3S技术在浙江省水域调查项目中的应用

丁遵隆，杜 贇

（台州市水利水电勘测设计院，浙江 台州 318000）

1 问题的提出

2005年，浙江省组织完成了全省水域调查，为浙江省的水域保护管理工作提供重要的基础资料，但限于当时的技术水平及调查手段，调查成果多以图表形式表达及储存，没有形成完整的水域信息管理系统。近年来，随着社会经济发展和城镇化推进，各类建设项目占用一定数量的水域，旧水利规划不能与国土规划、城市建设相适应。另一方面，由于浙江省水利工程建设及河湖治理的大力开展，使水域有了一定程度的增加和位移，原有水域调查成果已不能真正反映水域现状。

《浙江省水域保护办法》于2019年5月1日起施行，重新界定了水域的范畴，并对水域保护管理工作提出新的要求，明确要开展水域保护规划编制、重要水域名录公布、建立统一的水域信息管理系统、定期对水域动态进行监测和评价等，这些都需要系统地开展一次水域调查，进一步摸清全省水域家底。现代化信息技术的发展和相关基础技术成果的应用为水域调查提供了良好的工作基础和调查手段，特别是以遥感、地理信息系统、全球定位系统为代表的“3S”技术(以下简称“3S技术”)，为水域调查实现坐标定位、信息数据处理并建立全省统一的水域信息管理系统、定期对水域动态进行监测和评价创造条件。

当前，3S技术在国民经济建设、国家安全保障、资源环境管理以及灾害监测上发挥着重要作用，同时也为科学研究、社会生产提供新一代的观测手段、描述语音和思维工具[1]。目前，国内有关水域调查的相关文献较少，本文介绍3S技术在水域调查中的应用，旨在为相关行业及工作有一点参考，也为更多地区开展水域调查提供一种思路。

2 水域调查技术路线

水域调查，是以GIS数据库建库为目的的各类水域空间信息采集及基础属性录入。水域调查的主要工作内容为资料准备、数据处理、内业勾绘加外业调绘补充、空间分析和数据库建立。水域调查流程见图1。调查方法主要有3种：现有成果经复核采用、地形图解析和影像判绘、外业实地调查和测量。

图1 水域调查流程图

2.1 资料准备

水域调查资料包括高分辨率遥感影像、第三次国土调查初步成果、基础地理信息数据和部分在建重要水利工程规划水域管理范围线。

基础底图采用国家基础测绘比例尺地形图，市、区采用1:2 000比例尺，河道上游山区采用1:10 000比例尺地形图。航拍影像资料要求优于0.2 m分辨率（若缺少则采用优于0.5 m分辨率卫星影像资料）进行校核，航拍影像现势性不超过3 a，卫星影像资料现势性不超过1 a。第三次全国土地利用现状数据作为补充资料。

2.2 数据处理

2.2.1 遥感影像处理

高分辨率遥感影像是通过遥感技术获得的地球表面客体或事物的图像，需要通过处理生成正射影像，由于获取多源数据传感器的因素，一些遥感图像中出现周期性的噪声，因此应首先进行预处理，消除或减弱周期性的噪声和尖锐性噪声，除坏线和条带，对薄云减弱处理。同时由于太阳高度角的原因，有些图像出现山体阴影，采用比值法消除。对遥感影像采用数值微分纠正的方法进行正射校正、信息增强、融合、镶嵌等处理，并同时保留影像镶嵌线矢量文件[2]。

2.2.2 三调初步成果数据提取

三调初步成果中土地利用类型分类详细，但对于水域调查工作来说数据冗余，需从中提取与水域相关的地类，在ArcGIS中根据属性表中的土地利用类型进行筛选。

2.2.3 坐标系统转换

国家基础测绘比例尺地形图为西安80坐标系统或城市独立坐标系统，需转换成CGCS2000坐标系系统。坐标转换需实地测量同名点，采用布尔莎七参数转换模型。

2.3 内业勾绘加外业调绘补充

三调数据中已初步提取遥感影像中水面范围并分类，但与水利部门实际管辖的水域范围的概念有较大差异，因此需以高分辨率遥感影像和基础地理信息数据为基础在ArcGIS中通过目视解译和外业实地调绘相结合的方式由人工勾绘采集完成，重要水域信息缺乏或变化较大的，进行外业实地调查和测量，最终获得水域空间信息。

2.4 空间分析

水域基础信息采集是对水域空间信息的分析和利用，赋予水域的名称、等级、所属流域等可以通过水域编码将基础信息、空间信息与工程信息进行关联，水域范围、水域面积等信息可利用GIS软件空间分析完成，例如在GIS软件属性表中可直接通过临水线计算水域面积，通过河道管理范围线获得河道中心线计算河道长度，通过水域面积和河道长度计算河道平均宽度等。

