空间信息技术在水政监察执法中的应用研究

梁东业，谭德宝，宋 丽

空间信息技术在水政监察执法中的应用研究

梁东业，谭德宝，宋 丽

（长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010）

针对传统水政监察执法手段的不足及存在的弊端，以三峡库区万州段为例，以2002年和2006年航空影像为主要数据源，运用遥感变化检测技术，检测出研究区的新增建筑和水面线等变化信息；同时运用地理信息系统、全球定位系统等技术手段，提供空间信息查询和定位导航，为水行政监察执法提供依据，开创了空间信息技术一个新的应用领域。

水政监察执法；空间信息技术；变化检测

自1988年《中华人民共和国水法》颁布实施特别是2002年修订后的《中华人民共和国水法》出台以来，我国在维护水事秩序、调解水事纠纷、查处水事案件等方面取得了可喜成绩。但是，随着科技的飞速进步和生产的迅猛发展，河道两岸洲滩的土地开发强度日益加大，各类水事活动更加频繁，水事违法案件日渐增多，传统的水政监察执法手段的不足和弊端日益凸显。主要表现在：（1）水政执法的工作范围很广，而目前的水政执法队伍人数总的来说相对较少，使得水政执法工作往往陷入被动的局面；（2）以往国家的有限投入主要解决一些基本的、常规的执法装备问题，很少采用新的科技手段，因此执法工作取证难、效率低；（3）违法水事行为常常发生在较为偏僻的地方，水政监督工作难度很大，并且耗费大量的人力财力，监督执法周期太长。因此，研究采用遥感、地理信息系统和全球定位系统这三大空间信息技术手段，快速检测出可疑水事区域，并提供相关查询和快速定位等功能，更好地维护水事秩序，具有重要意义。

1 研究方法

1.1 遥感技术

遥感（Remote Sensing，RS）是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离感知的一门探测技术。利用遥感影像对地表变化进行检测，早在遥感技术发展的初期就引起了人们的兴趣，并广泛应用于土地利用、灾害监测与评估以及森林植被变化_监测等应用中。在执法监察方面，遥感技术主要应用于土地执法监察、城市规划执法监察中。但是，遥感在水政监察执法方面的研究和应用很少，这里应用遥感技术，对水政执法关心的目标信息进行监测，是一种有意义的尝试，新的方法相对于传统的水政执法手段，具有以下优势和特点：

（1）及时性强。利用卫星遥感进行水政监察执法能够及时地反映目标区域变化情况。比如IKO-NOS卫星每天绕地球飞行l5圈，每3天就可以对地面上的任何一个区域进行一次拍摄。若降低分辨率，它每天都可以重访一次同一区域；QUICKBIRD卫星数据重访周期为1～3.5d，及时的信息反馈能够尽早地发现违法信息，进行迅速的违法处理。

（2）精度高。IKONOS卫星可拍摄到地面上直径不足1 m物体的全色（黑白）图像和直径仅4 m的物体多光谱图像。

QUICK BIRD卫星：其全色波段分辨率为0.6lm，彩色多光谱分辨率为2.44 m。

ALOS卫星数据：空间分辨率2.5 m。

Spot5全色：分辨率2.5 m。

IRS-p6全色：分辨率5.8 m。

（3）覆盖范围大、形象、直观。遥感影像形象、直观、覆盖范围大、真实性强，它能够清楚、综合地反映出整个土地利用状况，岸线变化、违法占地、侵占水文设施等情况都可以检查，尤其可帮助我们及时发现因交通不便而不易被巡查发现的案件。

QUICKBIRD卫星数据：景宽16.5 km，景面积272 km2。

ALOS卫星数据：景宽：70 km，面积4 900 km2。

IRS-P6全色5.8 m分辨率：标准景70 km×70 km，面积4 900 km2。

Spot5全色2.5 m分辨率：标准景60 km×60 km，面积3 600 km2。

（4）遥感影像信息丰富。监测目标的尺寸、形状、相邻地物的关系均可反映，还可以准确地确定监测目标的位置、面积大小及形态等要素。

（5）震慑力强，具有警示、宣传功能。遥感影像的真实性和客观性可起到一定的威慑效应，利用卫星遥感监测技术进行执法检查，可以对一些心存绕幸、以身试法者产生强大的警示作用，并能在一定程度上减少现行管理体制给水政监察执法工作带来的阻力，同时可提高监察执法的严肃性。

运用遥感技术进行水政执法监测，主要是指基于遥感影像进行变化检测，分析可疑水事行为，为水政执法提供依据。遥感变化检测的实质是遥感瞬间视场中地表特征随时间发生的变化而引起的2个时期影像像元光谱响应的变化［1］。利用遥感多光谱数据进行变化信息的检测方法有多种，一般将其分为两大类：一类是分类后比较法，另一类是直接比较检测法，或者叫增强法［2］，这里采用直接比较检测法。在遥感图像处理软件ERDAS IMAGINE 8.7中，选用经过正射校正和辐射校正后的2002年和2006年的遥感影像，进行变化检测。

