岸线动态变化立体监测及管理信息系统研究

(长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

1 研究背景

在“补短板，强监管”水利行业工作总基调下，岸线监测与管理应致力于加快信息化改革步伐，高度重视建设信息化综合管理平台，并逐步形成与水利现代化发展需求相适应的一整套立体动态监测体系，提升岸线综合管理整体水平。

但目前岸线管理面临着诸多问题与不足，主要体现在以下几方面。第一，信息化基础设施建设不足：目前岸线监管信息化基础设施建设存在信息采集分布不够合理、部分监测设备落后、自动化程度较低、网络传输覆盖度低等问题，不能完全满足全线信息化管理的需求，尤其是卫星遥感、无人机航摄等高新科技手段的应用，距离先进程度还存在着不小的差距[1-3]。第二，信息资源整合程度不高：前期系统开发多以“单点应用”理念进行，数据采集、传输、存储等格式不统一，系统间接口、标准不规范不统一，缺少公共基础性支撑平台，形成了许多“信息孤岛”，导致信息资源不能得到高效共享和利用[4-7]。第三，信息系统智能化程度不足：未充分利用云平台、大数据、物联网、移动互联和智能计算等新一代信息技术自动挖掘利用各类监测数据，自动化程度和智能程度不足[8-11]，导致无法实现岸线的精细化管理，不利于实现全线的信息共享与综合管理。

十九大召开后，国家更加重视河流岸线的管理与保护。然而岸线管理现状普遍存在管理面积大、范围广、管理难度大、管理人员不足、管理手段不够先进等突出矛盾。常见的岸线监管方法基本是以人工定期实地巡检为主，通过现场拍摄照片的方式进行外业数据采集，随后内业整理文字报告，填写巡检报告。该模式耗时耗力，走访式全线巡检针对性不足，往往不能及时发现所有问题。另外，内外脱节，无法现场办公，且对现场走访人员工作量、覆盖率、出勤率等指标缺乏实时有效的监督与考核。

在国外，漫长的美国田纳西河曾因为管理松散，各部门各行其是造成了资源开发利用无序、植被破坏、水土流失、环境恶化、洪灾频发等诸多混乱局面。经美国国会批准成立了田纳西流域管理局，实现全域综合开发和统一管理后，短期内卓有成效地改变了流域现状，实现了区域稳定和振兴，取得了举世瞩目的成就。成功的流域管理经验“田纳西模式”表明，有效监管流域上下游漫长岸线和处理好诸多开发与利用矛盾最有效的方式就是“统一管理”。信息技术的快速发展为更全面地感知岸线状态、更快速地获取实时信息、更智慧地分析决策提供了有力的技术支撑。因此，加强信息化建设是实现“统一管理”的最佳路径。

目前常见的主要管理需求如图1所示，依次为堤防以内岸线土地利用监管、网箱监管、岸线滑坡监测、界桩巡检、岸线垃圾清理、侵占堤防岸线监管等典型岸线管理任务。可见繁多而迫切的管理需求表明，必须结合卫星遥感等高科技信息化手段立体动态监测广阔的岸线，对岸线地物变化进行较为详尽的分析，实施岸线统一管理。本项目围绕核心管理职能建设完备的数据库系统，基于二维-三维地图切换的基础之上对大量历史、实时的信息进行查询与管理，充分而形象地展示各类基础地理数据和水利专题应用数据，同时利用卫星、无人机提供的持续、滚动、不断更新的岸线影像数据并提取对比变化信息，有针对性地及时进行有关现场调查取证、岸线执法监督等工作，切实提高岸线的综合管理水平。本系统建设最核心与关键的内容分为本底数据库建设、空天地立体监测体系构建、综合管理信息平台开发3大部分。

图1 岸线管理任务

2 本底数据库建设

本底数据库作为岸线监测与管理系统的基础数据，需要在系统运行前完成全部数据入库工作，并作为信息系统的基础空间数据，支撑整个信息系统的运行，提供示范区大范围的三维虚拟的场景以及岸线范围内现场逼真的三维模型，并作为系统正式运行前的参照本底，为未来周期性数据提供对比。除了一些基础属性数据、矢量数据外，本底数据(主要指海量的栅格数据)主要包括高分二号卫星数据、地形数据和基于倾斜摄影测量的真三维模型数据3类。而周期性数据是在系统正式运行期间，配合巡检业务所需要和产生的影像数据。本底数据与周期性数据关系如图2所示。

