无人机航测和水色遥感技术在水库管理和保护范围划界和水资源保护中的应用

杨静学，陈亮雄，李伟添，林奕霖，李兴汉

(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510630)



无人机航测和水色遥感技术在水库管理和保护范围划界和水资源保护中的应用

杨静学，陈亮雄，李伟添，林奕霖，李兴汉

(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510630)

基于无人机航测技术对东江局枫树坝水库管理和保护区范围开展了精确的划界工作，并利用高分辨率的航测成果进行了违法违章嫌疑区解译。同时结合水色遥感技术对库区的悬浮泥沙和有机污染物进行了反演，反应了库区污染状况的宏观分布，并结合前面解译的嫌疑区种类和分布进行了污染成因分析。该文证明基于无人机航测技术非常适用于水库库区的精确确界，且能对库区管理人员难以到达的违法违章行为进行识别，结合水色遥感技术还可进一步分析造成局部库区污染的成因，为管理部门的库区水资源管理与执法决策提供科学有效的依据。

无人机；航测；水色遥感；划界；水资源保护

1 概述

2014年水利部下发了《关于开展河湖管理范围和水利工程管理与保护范围划定工作的通知》(水建管〔2014〕285号)，明确要求对河湖管理范围和水利工程管理与保护范围进行划定。枫树坝水库是东江流域的第二大水库，是东江水资源调度的关键性工程之一，是确保东江下游供水安全的重要保障。

近几年，水库的水质较差，而库区目前为止仍没有划定管理和保护范围，不利于开展水库水资源管理保护工作。省水利厅在《广东省水利厅对东江流域三大水库等重要水源地保护和管理范围确界立碑工作有关问题的意见》(粤水资源函〔2014〕402号)中，明确了对枫树坝水库开展划界工作。

水库划界工作的基础是测量图，划界的目标是为未来的水库库区的水资源管理和保护工作服务。本文将围绕以上两项内容，详细描述开展的相关工作和取得的成果。本文涉及的划界工作也是广东省首个基于无人机航测技术进行水库管理和保护区划界的项目。

无人机航测遥感技术是继卫星遥感、大飞机遥感之后发展起来的一项新型航空遥感技术，是传统测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、成果直观、适用范围广、生产周期短等特点。随着无人机与数码相机技术的发展，利用无人机进行航空摄影测量正迅速应用于工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发与保护等方面。

水色遥感技术是利用传感器接受到水面发射的辐射光谱，并且进行相关的数据处理，从而获得水体的一些基本信息的技术。通过水色遥感技术，可以获得水体中影响光学性质的组分的浓度，探测水体表层的物质组成。本文中主要关注悬浮泥沙和有机污染物两个水色要素浓度。

2 研究方法及步骤

项目的具体技术路线如图1所示，主要包括前期工作、初步确界、航测作业、最终确界、嫌疑区解译，以及库区水质反演分析。其中前期工作主要包含调研工作，资料收集工作和实施方案编制工作。初步确界主要是为了确定航测的区域。本次航测的区域为基于历史1∶50 000比例尺数据和管理和保护区定义划定的管理和保护区范围，初步确界的枫树坝水库管理区面积。确定了航测区后进行了航测作业，包括航测外业、像控点布设、内业数据处理，获得测区1∶1 000比例尺正射影像图和1∶2 000比例尺数字高程模型。最终确界为重新基于航测成果，根据管理和保护区定义进行地形和水文分析获得的目标管理和保护区边界。划界的目的是更好进行库区的水资源管理工作，同时由于航测获取的正射影像分辨率达到0.1 m，可以非常清晰和准确的反应测区地形地貌，本文基于高清航测成果进行了管理和保护区范围内的违法违章嫌疑区的解译。最后还基于卫星数据和水色遥感技术对库区水质进行了反演，分析了库区的污染源。

图1 技术路线示意

3 结果与分析

3.1 初步确界

枫树坝水库管理区范围确定为坝址以上坝顶高程(即高程173 m)以下的土地和水域。技术方法为基于ARCGIS的Spatial Analyst Tools模块对地形数据进行高程为173 m的等高线的提取，并对自动生成的等高线的节点进行简化和错误节点的修改。

