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摘要：衛(wèi)星遙感技術(shù)具有觀測(cè)范圍廣、獲取信息大、動(dòng)態(tài)更新快、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于河湖監(jiān)管。本文介紹了衛(wèi)星遙感技術(shù)最新進(jìn)展，分析了衛(wèi)星遙感技術(shù)在河湖監(jiān)管中的應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星遙感；河湖監(jiān)管；應(yīng)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(dāng)前我國(guó)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(yán)重等突出問(wèn)題，人民群眾對(duì)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(guó)目前治水的主要矛盾。根據(jù)新時(shí)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(qiáng)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(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、長(zhǎng)效管護(hù)、監(jiān)管執(zhí)法等方面的工作相對(duì)滯后。相比傳統(tǒng)監(jiān)管手段存在不高效、不全面、不及時(shí)、不精確等問(wèn)題，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、快速、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍的河湖狀態(tài)全天候全天時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，為開(kāi)展河湖管理動(dòng)態(tài)監(jiān)控、加強(qiáng)河湖管理提供了有效途徑。

二、衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展及水利應(yīng)用現(xiàn)狀

衛(wèi)星遙感技術(shù)是以人造地球衛(wèi)星作為遙感平臺(tái)，對(duì)地球和低層大氣進(jìn)行光學(xué)和電子觀測(cè)的技術(shù)，具有觀測(cè)范圍廣、獲取信息量大、動(dòng)態(tài)更新快等特點(diǎn)，很早就引起各國(guó)重視。美國(guó)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(dāng)前民用遙感衛(wèi)星中空間分辨率最高的也是美國(guó)的世界觀測(cè)衛(wèi)星（WorldView），其影像空間分辨率達(dá)到0.31m。歐盟、俄羅斯、日本、加拿大等國(guó)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(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星（ALOS）、加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星（Radarsat）等。我國(guó)遙感衛(wèi)星的發(fā)展晚于歐美先進(jìn)國(guó)家，1988年發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)（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(jìn)入快車道，先后成功發(fā)射了氣象、資源、海洋、環(huán)境減災(zāi)、測(cè)繪等系列遙感衛(wèi)星[2]。特別是2010年以來(lái)，通過(guò)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)，我國(guó)先后發(fā)射高分一號(hào)到高分七號(hào)7顆衛(wèi)星，同時(shí)民用商業(yè)遙感衛(wèi)星如高景一號(hào)、北京二號(hào)、吉林一號(hào)、珠海一號(hào)等也紛紛升空，具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率的對(duì)地觀測(cè)體系初步形成，可在2～3天內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)任意地區(qū)有效觀測(cè)，對(duì)地觀測(cè)能力大大增強(qiáng)。豐富的國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星資源極大地推動(dòng)了遙感應(yīng)用的深度和廣度，也為水利遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。尤其是高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)的實(shí)施，有力支撐了防汛抗旱、水資源管理、水土保持等業(yè)務(wù)，促進(jìn)了自主衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在水利領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。在防洪方面，基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，開(kāi)展了2013年黑龍江大洪水，2016年長(zhǎng)江中下游洪澇災(zāi)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(zāi)害等衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)災(zāi)情的快速、及時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)；在抗旱方面，開(kāi)發(fā)了水利部旱情遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)旱情的定期遙感監(jiān)測(cè)；在水資源方面，基于衛(wèi)星遙感開(kāi)展了示范區(qū)重要水源地水體范圍監(jiān)測(cè)、重要水源地蓄水量估算、水功能區(qū)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)以及灌溉面積監(jiān)測(cè)等工作；在水土保持方面，遙感技術(shù)也成為土壤侵蝕監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管、水土保持效益評(píng)價(jià)三大業(yè)務(wù)的支撐技術(shù)。

三、衛(wèi)星遙感技術(shù)

在河湖監(jiān)管中的應(yīng)用我國(guó)地理氣候條件特殊，水系復(fù)雜，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，河湖管理保護(hù)新老問(wèn)題交織，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題十分突出。2016年以來(lái)，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳先后印發(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)》，在全國(guó)江河湖泊全面推行河長(zhǎng)制、湖長(zhǎng)制，建立地方黨政領(lǐng)導(dǎo)牽頭的河湖管理保護(hù)責(zé)任體系和相應(yīng)的制度體系，有力推進(jìn)河湖治理保護(hù)各項(xiàng)工作，調(diào)動(dòng)地方政府履行河湖管理、保護(hù)主體責(zé)任，促進(jìn)河湖庫(kù)管理有人、管得住、管得好，解決中國(guó)復(fù)雜水問(wèn)題?？焖侔l(fā)展的遙感技術(shù)具有快速、客觀、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楹雍O(jiān)測(cè)提供重要支撐。