2.1 卫星遥感数据

本项目卫星遥感本底数据主要采用高分二号(GF-2)，该卫星是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1 m的民用光学遥感卫星，搭载有2台高分辨率1 m全色、4 m多光谱相机，具有亚米级空间分辨率、高定位精度和快速姿态机动能力等特点，有效地提升了卫星综合观测效能，达到了国际先进水平。具体参数如表1和表2所示。

表1 高分二号卫星轨道参数

表2 高分二号卫星立体相机参数

项目收集2015年4月至2018年12月高分2号GF-2遥感影像共计22景，基本覆盖实验区澧水流域上下游约300多km河流岸线(见图3)，能完成监管河段4次全线动态变化对比。该河段下游区域地势较为平缓，沿线居住人口多，岸线滩涂土地利用开发程度高，其岸线监管工作具有广泛的代表性。

图3 实验区卫星遥感影像位置分布

2.2 无人机航空摄影数据

无人机起降灵活，响应时间短，可满足岸线高频度不定期巡检以及突发事件应急巡检的管理需求，在提高数据采集频率和空间分辨率上成为对卫星遥感数据源的有力补充。随着无人机摄影测量技术的不断发展，无人机除可以提供高精度平面信息外，还能应用先进的倾斜摄影技术获取高精度真三维地形场景，使得一些需要高精度的距离、面积、方位、土石方量等几何量测的管理需求得到了很好的满足。因此，本项目对重视程度最高的岸线地物采用无人机倾斜摄影测量技术，例如堤防、涵闸、大坝等重点水工建筑构建高精度真三维模型。无人机倾斜摄影技术基于多视几何原理，通过解译不同视角同步采集影像的同名点完成视觉重建，利用定位、融合、建模等技术生成真实的地表三维模型(见图4)。

图4 倾斜摄影数据处理流程

3 地天空立体监测体系构建

地天空立体对地观测体系(见图5)中，天基主要是指以国产卫星高分2号为主的遥感数据；空中主要是指各类固定翼、旋翼无人机；陆基手段包括移动执法船、手持设备等移动采集手段，以及传统监测站点固定式采集手段(主要是水文、气象、环境等监测站点数据)。地天空多源数据采集手段满足现代精细化监测需求，构成岸线持续滚动、定期更新、实时响应的多层次、多时间频度的先进对地观测体系。

图5 立体监测体系示意图

4 岸线动态变化立体监测及管理信息系统开发及实现

4.1 系统总体构架

岸线监测及管理系统采用当下先进、高效的“天上看”“地上查”“网上管”的监管模式(见图6)。因此，系统软件平台主要分为3个子系统：遥感影像管理与动态监测系统(天上看)、岸线综合监控与执法管理系统(网上管)、岸线移动巡查执法系统(地上查)。综合考虑应用效率和数据涉密等因素，当前系统采用C/S、B/S混合方式。涉及测绘产品、遥感影像的天上看系统采用C/S架构，布置在当地服务器上，该子系统未发布任何测绘产品到网络上，仅仅是发布需要巡检的疑似变化区域范围给网上管系统。网上管系统采用类似Google Earth数字地球的B/S构架下的WEB3D方式。地上查系统则基于手机、平板等移动端开发的APP程序。网上管、地上查均采用B/S架构，是面向网络发布且布置在云端的系统，2个子系统发布的服务均不含涉密内容。

图6 系统业务流程

4.2 遥感影像管理与动态监测系统(天上看)

遥感影像的管理主要针对多期遥感影像、现场地面采集影像和无人机采集影像进行管理，形成统一的数据集，并能在一个集成管理环境下，通过标准的WGS84坐标将三者融合到一起，地面和无人机影像以兴趣点的方式集成到多期遥感影像中，并对所有数据的元数据进行集中管理，进行交互浏览(见图7)。动态监测以遥感影像为主进行多期数据的对比，以历史巡检现场照片、无人机影像为辅，通过对比判读，形成岸线异常变化疑似区，提供疑似区的交互编辑和属性输出。最终将岸线异常变化区的巡检范围、问题类型初步判断以及地面巡检内容发布给网上管系统。天上看子系统主要功能包括：①遥感影像数据综合管理；②岸线异常变化疑似区判读与编辑；③岸线异常变化信息发布。

图7 通过两期影像对比进行异常变化区判读与范围框选

4.3 岸线综合监控与执法管理系统(网上管)

