛(wèi)星遙感技術最新進展，分析了衛(wèi)星遙感技術在河湖監(jiān)管中的應用領域，并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：衛(wèi)星遙感；河湖監(jiān)管；應用與展望

一、前言

江河湖泊具有重要的資源功能和生態(tài)功能，是洪水的通道、水資源的載體、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。當前我國河湖存在著水域面積萎縮、管理范圍侵占、生態(tài)用水不足、水體污染嚴重等突出問題，人民群眾對水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足成為了我國目前治水的主要矛盾。根據(jù)新時代水利改革發(fā)展的總基調(diào)要求，河湖監(jiān)管工作已是“水利行業(yè)強監(jiān)管”的重中之重[1]。但是，由于江河湖泊眾多，并受限于監(jiān)管手段有限等因素，河湖水資源管理、河湖資源保護、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復、長效管護、監(jiān)管執(zhí)法等方面的工作相對滯后。相比傳統(tǒng)監(jiān)管手段存在不高效、不全面、不及時、不精確等問題，衛(wèi)星遙感技術具有宏觀、快速、動態(tài)、經(jīng)濟等優(yōu)勢，可實現(xiàn)對大范圍的河湖狀態(tài)全天候全天時的動態(tài)監(jiān)測。近年來，衛(wèi)星遙感技術快速發(fā)展，為開展河湖管理動態(tài)監(jiān)控、加強河湖管理提供了有效途徑。

二、衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展及水利應用現(xiàn)狀

衛(wèi)星遙感技術是以人造地球衛(wèi)星作為遙感平臺，對地球和低層大氣進行光學和電子觀測的技術，具有觀測范圍廣、獲取信息量大、動態(tài)更新快等特點，很早就引起各國重視。美國早在1961年就發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星，其后1972年、1978年又先后發(fā)射了第一顆陸地衛(wèi)星和第一顆海洋衛(wèi)星，當前民用遙感衛(wèi)星中空間分辨率最高的也是美國的世界觀測衛(wèi)星（WorldView），其影像空間分辨率達到0.31m。歐盟、俄羅斯、日本、加拿大等國家和組織相繼發(fā)射了一系列遙感衛(wèi)星，如歐洲航天局哨兵（Sentinel）系列衛(wèi)星、俄羅斯資源（Resurs）系列衛(wèi)星、日本的先進陸地觀測衛(wèi)星（ALOS）、加拿大的雷達衛(wèi)星（Radarsat）等。我國遙感衛(wèi)星的發(fā)展晚于歐美先進國家，1988年發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星風云一號（FY-1），1999年發(fā)射第一顆數(shù)字傳輸型資源衛(wèi)星中巴地球資源衛(wèi)星01星（CBERS-01），其后遙感衛(wèi)星發(fā)展進入快車道，先后成功發(fā)射了氣象、資源、海洋、環(huán)境減災、測繪等系列遙感衛(wèi)星[2]。特別是2010年以來，通過高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項，我國先后發(fā)射高分一號到高分七號7顆衛(wèi)星，同時民用商業(yè)遙感衛(wèi)星如高景一號、北京二號、吉林一號、珠海一號等也紛紛升空，具有高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率的對地觀測體系初步形成，可在2～3天內(nèi)實現(xiàn)對全國任意地區(qū)有效觀測，對地觀測能力大大增強。豐富的國產(chǎn)遙感衛(wèi)星資源極大地推動了遙感應用的深度和廣度，也為水利遙感業(yè)務化應用創(chuàng)造了良好條件。尤其是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項的實施，有力支撐了防汛抗旱、水資源管理、水土保持等業(yè)務，促進了自主衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在水利領域的大規(guī)模應用。在防洪方面，基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，開展了2013年黑龍江大洪水，2016年長江中下游洪澇災害，2018年金沙江、雅魯藏布江堰塞湖及2020年江西、安徽特大洪澇災害等衛(wèi)星遙感監(jiān)測，實現(xiàn)了對災情的快速、及時、動態(tài)的監(jiān)測；在抗旱方面，開發(fā)了水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了全國旱情的定期遙感監(jiān)測；在水資源方面，基于衛(wèi)星遙感開展了示范區(qū)重要水源地水體范圍監(jiān)測、重要水源地蓄水量估算、水功能區(qū)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測以及灌溉面積監(jiān)測等工作；在水土保持方面，遙感技術也成為土壤侵蝕監(jiān)測評價、生產(chǎn)建設項目監(jiān)管、水土保持效益評價三大業(yè)務的支撐技術。