1.江河湖泊水體遙感監(jiān)測(cè)

地表水體監(jiān)測(cè)對(duì)于防汛抗旱以及水資源、生態(tài)和環(huán)境的保護(hù)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(zhǔn)確的河流、水庫(kù)、湖泊等地表水體信息，可以克服傳統(tǒng)手段高投入、長(zhǎng)周期、低效率的缺點(diǎn)。對(duì)于光學(xué)衛(wèi)星遙感影像，天然水體的反射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)總體上比較低，且隨著波長(zhǎng)增大逐漸降低，在藍(lán)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(duì)比較清楚?；谶@一水體光譜特點(diǎn)，可采用歸一化水體指數(shù)（NDWI）來(lái)提取水體信息。對(duì)于雷達(dá)衛(wèi)星影像，水體后向散射強(qiáng)度弱，水體灰度值小。平坦水面在雷達(dá)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(yàn)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(yù)等特點(diǎn)，使用最廣[3]。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，可用于水體提取的遙感影像數(shù)據(jù)源越來(lái)越多，大范圍快速水體提取技術(shù)日益成熟。采用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)江河湖泊面積的變化，一方面可以從自然的角度來(lái)探求江河湖泊面積的年內(nèi)和年際變化的規(guī)律和趨勢(shì)，分析人類活動(dòng)對(duì)于地表自然水體的影響，以及更好地通過(guò)流域管理來(lái)保護(hù)河流湖泊。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)可對(duì)河流、湖泊、水庫(kù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別，對(duì)保護(hù)生態(tài)健康具有重要意義。

2.河湖岸線和河口遙感監(jiān)測(cè)

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(shù)是河湖岸線及河口變化監(jiān)測(cè)與調(diào)查評(píng)價(jià)的重要支撐技術(shù)[4]。河道水沙變化會(huì)引起河道沖淤和地貌變化，河道采砂也會(huì)導(dǎo)致河勢(shì)發(fā)生變化，在國(guó)際界河上河道中泓線的變化還會(huì)引起國(guó)土面積的變化。因此河湖岸線及河勢(shì)變化遙感監(jiān)測(cè)一直是水利遙感研究的問(wèn)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(cè)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(fēng)浪流等水動(dòng)力因素的相互作用下，一方面使泥沙輸移、擴(kuò)散和沉積，另一方面還對(duì)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(zhǎng)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(guó)新增濕地最多的區(qū)域。南方珠江有八個(gè)入海水道，八大口門(mén)近幾十年來(lái)變化也非常大。河口地區(qū)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)

水污染監(jiān)測(cè)與治理是河湖管理中的重要方面，加強(qiáng)水污染監(jiān)測(cè)對(duì)維系河湖健康、推進(jìn)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(lái)，隨著我國(guó)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(yán)重。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以反演水體中葉綠素a、懸浮物濃度、濁度等水質(zhì)指標(biāo)，在大范圍水污染事件監(jiān)測(cè)方面有突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于對(duì)水華、黑臭水體等水色特征明顯的污染事件監(jiān)測(cè)。藍(lán)藻作為水華的一種，在我國(guó)南方內(nèi)陸湖泊時(shí)有爆發(fā)，是水體富營(yíng)養(yǎng)化后表現(xiàn)出地藻類超常生長(zhǎng)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(qiáng)吸收，而藍(lán)藻水華在近紅外的反射率要遠(yuǎn)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(lái)提取藍(lán)藻?；谶b感技術(shù)的水華監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為部分湖庫(kù)水源地水華、藍(lán)藻監(jiān)測(cè)的主要手段，很好地支撐了水華、藍(lán)藻治理工作。圖3為巢湖藍(lán)藻衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)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(diǎn)。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(cè)，黑臭水體遙感監(jiān)測(cè)尚未形成成熟的業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)能力，監(jiān)測(cè)手段仍以地面人工調(diào)查為主。隨著高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)源的豐富，衛(wèi)星遙感在城市黑臭水體監(jiān)測(cè)中越來(lái)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(cè)

