"3S"技术在水域变化动态监测中的应用

王幸幸　徐人杰　池钦

摘 要：水是珍贵的，保护水源刻不容缓。 如何有效完成这一工作成为当务之急。 “3S”技术在当今不失为一种有效的方法。本文在“3 S”技术的基础上描述了构建一种水域变化动态监测系统的方法，特别说明了遥感技术的应用，通过本文的介绍可以举一反三，将测绘中的先进技术应用到其他领域。

关键词：“3S”技术;水域变化动态监测

水是生命之源，在某种方面看来，水域更是一种具有更大经济上的价值和充满诱惑力的资源。加强对水域的保护是一项刻不容缓的工作，也是作为水资源保护与环境保护的重要组成部分之一。 因此，建立水域基准数据库，开发水域调查与动态监测系统，依托“3 S”技术和计算机技术， 构建水域管理现代程度较高的应用系统，进行水域变化的动态监测，实现以科学化管理，维护水域功能的持续发挥是一项重要工作。

随着城市化进程的发展，原本完好的水域被侵占，有些水域已经不复存在。这不仅严重影响到水域的综合功能，让其无法正常发挥，还对人水和谐和经济的可持续发展的情况造成了影像。各种建设项目大量占用水域并由此带来的问题，已经让各级领导对此问题有了高度的重视以及引起了社会各行各业各层各界的广泛关注。为了得到可靠的监测数据，通过利用完善的水域变化动态监测系统，可以随时掌握水域变化趋势。 “3S”技术是建设水域变化动态监测系统的不可或缺的核心技术之一。

1、“3S”技术在系统中的作用

水域变化的动态监测是一项复杂的工作，大量的信息需要采集和分析，为此需借助现代的先进技术来构建管理系统，通过“3S”技术来实现水域变化信息的提取和分析是非常有效的方法。

“3S”技术是指全球卫星导航定位系统（ GNSS）、地理信息系统（ GlS）和遥感技术（ RS），水域变化的动态监测系统则是将 GNSS、 GIS、 RS技术这三种与网络和通讯等技术相结合，有机地构成一个整体，信息采集、处理和应用的集合，突出的性能体现在高速、实时和高精度，可量化的信息采集和处理的应用。通过综合运用这些技术，可以为水域变化动态监测提供强有力的基础资料和技术支持。基于“3S”技术的水域变化监测系统结构如图1所示。

由图1可以看出，“3S”技术在系统中占据着重要的位置，是系统的核心。遥感影像（RS技术）实现目标判读，数字影像地图和矢量地图（GIS技术）实现信息的查阅和浏览，而地理信息的获取则是建立在GNSS测量技术上的。遥感影像分析可以自动识别的方式从遥感相片上提出水域影像重新生成专题影像图，根据同一地区不同时期的多张遥感影像提取水域变化信息、将水域影像进行色彩、灰度变化处理以方便人工判读。GIS空间分析可以实现数字地图的操作、地理信息及其属性数据的查询和空间分析、利用GNSS技术采集水域相关的地理信息等。因篇幅所限，本文重点阐述RS技术的应用。

2、系统建设的方法

系统构建主要涉及到两个方面：首先是地理信息，即物体的位置（河道、湖泊、池塘、水库、山塘等）;二是水域信息，即处理对象的属性数据（河长、水域面积、水域容积等）。

根据分析，系统可构建为影像查看浏览系统、遥感影像水域信息提取与变化检测系统、地理信息管理与空间分析系统、（地理和水资源）信息查询分析系统、其他功能系统（如专题图制作和显示系统）等几个部分，要实现的主要功能有：

（1）影像（数据）浏览：作为一种为用户提供登陆和身份验证功能及与其他子系统连接操作的平台。在该系统中可以浏览各种影像资料。

（2） 遥感影像分析：通过对获取的遥感影像进行分析获取水域信息，对变化情况进行检测。是本系统的核心技术所在。

水域信息提取在水域变化监测中是非常重要的一项环节，具有非常重要的作用。尽管传统的野外测量能够在水体信息的获取上具有高精度性，但由于水资源季节性变化强的问题， 年际变化大，且野外测量周期长、费时费力，信息难以及时获取、难以适时监测; 而遥感影像成像周期较短，适时性强、成像精度日益提高，利用高分辨率影像提取高精度的水域目标信息， 则可以快速、准确、及时地获得水域资源信息，以弥补野外测量的不足。