枫树坝水库保护区范围确定为水库坝址上游坝顶高程线以上至第一道分水岭山脊之间的土地和水域。技术方法为基于ARCGIS的Hydrology模块对地形数据进行水文分析，得到库区及周边地区的集水线和集水区域，合并与管理区边界相交的集水区域，这些集水区域的外边界的集合即为枫树坝水库保护区范围外边界，而保护区范围为外边界以内和管理区边界以外的区域(如图2所示)。

图2 枫树坝水库管理区和保护区范围初步划界示意

初步测算，枫树坝水库管理区面积约57 km2，周长约为524 km；保护区面积约140 km2，外边长约252 km。整个枫树坝水库的管理区和保护区初步划界范围面积共计197 km2，外边长为776 km，如表1所示。

表1 枫树坝水库管理和保护区初步划界范围统计

以上确定的管理和保护区范围作为目标航测区域，进行航测获取更精确的数字高程数据和正射影像图，从而进行最终的确界。

3.2 航测作业

本项目测区成图面积约200 km2，实际航测面积约为240 km2左右。该测区内海拔高度最高约550 m，最低150 m，高差不是很大，可以满足本次成图。平面坐标系统采用采用2000国家大地坐标系，地图投影采用高斯-克吕格投影，采用3度分带。高程坐标系统采用1985国家高程基准。

本次航拍范围覆盖整个作业区，并有一定的拓宽；地面分辨率0.08 m相对航高589 m；像片重叠度航向>70%，旁向>40%。航线、架次以及作业机如图3所示，航线图中每种颜色代表一个架次。本项目共航摄了6个架次，获取有效影像11 354张，影像格式为JPG，大小约为15～20 M。原始影像大小共计211 G。

图3 航测外业现场、航线和架次

本次像控点首先在室内按照设计书和像片条件进行初选位置，并制作相应的电子影像，由像控组根据电子影像，实地选点并在电子影像上刺点，然后采用广东省的连续运行参考站系统(CORS)作为测区控制系统参考，使用RTK实现像控点测量。

通过内业数据处理，获得了最终的航测成果包括1∶1 000比例尺正射影像图和1∶2 000比例尺数字高程模型，如图4和图5所示。

图4 枫树坝水库正射影像示意

图 5枫树坝水库数字高程示意

3.3 最终确界

图6为最终确定的枫树坝水库管理和保护区边界示意图。白色线为管理区边界，管理区范围为白色线内区域。保护区内边界与管理区边界重合，外边界为黑色线，其范围为外边界以内和管理区边界以外的区域。整个枫树坝水库的管理区和保护区范围面积共计150 km2，外边长共计852 km，详细见表2所示。图7和图8分别为初步确界和最终确界的管理和保护区边界对比，从图上可以看出，初步确界的管理和保护区边界较粗，且有一定的偏差，基于航测成果最终确界更加的精细和准确。

表2 管理区和保护区边长面积统计

图6 枫树坝水库管理和保护区边界示意

图7 管理区初步和最终确界放大比较示意

图8 保护区初步和最终确界放大比较示意

3.4 嫌疑区解译

本次工作基于高分辨率航测成果对管理和保护区内的违法违章行为进行了解译，以方便未来库区的水资源管理工作。本次嫌疑区遥感解译工作参考《广东省东江流域新丰江枫树坝白盆珠水库库区水资源保护办法》(广东省人民政府令第157号)定义的违法违章行为。解译目标包括在水库库区保护范围内：炼山、大规模机械垦伐种植经济林，栽种桉树林，采石、开矿、取土、陡坡开荒、毁林开垦、大规模禽畜养殖等违禁行为；和在水库库区管理范围和保护范围内：新建、扩建和改建的各类建设项目的行为。图9和表3为管理和保护区范围内违法违章嫌疑区分布图和统计信息表，根据统计信息表可知在库区发现了504个违法违章嫌疑区，其中数量最多为网箱捕鱼。

图9 枫树坝水库违法违章嫌疑区分布示意

3.5 库区水质反演分析

本次枫树坝水库水质遥感通过定量遥感方法，根据水体反射光谱产生的机理，建立水库悬浮泥沙浓度和有机污染物浓度与水体反射光谱之间的物理模型，提取枫树坝水库这两个水质参数，得到库区水质状况的分布，并通过对比航测获取的高分辨率影像来分析造成水库污染的可能性因素，从而为管理部门的科学决策提供依据。图10和图11为基于水色遥感技术获取的2014年10月枫树坝水库库区悬浮泥沙浓度和有机物浓度分布示意图。

