吉林一号卫星在河湖“清四乱”中的应用

文 | 李彤 王春月 刘思言 秦磊

长光卫星技术股份有限公司

一、引言

河湖四乱集中表现为乱占、乱采、乱堆、乱建，有效监督河湖四乱的核实和整改情况，属于河湖长制工作推进的重要工作内容之一[1]。《水利部办公厅关于明确全国河湖“清四乱”专项行动问题认定及清理整治标准的通知》（办河湖〔2018〕245号）中明确提出“清四乱”专项行动问题认定及清理整治标准。2020年印发《水利部办公厅关于深入推进河湖“清四乱”常态化规范化的通知》（办河湖〔2020〕35号），明确指示了地方各级河长办、水务行政主管部门和各流域管理机构，应当把信息化建设视为重要工作目标，并综合运用卫星遥感、视频监测、无人机、手机APP等手段做好河湖管护，以提升河湖监管的信息化、现代化管理水平。《2023年河湖管理工作要点》要求进一步强化河湖长制，持续清理整治河湖四乱问题，坚决遏增量、清存量，将清理整治工作向中小河流、乡村河湖延伸。加强遥感等技术成果应用，形成合法的地物图斑本底数据库，实现河湖遥感数据周期化解译对比，强化遥感图斑闭环动态管理，提升监管效能。

在监管河湖四乱问题时，由于河湖数量多、水域面广、河湖岸线长，在一定程度上加大了河湖四乱问题监测监管难度，而传统的人工巡河方式成本高、效率低，难以满足当前对河湖四乱问题大范围、精准性、及时性和常态化治理与管控的需求[2-4]。同时利用传统方式监管河湖四乱问题时难以做到溯源和持续追踪，为及时、全面、持续地实现对河湖四乱问题的监管，迫切需要采用遥感技术、GIS技术等创新巡查监管手段。随着卫星遥感技术的发展，其感知范围逐渐变大，并具有光谱信息丰富、观测视角高等优点，有利于对河湖管理范围内疑似违法行为分布及其程度进行认知，可以为河湖“清四乱”提供数据依据[5-6]。

本文结合卫星监测、手机APP、Web系统三种技术手段，构建基于吉林一号卫星的“天上看、地上查、网上管”模式用于解决河湖四乱问题，加强河湖问题动态化、可视化、规范化管理，并成功应用于长春市河湖四乱遥感监察任务中，为河湖“清四乱”提供技术支撑和执法依据。

二、河湖四乱遥感监管模式

吉林一号卫星星座是长光卫星技术股份有限公司在建的核心工程，由138颗涵盖高分辨、大幅宽、视频、多光谱等系列的高性能光学遥感卫星组成。截至2023年11月23日，已实现了108颗吉林一号卫星在轨运行，成为当前全世界规模最大的亚米级商业遥感卫星星座，目前可以对全世界任意地点实现每天35-37次重访，具有全球一张图一年更新3次、全国一张图一年更新9次的能力。吉林一号具有重访高、分辨率高、幅宽大等优势[7]，可以为河湖监测提供丰富的遥感数据和产品服务。

为推动构建河湖“清四乱”行为的常态化和规范化工作机制，落实归属地监管责任，提升河湖问题动态化、可视化、规范化管理水平，本文提出基于吉林一号的“天上看、地上查、网上管”三位一体解决河湖四乱问题的模式（图1）。

图1 基于吉林一号的河湖四乱遥感监管模式

“天上看”：依托吉林一号卫星星座快速重访的亚米级分辨率的卫星影像，通过深度学习算法和人机交互解译得到疑似河湖四乱图斑和相关属性信息。通过吉林一号星座可实现全面、精准、动态获取大面积水域乱占、乱采、乱堆、乱建等问题的详细信息，实现全流域各要素的常态化监测，有效解决河湖四乱问题监管时摸排难度大、无法持续跟踪等问题。

“地上查”：使用者可通过河湖四乱核查助手App完成对四乱点位的定位导航、拍照上传、日常巡查和问题上报；管理人员可通过此App实现核查审核、整改审核和抽查复核等功能的移动办公，推动监测发现的疑似问题逐个落实整改、逐个完成销号。

“网上管”：使用者通过Web系统可以进行图斑管理和相关信息审核，方便决策与工作部署，完善全流程闭环管理，实现河湖问题动态清零。

三、河湖四乱遥感监管应用

1. 河湖四乱卫星遥感解译特征

河湖四乱卫星遥感监管的主要对象为河湖管理范围内的乱占、乱采、乱堆、乱建四种类型的地物，根据对河湖四乱问题的界定以及长期进行卫星遥感应用服务的经验，确定典型问题特征与影像样本（表1）。