1.2 地理信息系统

地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点，它与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的。地理信息系统在水政监察执法中的应用主要在于其强大的空间信息查询和分析功能。

1.2.1 体系结构

由于水政监察执法的用户较多，本研究采用B／S体系结构，以.NET和ArcGIS Server为开发平台，在Microsoft Visual Studio 2005集成开发环境中，采用由数据层、应用层和客户端的表现层组成的三层体系结构进行开发，建立水政执法遥感动态监测系统。使用三层分布式信息系统的主要优点是：可以选择如何组合各个部件来执行各种不同的任务。在一个互操作组件环境中，用户可以从执行类似任务的组件中进行选择，并将所选的组件进行组合，以更好地产生应用所需要的信息。

数据层在系统中主要提供数据服务，它的实体是一个集卫星遥感数据、航空遥感数据、基础地理数据、专题数据、辅助数据、实地取证数据于一体的水政执法监测数据库。

应用层主要提供应用服务，前端所有功能实现的关键部分是后台支持体系，在原有复杂、庞大的GIS后台体系上牵涉到很多GIS和计算机领域的技术。应用层主要起到GIS核心层和Web Server的中间件的作用。它采用Arcgis Server构建，根据水政监察执法的业务内容提供省际边界河流信息管理、采砂船只辨识、遥感水质分析、河势变化监测、涉水工程监测等实际应用。

客户端的应用系统即为表现层，它以网站的形式供用户使用应用层所提供的一系列实用功能，水政执法管理者可在Internet网上直接访问系统，查询最新的信息，辅助水政执法监察。

1.2.2 系统功能

系统包括信息管理、遥感监测、辅助决策3大模块。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 System structure

信息管理主要包括空间数据的浏览、影像浏览、信息查询等功能。其中，空间数据的浏览和信息查询均针对所有入库的空间数据；影像浏览是对各个时期各种分辨率遥感影像的浏览。

遥感监测主要对与水政监察执法所紧密相关的一些地理要素的监测，主要包括采砂船只辨识、河势变化监测、涉水工程监测等各个模块。

辅助决策是遥感监测中各个模块均可以用到的一些辅助功能，如空间分析，辅助资料查询、土方量算等。

1.3 全球定位系统

全球定位系统（Global Positioning System简称GPS）是由美国为主研制的军民合用的卫星定位系统，能实现全球范围内的实时导航和定位，它包括空间部分、地面控制部分、用户设备部分3个部分［3］。GPS系统的基本定位原理是：由于每颗GPS卫星都时刻发布着其位置和时间数据信号，用户接收机能够测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度，就可以计算出接收机到不同卫星的距离。只要同时收集至少4颗卫星的数据，就可以算出三维坐标、速度和时间。

导航定位是GPS的主要应用之一。水政执法人员可以利用手持式GPS查询任何时段的水事行走情况，此外手持式GPS还有地图标注功能，这些都能给水政执法人员寻找水事行为的发生地点提供方便。同时，还可以将基于GPS的智能车辆导航仪装载于水政执法车上。这种智能车辆导航仪以电子地图为监控平台，通过GPS接收机获得车辆的实时位置信息，当接近路口、隧道等特殊路段时，导航仪会进行语音提示，即使在不熟悉的地域，导航仪也能帮助司机迅速到达水事活动的发生地点。同时导航仪还设有最佳行进路线选择及线路偏离报警等辅助功能［4］。

2 实验与分析

图2 2002年遥感影像Fig.2 2002 remote sensing image

图3 2006年遥感影像Fig.3 2006 remote sensing image

图4 变化检测结果Fig.4 Changing detection results

2.1 研究区选择和数据预处理

万州地处长江三峡水库中段，是重庆第二大城市和三峡库区最大的中心城市，也是长江十大港口之一，故选取万州为研究区。首先收集万州地区的遥感影像数据、专题空间数据、DEM（数字高程模型）数据、水政执法相关业务数据等几大类。其中，专题空间数据主要用于专题信息的浏览和查询，同时辅助变化检测结果进行分析，数据包括万州段取水口分布图、排污口分布图、水功能区划图、涉水建筑分布图、岸线规划专题图；DEM（数字高程模型）数据主要用于对变化区域范围内高程的查询和统计；水政执法相关业务数据包括执法案件资料、巡查档案资料、相关政策法规等业务数据，用于辅助决策；遥感影像数据是变化检测的数据源。由于研究区范围较小，且处在三峡库区，云层、雨水较多，多雾、能见度低，这片区域的卫星影像质量较差，所以选择了2002年和2006年的航空影像作为遥感变化检测的数据源，分辨率为0.5 m。在Erdas 8.7中，对航空影像进行正射校正，使得几何配准误差小于半个像素，采用傅里叶变换的方法对影像进行辐射校正，改善图像质量。预处理后的影像如图2和图3所示。

2.2 遥感变化检测结果分析

在Erdas 8.7中，运用2002年和2006年的遥感影像进行变化检测。对比2002年的遥感影像和图4所示的变化检测结果可以看出：A处原本为植被，现在上面有不少建筑已经落成；B处原本为岸边一块绿地，现在绿地面积已经明显减少，大部分已呈现为裸土，并且有开发建设的迹象；C，D，E，F处新增了几处码头。从整体来看，水面线也大幅缩小，这有2种可能，一是由于2002年的影像处于蓄水期，二是由于河道周边的土地开发导致河岸变窄，这些都有待水政执法部门进行调查，以规范水事行为。