三、衛(wèi)星遙感技術

在河湖監(jiān)管中的應用我國地理氣候條件特殊，水系復雜，隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，河湖管理保護新老問題交織，生態(tài)環(huán)境問題十分突出。2016年以來，中共中央辦公廳、國務院辦公廳先后印發(fā)了《關于全面推行河長制的意見》《關于在湖泊實施湖長制的指導意見》，在全國江河湖泊全面推行河長制、湖長制，建立地方黨政領導牽頭的河湖管理保護責任體系和相應的制度體系，有力推進河湖治理保護各項工作，調(diào)動地方政府履行河湖管理、保護主體責任，促進河湖庫管理有人、管得住、管得好，解決中國復雜水問題。快速發(fā)展的遙感技術具有快速、客觀、經(jīng)濟的優(yōu)勢，能夠為河湖監(jiān)測提供重要支撐。

1.江河湖泊水體遙感監(jiān)測

地表水體監(jiān)測對于防汛抗旱以及水資源、生態(tài)和環(huán)境的保護都起著極其重要的作用。衛(wèi)星遙感可以快速獲得廣大地區(qū)全面、客觀、準確的河流、水庫、湖泊等地表水體信息，可以克服傳統(tǒng)手段高投入、長周期、低效率的缺點。對于光學衛(wèi)星遙感影像，天然水體的反射率在可見光范圍內(nèi)總體上比較低，且隨著波長增大逐漸降低，在藍綠光波段水體反射率約4%~5％，在近紅外波段最低，幾乎完全吸收。因此水體在遙感影像上呈暗色調(diào)，水陸界線相對比較清楚。基于這一水體光譜特點，可采用歸一化水體指數(shù)（NDWI）來提取水體信息。對于雷達衛(wèi)星影像，水體后向散射強度弱，水體灰度值小。平坦水面在雷達影像上通常表現(xiàn)為黑色，與其他地物有著較為明顯的區(qū)別?；谶@一水體影像特征，一般采用閾值法即可快速提取水體。閾值的確定主要有經(jīng)驗法、雙峰法以及最大類間方差法等，其中最大類間方差法具有精度高、不用人工干預等特點，使用最廣[3]。隨著衛(wèi)星遙感技術快速發(fā)展，可用于水體提取的遙感影像數(shù)據(jù)源越來越多，大范圍快速水體提取技術日益成熟。采用遙感技術監(jiān)測江河湖泊面積的變化，一方面可以從自然的角度來探求江河湖泊面積的年內(nèi)和年際變化的規(guī)律和趨勢，分析人類活動對于地表自然水體的影響，以及更好地通過流域管理來保護河流湖泊。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測可對河流、湖泊、水庫進行監(jiān)測和識別，對保護生態(tài)健康具有重要意義。

2.河湖岸線和河口遙感監(jiān)測

河湖岸線和河口是河湖監(jiān)管重要內(nèi)容，衛(wèi)星遙感技術是河湖岸線及河口變化監(jiān)測與調(diào)查評價的重要支撐技術[4]。河道水沙變化會引起河道沖淤和地貌變化，河道采砂也會導致河勢發(fā)生變化，在國際界河上河道中泓線的變化還會引起國土面積的變化。因此河湖岸線及河勢變化遙感監(jiān)測一直是水利遙感研究的問題之一。圖2為黑龍江的局部河道及江心洲岸線遙感監(jiān)測專題圖，從中可以看出，河道岸線及江心洲變化非常明顯。另外，河口作為陸地和海洋的交匯處，在徑流、潮流、風浪流等水動力因素的相互作用下，一方面使泥沙輸移、擴散和沉積，另一方面還對局部河床產(chǎn)生沖刷作用，從而使河床地形以及平面邊界發(fā)生變化。黃河、長江及珠江等河口變化均較大。北方黃河因多沙，河口以淤積為主，河口三角洲也是我國新增濕地最多的區(qū)域。南方珠江有八個入海水道，八大口門近幾十年來變化也非常大。河口地區(qū)遙感動態(tài)監(jiān)測可為河口治理提供重要依據(jù)。