图10 枫树坝水库悬浮泥沙浓度系数分布示意

图11 枫树坝水库有机物浓度系数分布示意

从图10可以看出在桂子坑、渡田河和梅里坝一段悬浮泥沙浓度较大。在本次航测作业中包含了梅里坝到渡田河一段。放大后发现在渡田河段存在采砂点，如图12所示。由此分析该段河道悬浮泥沙浓度的增大与采砂行为相关。

图12 渡田河处局部放大(2015.8)

根据图11枫树坝水库有机污染物浓度分布图，定南水一侧比寻乌水一侧有机污染浓度高，结合2015年度无人机航测正射影像图及解译结果，如图13所示，发现定南水一侧鱼养殖明显多于寻乌水一侧，由此分析库区渔业养殖活动与库区有机物浓度分布有相关关系，密集的网箱养鱼活动导致了定南水一侧的有机污染浓度偏大。

图13 枫树坝水库库区鱼养殖分布示意

4 结语

本项目基于无人机航测遥感技术，实现了枫树坝水库管理与保护范围的确界工作，从结果数据可以看出基于航测成果的边界图要比基于历史1∶50 000比例尺数字高程模型和正射影像图的边界图更准确，说明无人机航测技术非常适用于水库的管理和保护区精确划界工作。由于划界工作的目标为实现库区的水资源保护，本项目基于分辨率高达0.1 m的航测成果对管理和保护区内的水库违法违章嫌疑区进行了解译。该成果可为管理部门的管理与执法决策提供科学有效的依据。同时，基于水色遥感技术，本项目还完成了库区悬浮泥沙浓度和有机污染物定性反演工作，分析了库区污染物的宏观分布，并结合嫌疑区解译成果对库区污染物浓度高值区的成因进行了分析。结果表明枫树坝水库采砂点分布与悬浮泥沙浓度呈现一定的相关性，库区鱼养殖分布与有机污染物浓度也呈现一定的相关性。

总的来说，基于无人机航测技术可以出色的完成水库库区的管理和保护区确界，并进行管理和保护区内的违法违章行为识别。结合水色遥感技术一起可以对库区的污染源进行科学分析。两种技术为水库库区的宏观、高效、廉价的划界和监测，以及在库区实施最严格水资源保护制度提供科学有效的支持。

[1] 陈楚群,施平,毛庆文.应用TM数据估算沿岸海水表层叶绿素浓度模型研究[J].环境遥感,1996,22(3):168-175.

[2] 陈楚群,施平.应用水色卫星遥感技术估算珠江口海域溶解有机碳浓度[J].环境科学学报,2001,21(6):715-719.

[3] 邓孺孺,何执兼,陈晓翔,等.珠江口水域水污染遥感定量分析[J]. 中山大学学报( 自然科学版), 2002，41(3):99-103

[4] 邓孺孺,何执兼,陈晓翔,等.基于二次散射的水污染遥感模型及其在珠江口水域的应用[J].海洋学报，2003(11):69-78.

(本文责任编辑 马克俊)

Application of UAV Aerial Technique and Water Color Technique in Demarcation of Reservoir and Protection of Water Resource

YANG Jingxue, CHENG Liangxiong, LI Weitian, LIN Yilin, LI Xinghan

(Guangdong research institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics, Guangzhou 510635,Chian)

Applicate advance UAV aerial technique in demarcation of management and protection scope of Fengshuba reservoir, and use the high-resolution aerial survey results for the illegal suspect area interpretation. Then, suspended sediments and organic pollutants are interpreted by establishing water color remote sensing model. The results show that, the UAV aerial survey technique is very suitable to demarcation of management and protection scope of reservoir and the illegal suspect area interpretation. Combined with the water color remote sensing technology can also be further analysis of the causes of pollution.

UAV；aerial technique；water color remote sensing； protection of water resource

2016-05-31;

2016-08-27

国家自然科学基金(41401485)；广东省水利水电科学研究院青年科研基金(201402003)。

杨静学(1984)，女，博士，高级工程师，主要从事水环境遥感、地理信息和水利信息化等工作。

TP79；TV697

B

1008-0112(2016)09-0056-06