2.3 地理信息系统功能

2.3.1 专题数据浏览

系统可以对示范区域内的重要专题空间数据如取水口、排水口、涉水建设工程项目、岸线规划数据、水功能区划数据等进行浏览，并可以实现常规的放大、缩小、漫游等操作。

2.3.2 空间信息查询

提供岸线规划数据、水功能区划数据、重要水工程（包括取水口、排水口、涉水建设工程项目等）等地理空间数据的查询，还可以根据属性信息查询空间数据。如，输入关键字＂工业用水区＂，就可以查询到水功能区划数据中属性为＂工业用水区＂的区域，并在页面右边地图窗口中以高亮显示。如图5所示。

图5 信息查询Fig.5 Information query

2.3.3 水面线变化检测

对于水面线的变化检测，是根据2002年和2006年的航片对水面线进行矢量化，在Arcmap中将矢量化的水面线数据与影像叠加，直观地显示出水面线变化的情况，借助软件放大显示能更清楚地看到变化。若将DEM与上面的水面线进行叠加，还可以在水面线变化区域点击查询变化区域的高程范围。

2.3.4 其他辅助决策功能

辅助决策功能包括空间定位、量算、标记功能、辅助资料查询。

空间定位是对已经知道地理坐标的目标进行定位，输入地理坐标值，将在地图上显示对应的目标。

量算功能包括空间距离和面积量算。

标记功能是指专业技术人员在后台将对比分析结果用文字或者图形区域标记出来，提供给系统供用户查看。

2.4 GPS定位导航

通过手持式GPS和基于GPS的智能车辆导航仪进行空间定位和行进路线选择，为水政执法人员调查取证和处理案件提供方便。

3 结论与展望

运用空间信息技术，针对三峡库区万州段某区域，检测出可疑建筑、新建码头、水面线缩小等水事行为，并提供相关的空间信息查询，为水政监察执法提供依据。新的水政监察执法手段不仅及时、精度高、覆盖范围大，而且具有威慑力和宣传警示功能，还可以在一定程度上保护执法人员的人身安全，相对于传统的水政执法手段具有明显优势，是今后创新水政执法工作的一个努力方向。而如何对遥感变化检测的算法进行改进，并将空间信息技术、网络通讯技术与水政监察执法业务更加紧密地结合起来，充分发挥高新技术在资源管理与保护、水政执法监察等领域的优势，提高水资源管理的科技水平，使水资源更好地为人类的生存和发展服务，是值得进一步开展研究和实验的重要课题。

［1］ 马建文，田国良，王长耀，等.遥感变化检测技术发展综述［J］.地球科学进展，2004，19（2）：192－196.（MA Jian-wen，TIAO Guo-liang，WANG Chang-yao，et al.Re-view of the development of remote sensing change detec-tion technology［J］.Advance in Earth Sciences，2004，19（2）：192－196.（in Chinese））

［2］ 张 路.基于多元统计分析的遥感影像变化检测方法研究［D］.武汉：武汉大学，2004.（ZHANG Lu.Change detection in remotely sensed imagery using multivariate statistical analysis［D］.Wuhan：Wuhan University，2004.（in Chinese））

［3］ 李舟明.GPS全球定位系统设计［J］.装备制造技术，2009，（4）：72－73.（LIZhou-ming.Design of global po-sitioning system［J］.Equipment Manufacturing Technolo-gy，2009，（4）：72－73.（in Chinese））

［4］ 张小红，李征航，汪志明.GPS定位技术在不同领域的应用［J］.测绘信息与工程，2001，（2）：10－13.（ZHANG Xiao-hong，LI Zheng-hang，WANG Zhi-ming.Applications Of GPS in several fields［J］.JournalofGeo-matics，2001，（2）：10－13.（in Chinese））

（编辑：易兴华）

Application of Spatial Information Technology in Supervision and Law Enforcement of W ater Adm inistration

LIANG Dong-ye，TAN De-bao，SONG Li
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The traditional supervision and law enforcement of water administration have become less effective，re-mote sensing technology was applied to detect the changes such as new buildings and water surface profile obtained from aerial remote sensing images，in WanZhou stretch of the Three Gorges Reservoir Area in 2002 and 2006.Meanwhile，with the help of Geographic Information System and Global Positioning System，the spatial information reference system and positioning system can further be applied to provide a basis for supervision and law enforce-ment ofwater administration，which has created a new practical application of spatial information technology.

supervision and law enforcement ofwater administration；spatial information technology；change detec-tion

TP79；P331

A

1001－5485（2010）01－0033－04

2009-11-09

长江科学院科研基金项目（YJJ0804）

梁东业（1984-），男，安徽庐江人，硕士研究生，主要从事空间信息技术应用研究工作，（电话）027-82926550（电子信箱）xyyh1006＠163.com。