遙感技術(shù)很早就應(yīng)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(lái)，隨著各類水事活動(dòng)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(shù)在水政監(jiān)察中得到廣泛應(yīng)用[5-6]。非法侵占水域?yàn)┑?、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(shè)非法建筑物等違法行為，嚴(yán)重影響河湖生態(tài)健康?；诙嘣磩?dòng)態(tài)遙感數(shù)據(jù)，利用河湖及周邊地區(qū)變化檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)江河湖泊疑似違法的快速監(jiān)測(cè)，為水政執(zhí)法提供支撐。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院與湖北省合作開(kāi)展的湖北省湖泊遙感監(jiān)測(cè)工作，利用遙感影像和影像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)湖北省湖泊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，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(duì)湖北省755個(gè)湖泊和22個(gè)重點(diǎn)湖泊的岸線、保護(hù)區(qū)、控制區(qū)及湖體內(nèi)物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)識(shí)別的異常情況進(jìn)行分析、判斷、存儲(chǔ)，并將告警提示同步顯示在平臺(tái)和手持終端設(shè)備上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)法過(guò)程的遠(yuǎn)程記錄和監(jiān)督。該項(xiàng)目將衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用到湖泊執(zhí)法監(jiān)測(cè)中，在全國(guó)水利系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)先例。水利部自2018年7月開(kāi)始，在全國(guó)范圍內(nèi)部署對(duì)亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖突出問(wèn)題開(kāi)展專項(xiàng)清理整治行動(dòng)，要求對(duì)第一次全國(guó)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(wèn)題進(jìn)行全面摸查和清理整治。水利部信息中心聯(lián)合黃委、長(zhǎng)委、珠江委相關(guān)單位采用高分辨率遙感技術(shù)開(kāi)展河湖“清四亂”遙感監(jiān)管，取得良好效果。目前“清四亂”專項(xiàng)行動(dòng)已轉(zhuǎn)化為常態(tài)工作。

四、發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)展望

（1）河湖遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)一步豐富和完善

長(zhǎng)期以來(lái)，一些地方圍墾湖泊、侵占水域、超標(biāo)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(wèn)題突出，河湖功能嚴(yán)重退化。衛(wèi)星遙感不僅能為河流湖泊動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)提供支撐，還能為洪澇災(zāi)害、水文水質(zhì)等方面提供重要支撐。未來(lái)將進(jìn)一步推進(jìn)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(yīng)用潛力,提高河流湖泊監(jiān)測(cè)和服務(wù)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(cè)能力

遙感數(shù)據(jù)是遙感信息服務(wù)的根本，及時(shí)全面的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于衛(wèi)星自身的物理性能限制，高空間分辨率和時(shí)間分辨率是一對(duì)矛盾體，往往不可兼得。目前，高分辨率光學(xué)衛(wèi)星在南方多云多雨地區(qū)實(shí)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(wù)化應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，遙感對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)的遙感數(shù)據(jù)源。為應(yīng)對(duì)未來(lái)大范圍河湖監(jiān)測(cè)需求，需要發(fā)展不同時(shí)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(cè)，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(shù)將提升河湖

遙感監(jiān)測(cè)精度與效率目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)正朝著高空間分辨率、高時(shí)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(lái)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(shù)以及以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能，將成為河湖遙感監(jiān)管的支撐技術(shù)，替代傳統(tǒng)的目視解譯與影像分類技術(shù)。

（4）遙感技術(shù)為河湖長(zhǎng)制提供技術(shù)支撐

河湖長(zhǎng)制是中央貫徹落實(shí)綠色發(fā)展理念的一項(xiàng)重要舉措，全面推行河湖長(zhǎng)制、加強(qiáng)河湖管理，事關(guān)生態(tài)安全，事關(guān)人民福祉。截至2018年年底，全國(guó)已全面建立了河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制，設(shè)立了各級(jí)河湖長(zhǎng)及河長(zhǎng)辦，建立了河湖監(jiān)管的相關(guān)制度，探索形成了明察暗訪相結(jié)合的監(jiān)管方式，為推進(jìn)水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管搭建了重要基礎(chǔ)平臺(tái)。目前，河湖長(zhǎng)制工作進(jìn)入從“有名”向“有實(shí)”轉(zhuǎn)變的重要階段，客觀、經(jīng)濟(jì)、高效的監(jiān)管手段至關(guān)重要。毫無(wú)疑問(wèn)，遙感技術(shù)，包括衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)遙感，將為河湖長(zhǎng)制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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作者：黃詩(shī)峰  單位：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院