岸线综合监控与执法管理以三维可视化平台为基础，实现示范区域岸线的基础三维平台，叠加卫星遥感影像、水工建筑的真三维倾斜摄影模型数据、无人机全景数据，形成现场感极强的可视化虚拟环境。功能包括：三维浏览查询和分析、岸线巡检管理、公共信息浏览查询、系统管理。其中公共信息浏览查询、系统管理是通用功能。公共信息浏览查询主要包括发布相关法律法规与标准，为外业人员提供基于互联网的执法依据查询；发布历史处罚信息，为后期案件提供案例参照；发布有关通知、新闻等信息。系统管理则包括用户管理、角色管理、权限管理、系统帮助等功能。三维浏览查询和分析、岸线巡检管理是该子系统的核心功能。

4.3.1 三维浏览查询和分析

该系统基于三维地理信息系统开发，具备基于互联网的三维GIS的基础功能，同时还具备岸线监管所需的专业功能，主要功能如下。

(1)图层管理： 数字高程模型(DEM)、模型数据、影像数据生成三维地图基础图层、叠加点、线、面等GIS图层及三维模型、三维标注、三维线和多边形等空间数据。

(2)空间分析(见图8)：包括地形表面直线及曲线距离、面积、地形三维剖面、坡度坡向、土石方量等分析计算。

图8 几何量测功能可视化

(3)疑似区管理：疑似区信息由天上看子系统生成，本模块提供对疑似区信息的可视化展示、信息查询和检索。

(4)业务数据叠加显示：系统可将数据中心提供的各种数据嵌入到业务流程中，主要功能包括叠加岸线审批、岸线规划图和遥感变化图斑的叠加分析图。

(5)真三维模型的展示(见图9)：实现岸线重要地物倾斜摄影测量三维模型数据的叠加显示，提供三维模型数据的基本量测功能。

图9 各类水工建筑三维模型

(6)不同时期数据时间轴显示：对数据进行时间轴管理，以本底数据为起始时间，对巡检拍摄影像生成的数据进行时间轴管理，实现数据的动态遍历与检索。

4.3.2 岸线巡检管理

在三维平台下对巡检执法设备、人员、数据进行管理，集成了历次巡检执法的轨迹数据、照片数据、属性数据，并对执法任务进行浏览、检索和实时跟踪(见图10)。

图10 岸线巡检管理平台

(1)执法任务管理：在三维集成环境下显示所有执法任务，以及任务相对应的属性信息，可将任务发布到具体执法人员的移动端上，并对执法设备、人员进行管理。

(2)执法设备人员跟踪：可实时获取执法车辆、船只、人员的位置信息，并显示在三维集成平台上，实现执法设备人员的实时跟踪。

(3)执法数据综合研判：在三维场景中叠加执法轨迹数据、执法现场拍摄的照片、视频，同步查询现场人员填报的巡检报告。

该部分是系统的核心职能，能够接收天上看子系统发布的岸线异常变化信息，能将巡检任务下发到地上查子系统，对应找到具体任务责任人的移动终端(手机、平板等)，并能实时检测巡检人员传回的现场照片、视频、巡检文字报告等巡检信息，进行问题类型综合研判。

4.4 岸线移动巡查执法系统(地上查)

现场执法主要基于移动终端系统，实现现场信息采集、录入和查询。岸线移动巡查系统具体功能(见图11)包括：坐标和路径记录、地图浏览、任务报表填写、巡查信息记录、基础信息查询、拍照取证等。该系统接收网上管平台传来的指令，按照规定时间、地点完成指定任务，并现场取证与上传巡检数据，用户为现场专业执法人员和广泛发动的装有移动APP并在系统中注册的大众监督员。

4.5 系统应用情况

本系统基于多期遥感影像和无人机航摄影像，通过叠加对比，找出岸线异常变化区域，初步判断是属于何种巡查问题并提供巡检热点区域信息，发布到网上管系统，经网上管系统人员确认后发布任务给具体巡检人的移动端APP上。该系统经过运行测试后已移交给湖南澧水公司库区巡检人员用于每月一次巡检工作，内容包括每月一次全线常规巡检与每季度一次异常变化区域重点巡检。

5 结 论

本系统针对岸线管理信息化中存在的问题和不足，建立了一套立体动态监测体系，提升岸线综合管理信息化水平，具体体现在如下3个方面。

(1)本系统将岸线日常巡检任务无纸化、实时化、信息化，改变了“全线巡查无重点、定期巡检写报告”的低效模式。

(2)实时动态掌握巡检车船人员移动轨迹、现场照片、现场填报的报表等信息，增加巡检科技手段与时效性。

(3)该系统是结合岸线巡检实际工作流程设计的，有针对性地减少了岸线巡检人力物力支出，提高了岸线监管工作效率和智能化水平，完全兼容现有日常巡检工作且能持续发挥重要作用，具有广阔的推广前景。