遥感影像分析系统中水域目标变化检测系统的功能模块可参照图2构成。水域提取如图3所示，右边影像中蓝色和青色部分为左边影像中提取的水域影像。此外，也可将水域信息影像进行色彩、灰度变化处理（如图4所示），以方便人工判读。

（3）地理信息管理与空间分析：通过GIS技术管理地图信息并进行地图操作，对地理位置及所联系的属性数据进行统一管理，主要实现数字地图的操作、地理信息及其属性数据的查询和空间分析、利用GNSS技術采集水域相关的地理信息等，系统总体框架如图5所示。

对于多光谱影像，有些波段直接对水域信息敏感，这时就可以直接从影像资料中提取，如图6所示，其中的红色波段对水域敏感，因此，通过影像处理技术，很容易得到水域资料。对于彩色影像，可以用特征点颜色的提取方法来提取。如图7所示，如果我们从影像图上辨出水域，即可提取该颜色相近的影像形成水域图。

（4）水域变化监测：动态水域变化实时监测大量使用的还是遥感资料。利用遥感资料进行的水域变化监测是以监测区域不同时间段的全色或多光谱卫星遥感影像为基础提取影像上的水域目标。比较两幅或两幅以上不同时间段获取的遥感影像，提取水域目标发生变化的部分，统计出该部分的面积、周长等几何信息;记录提取出的变化部分数据并进行矢量化，可将变化部分的矢量数据与相应地区的数字地图叠置进行统计分析（如图8所示），最终形成分析报告。

3、实验分析

基于上面的构思，我们对一个水域变化情况做了一次实验分析， 数据来源于统计数据、遥感影像数据、实测数据和调查数据、

（1）水域信息的提取

从遥感影像上提取水域信息，选取遥感影像上对水域敏感成像波段的影像，如图9所示。也可采用人工识别一水域，提取其颜色值做为基准色，然后从图上识别该颜色的影像并重新生成影像图，如图10所示。

对影像图信息处理首先要制作出水域数字图，如图11所示，然后水域对象的面积、长度直接量取，也可直接绑定到对应的表中。

（2）水域变化的图形比较与分析

水域变化的比较与分析可以直接用不同时间的遥感影像进行比较，通过观察找到变化点，如图12所示，左边遥感影像获取时间早于右边遥感影像获取时间，同一水域（左边蓝色，右边红色）在两张影像图上范围发生了變化。在图12中，可以看到水域有多处被占用，统计的水域面积是在减少的，要引起重视了。

结语

“3 S”技术集成了遥感、地理信息系统和全球卫星导航定位技术的功能于一体。该系统实现高度自动化、实时化、智能化和网络化等这些特点，对于空间信息来说，适时收集、存储、管理、更新以及分析当前情况的动态过程并为工作人员提供决策辅助信息是一种有利手段。横空出现的“3 S”技术并集成“3S”技术，使得这类“3S”技术让测量领域发生了一场意义非凡的革命， 广泛推广并使用GIS，必然会深化人们对 RS、 GNSS的应用，是未来“3 S”技术的发展方向。

随着“3 S”技术的日益成熟，毫无疑问，水域动态监测方法应该首选基于“3 S”集成技术，充分发挥 RS、 GNSS、 GIS的各自优势， 结合水域调查的实际需要，整合监测动态技术，开发适宜方法和应用系统。 “3S”技术在水域监测方面的应用尚处于起步阶段，其原因是水域与陆域边界常处于变化之中，遥感图像的识别方面存在困难。但随着现代测绘技术的进步，通过对遥感卫星影像进行分析，并从中提取水域面积，因其快速性、准确性，这类技术已经成为水资源调查、洪水灾害预测评估、水利规划和水资源动态监测的几种重要手段之一，带来了方便性。目前，越来越多各种高空间分辨率的遥感影像的出现，尤其是有些民用卫星分辨率已小于1米，再加上高精度的 GNSS系统相辅相成，对大型水利工程的建设施工进行跟踪监测已成为可能。 “3S”技术的广泛应用是大势所趋。

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