3.江河湖泊水污染遙感監(jiān)測

水污染監(jiān)測與治理是河湖管理中的重要方面，加強水污染監(jiān)測對維系河湖健康、推進綠色可持續(xù)發(fā)展、保障區(qū)域水安全具有重要意義。近年來，隨著我國加大河湖治理力度，總體上河湖水質(zhì)明顯改善，但是局部地區(qū)、局部水域的水環(huán)境污染情況仍比較嚴重。衛(wèi)星遙感技術可以反演水體中葉綠素a、懸浮物濃度、濁度等水質(zhì)指標，在大范圍水污染事件監(jiān)測方面有突出優(yōu)勢，近年來廣泛應用于對水華、黑臭水體等水色特征明顯的污染事件監(jiān)測。藍藻作為水華的一種，在我國南方內(nèi)陸湖泊時有爆發(fā)，是水體富營養(yǎng)化后表現(xiàn)出地藻類超常生長的一種水生態(tài)失衡的現(xiàn)象。正常水體在紅光-近紅外-短波紅外波段是強吸收，而藍藻水華在近紅外的反射率要遠大于紅光和短波紅外波段，使水體光譜表現(xiàn)出與植被光譜相似的特征。可采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）或者浮游藻類指數(shù)（FAI）來提取藍藻?；谶b感技術的水華監(jiān)測已經(jīng)成為部分湖庫水源地水華、藍藻監(jiān)測的主要手段，很好地支撐了水華、藍藻治理工作。圖3為巢湖藍藻衛(wèi)星遙感監(jiān)測專題圖。另外，黑臭水體是城市河道、湖泊的一種主要水色污染現(xiàn)象，是城市河湖水污染整治的重點。目前，由于黑臭水體常發(fā)生在城市小河道、湖泊、坑塘中，需要高分辨率影像觀測，黑臭水體遙感監(jiān)測尚未形成成熟的業(yè)務監(jiān)測能力，監(jiān)測手段仍以地面人工調(diào)查為主。隨著高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)源的豐富，衛(wèi)星遙感在城市黑臭水體監(jiān)測中越來越能夠發(fā)揮重要的作用。

4.江河湖泊疑似違法遙感監(jiān)測

遙感技術很早就應用于土地執(zhí)法監(jiān)察、城市規(guī)劃執(zhí)法監(jiān)察中。近年來，隨著各類水事活動更加頻繁,水事違法案件日漸增多,傳統(tǒng)的水政監(jiān)察執(zhí)法手段的不足和弊端日益凸顯，遙感技術在水政監(jiān)察中得到廣泛應用[5-6]。非法侵占水域灘地、非法采砂、非法堆放固體廢棄物、非法排污以及河道內(nèi)建設非法建筑物等違法行為，嚴重影響河湖生態(tài)健康?；诙嘣磩討B(tài)遙感數(shù)據(jù)，利用河湖及周邊地區(qū)變化檢測技術，實現(xiàn)對江河湖泊疑似違法的快速監(jiān)測，為水政執(zhí)法提供支撐。中國水利水電科學研究院與湖北省合作開展的湖北省湖泊遙感監(jiān)測工作，利用遙感影像和影像識別技術，實現(xiàn)對湖北省湖泊動態(tài)監(jiān)測，分別采用優(yōu)于6m分辨率的全色（光）影像圖和優(yōu)于2.5m分辨率全色（光）影像圖對湖北省755個湖泊和22個重點湖泊的岸線、保護區(qū)、控制區(qū)及湖體內(nèi)物體進行監(jiān)測和分析，對識別的異常情況進行分析、判斷、存儲，并將告警提示同步顯示在平臺和手持終端設備上，同時實現(xiàn)對執(zhí)法過程的遠程記錄和監(jiān)督。該項目將衛(wèi)星遙感技術應用到湖泊執(zhí)法監(jiān)測中，在全國水利系統(tǒng)開創(chuàng)先例。水利部自2018年7月開始，在全國范圍內(nèi)部署對亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖突出問題開展專項清理整治行動，要求對第一次全國水利普查流域面積1000km2以上河流、水面面積1km2以上湖泊的“四亂”問題進行全面摸查和清理整治。水利部信息中心聯(lián)合黃委、長委、珠江委相關單位采用高分辨率遙感技術開展河湖“清四亂”遙感監(jiān)管，取得良好效果。目前“清四亂”專項行動已轉(zhuǎn)化為常態(tài)工作。