表1 河湖四乱问题的界定、遥感特征与吉林一号影像样本

2.四乱信息图斑提取流程

利用高分辨率卫星遥感影像进行四乱信息图斑提取和分析工作，流程如图2所示。首先，建立样本解译标志，并对样本解译标志进行抽查检验，保证选择样本的准确性；然后，利用样本解译标志中的典型地物图斑进行软件自动识别和人机交互解译相结合的方法实现河湖岸线管理范围区域内各类图斑的提取，自动化提取效果示例如图 3和图 4所示；最后，对软件自动识别和人机交互解译得到的综合结果进行分析，形成河湖岸线管理范围遥感监测清单及监测报告，包括统计分析表、监测说明等内容，持续对四乱信息图斑的变化情况进行跟踪，分析整治及新增状况，确保数据持续关注。

图2 四乱图斑提取流程

图3 坑塘自动化提取效果

图4 网箱自动化提取效果

对算法自动识别和人机交互解译得到的综合结果进行分析，形成岸线管理范围遥感监测清单及监测报告，包括统计分析表、监测说明等内容，持续对每期四乱信息图斑的变化情况进行跟踪，分析整治及新增状况，做到数据持续跟踪，并通过人工筛查图斑的方式，对所得到的结果进行修订。最终河湖四乱图斑成果属性信息包括但不限于：图斑编号、四乱一级类型和二级类型、图斑面积、影像时间、所属河湖编号及名称、经度、纬度、行政区划。

3.河湖四乱遥感监管系统

河湖四乱遥感监管系统主要功能是对疑似问题图斑进行核查、管理和展示。下面以长春市河湖四乱遥感监管系统为例进行功能详细介绍。

长春市河湖四乱遥感监管系统使用用户为市级、区县级、乡镇级河长制的工作人员。系统分为河湖四乱遥感监管Web系统和河湖四乱核查助手App，其中Web系统主要的功能是对核查员核查过的图斑信息进行核查审核和整改审核，销号处理、图斑转出等，比如现场核查和整改是否准确到位，都需要通过Web系统进行判定。河湖四乱核查助手App的主要功能是对四乱点位的定位导航、拍照上传、日常巡查和问题上报等，极大提高了一线巡查人员的作业效率，推动河湖四乱问题治理手段信息化和现代化，实现治理的高效便捷化，最终为政府决策和管理提供解决方案。

（1）总体构架

河湖四乱遥感监管系统结合用户业务特性，将实用性、易用性和可扩展性作为重要设计原则。系统的总体架构包含4个层次，从底层到上层分别为基础设施层、数据资源层、服务支撑层以及用户层。平台建设依据运维管理与安全保障体系，遵循软件开发及标准化管理标准，并考虑数据安全、服务安全、用户安全、网络完全等问题，系统架构如图5所示。

图5 河湖四乱遥感监管系统架构

（2）河湖四乱遥感监管Web系统

河湖四乱遥感监管Web系统采取模块化设计理念，由大屏展示模块、综合业务监管模块、统计分析模块、系统功能模块和个人中心模块组成，构建成标准统一、流程规范的业务管理系统。系统基于GIS平台框架，实现包括影像、矢量、专题数据在内的多源异构数据的集成与交互，采用主流先进的前后端分离的开发模式进行构建。总体实现方式可以保障整个Web系统的扩展性、兼容性和先进性。具体功能如表2所示。

表2 河湖四乱遥感监管Web系统功能

Web系统的建设可实现各级单位协同办公、问题信息动态共享、任务处理高效便捷、管理决策迅速有效的目的。河湖四乱遥感监管Web系统示例图如图6所示。

图6 河湖四乱遥感监管Web系统示例图

图7 河湖四乱核查助手App示例图

（3）河湖四乱核查助手App

为了方便核查工作的开展，河湖四乱核查助手App集成了离线地图导航、离线数据缓存、指南针等功能，可以协助一线巡查用户在信号弱或无信号位置开展核查工作，更方便找到待核查目标。此外，还开发了核查信息后台留存、批量上传等多个方便快捷功能，应对实际核查工作的复杂环境，为核查人员减轻核查负担，提高工作效率。具体功能如表3所示。

表3 移动核查APP功能

河湖四乱核查助手App采用Java、Kotlin、Dart、Objective-C等多种核心语言，整合了强大的地图、拍照、自动水印、GIS、业务架构、网络和本地持久化技术栈。河湖四乱核查助手App不仅支持Android和iOS多平台，还能自动接收软件更新通知，适配各种屏幕分辨率和尺寸，致力于为各级河湖长制用户提供高效、技术驱动的核查工具。河湖四乱核查助手App示例图如图 7所示。

四、结束语

基于吉林一号高频次、高覆盖率、高空间分辨率的卫星遥感影像可以进行大范围水域乱占、乱采、乱堆、乱建等问题的监测。本文结合卫星监测、手机APP、Web系统三种技术手段，构建一种用于河湖四乱卫星遥感动态监管的“天上看、地上查、网上管”业务模式，并已经成功落地实践，服务于多地水利部门，证明了相比于传统模式，基于吉林一号卫星的“天上看、地上查、网上管”业务模式可以加强河湖问题动态化、可视化、规范化管理，并能够有效解决河湖“清四乱”监管面积大、监管难等问题，提高工作效率、减少监管漏洞、增加巡查频率，整合资源、打破信息壁垒，保证河湖“清四乱”行动高效推进。