四、發(fā)展趨勢與未來展望

（1）河湖遙感監(jiān)測內(nèi)容進一步豐富和完善

長期以來，一些地方圍墾湖泊、侵占水域、超標排污、違法養(yǎng)殖、非法采砂，造成河湖面積萎縮、水域空間減少、水質(zhì)惡化、生物棲息地破壞等問題突出，河湖功能嚴重退化。衛(wèi)星遙感不僅能為河流湖泊動態(tài)變化監(jiān)測提供支撐，還能為洪澇災害、水文水質(zhì)等方面提供重要支撐。未來將進一步推進衛(wèi)星遙感在河湖岸線、水資源、水質(zhì)、水生態(tài)等方面的工作，挖掘衛(wèi)星遙感的應用潛力,提高河流湖泊監(jiān)測和服務生態(tài)環(huán)境的能力。

（2）多星組網(wǎng)與空天地一體化提升河流湖泊遙感監(jiān)測能力

遙感數(shù)據(jù)是遙感信息服務的根本，及時全面的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是遙感業(yè)務化應用的基礎。由于衛(wèi)星自身的物理性能限制，高空間分辨率和時間分辨率是一對矛盾體，往往不可兼得。目前，高分辨率光學衛(wèi)星在南方多云多雨地區(qū)實現(xiàn)高頻次有效覆蓋上尚存在一定的困難，大范圍高頻次衛(wèi)星遙感影像的獲取是目前遙感業(yè)務化應用的瓶頸問題。隨著遙感技術的進步和發(fā)展，遙感對地觀測網(wǎng)絡正在形成高、中、低軌道相結(jié)合，大、中、小衛(wèi)星協(xié)同，可以獲取高、中、低分辨率互補的遙感數(shù)據(jù)源。為應對未來大范圍河湖監(jiān)測需求，需要發(fā)展不同時相、不同空間分辨率、不同光譜、不同傳感器類型聯(lián)合協(xié)同觀測，提升衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的保障能力。

（3）遙感大數(shù)據(jù)與人工智能技術將提升河湖

遙感監(jiān)測精度與效率目前，衛(wèi)星遙感技術正朝著高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率方向發(fā)展，遙感影像數(shù)據(jù)量越來越大，如何快速、高效提取河湖監(jiān)管信息成為難題。以遙感大數(shù)據(jù)為支撐的信息挖掘技術以及以深度學習為代表的人工智能，將成為河湖遙感監(jiān)管的支撐技術，替代傳統(tǒng)的目視解譯與影像分類技術。

（4）遙感技術為河湖長制提供技術支撐

河湖長制是中央貫徹落實綠色發(fā)展理念的一項重要舉措，全面推行河湖長制、加強河湖管理，事關生態(tài)安全，事關人民福祉。截至2018年年底，全國已全面建立了河長制湖長制，設立了各級河湖長及河長辦，建立了河湖監(jiān)管的相關制度，探索形成了明察暗訪相結(jié)合的監(jiān)管方式，為推進水利行業(yè)強監(jiān)管搭建了重要基礎平臺。目前，河湖長制工作進入從“有名”向“有實”轉(zhuǎn)變的重要階段，客觀、經(jīng)濟、高效的監(jiān)管手段至關重要。毫無疑問，遙感技術，包括衛(wèi)星和無人機遙感，將為河湖長制提供強有力的技術支撐。

參考文獻

[1]王冠軍,劉小勇.推進河湖強監(jiān)管的認識與思考[J].中國水利,2019（10）:5-7+10.

[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].遙感學報,2020,24（5）：479-510.

[3]李景剛,黃詩峰,李紀人.ENVISAT衛(wèi)星先進合成孔徑雷達數(shù)據(jù)水體提取研究——改進的最大類間方差閾值法[J].自然災害學報,2010,19（3）：139-145.

[4]李紀人,黃詩峰,等.3S技術水利應用指南[M],中國水利水電出版社,2003.

[5]申邵洪,魏顯棟,潘泊,等.空間信息技術支撐下的水政監(jiān)察系統(tǒng)研究[J].長江科學院院報,2015,32（7）:133-136.

[6]梁東業(yè),譚德寶,宋麗.空間信息技術在水政監(jiān)察執(zhí)法中的應用研究[J].長江科學院院報,2010,27（1）:33-36+41.

作者：黃詩峰  單位：中國水利水電科學研究院