2.5 GIS数据库建立

水域空间信息和属性信息采集完成后，需建立GIS数据库，数据库格式为File GeoDatabase。.gdb数据库包括9大类图层：河道、湖泊、水库、山塘、人工水道、蓄滞洪区、工程、其他水域、行政界线。建库时，需要建立拓扑关系，进行拓扑分析，要求判断2个坐标点是否相同的XY容差参数为0.05 m，共边的相邻多边形，组成公共边的坐标点在2个多边形中记录的坐标值必须相同，确保相邻多边形之间不存在0.01 m的重叠，图层内部不能产生面自重叠，面与面之间不能互重叠，水域面与其他面图层空间上不能重叠，水面线范围小于或等于临水线范围，临水线范围要小于或等于水域管理范围线范围，涉河工程要在水域范围附近。

3 3S技术及其在水域调查中的应用

3.1 3S技术

3S即为全球定位系统GPS、地理信息系统GIS及遥感RS，是对地观测系统中空间信息获取、储存、应用与分析的3大技术，这3大技术既独立发展，又有着密切联系[3]。

全球定位系统（GPS）是一种以卫星为基础通过无线电与地面接收机进行连接，获得地面点位置、速度、时间等信息的一种技术，GPS全球卫星定位系统主要由3部分组成，即GPS卫星（空间部分）、地面监控系统（地面部分）以及GNSS接收机，在社会发展的各等方面有着非常广泛的应用[4]。

地理信息系统（GIS）是一种计算机系统，具有输入、存储、查询、分析、显示、输出各类地理信息数据的功能，是一种可以对空间信息进行处理和分析的计算机工具。

遥感（RS）是一种非接触的探测技术，通过使用传感器，或利用物体本身的辐射、反射特性获取目标物体各类信息并加以利用的一门科学。

2019年浙江省水域调查，结合目前3S技术发展趋势，以高分辨率遥感影像和基础地理信息数据作为基础，以全球定位系统（GPS）和自然资源部门第三次土地利用现状调查数据（以下简称三调数据）作为补充，加上历史资料的比对及现场实地调查，获取水域基本信息，最后通过GIS平台综合各类数据，形成水域地理信息数据库，以作为各级水利管理单位管理、决策、规划的参考及依据。

3.2 GPS技术的应用

目前各类航测、遥感技术发展迅速，但是对于传统水利断面及水利特征点，仍然少不了野外实地测量，而野外实地测量，特别是大范围的野外特征点数据采集，必然要使用GPS技术。水域调查是以建立水域GIS数据库为目的而开展的，如果采用传统野外数字化测图模式，虽然从数据管理（如分层、编码等方面）正在逐步向GIS靠拢，但从信息量的获取角度看，数字测图成果与GIS之间还有一点距离。

野外数字测图与GIS建库在数据获取与存储，属性采集方面都要有所区分，比如临水线特征点的采集，外业采集得到的点通过数字化成图后转换至GIS中与实际曲线不尽相同，图2（a）为实际河道曲线，图2（b）为传统测量与GIS数据库成图比较。

图2 实际地形与地形测量成图比较图

临水线特征点需要与临水线满足拓扑关系，临水线特征点在地形图中的要求即是位于临水线上，而临水线所属河道岸线有无堤防，属水库还是河道等属性信息无法体现。

GIS建库需要采用以GIS建库为核心的数字测图模式，即“GIS采集前端 — GIS数据编辑与建库 — 图形编辑”。按照GIS的理念采集空间和属性数据，建立GIS数据库，并按照要求最终完成图像的可视化编辑[5]。

3.3 RS技术的应用

高分辨率遥感影像是通过航天遥感技术获取的，随着技术的进步，卫星影像的地面分辨率由10.0，5.0，2.0，1.0 m逐步提高，它是政府部门用于基础地理信息数据更新的主要数据源之一。高分辨率遥感影像具有地物纹理信息丰富等特点，通过高分辨率遥感影像，可以从图像上提取地形地物信息，更高的影像分辨率意味着可以获取的数据更精准，也更丰富。以高分辨率遥感影像为代表的RS技术，在水域调查中，经过处理的高分辨率遥感影像可以直接获取河道、水库、码头等水域调查对象的矢量水域空间信息，大大提高水域空间信息获取的效率，节约成本。

3.4 GIS技术的应用

水域调查的成果是全省水域调查数据库（GIS数据库），并近一步完善全省水域管理信息系统，促进水域管理信息系统开发与建设，实现水域基础信息的数字化管理并为今后水域动态管理提供直观的决策基础，使水利管理部门可以通过水域管理信息系统实现对水域属性空间数据存储、浏览、查询、统计、分析等功能，符合当前社会经济发展发现和需求[6]。GIS用面向对象的数据库技术，对数据进行储存和管理，将物体的空间和属性数据互相关联，使其更接近于真实世界的真实情况。GIS数据库完成后，从GIS的图形和属性库中，可以发现各类目标之间相连（河道支流汇入河道干流）、相邻（界河与行政界线）及共生关系（码头与河道的关系），GIS数据库的拓扑规则，可以厘清省、市、县各级河道的管理范围，河道的起终点位置、长度，水域面积等，有效避免数据打架、交叉情况的发生。

4 全省水域信息管理系统

在水利水域领域内，项目的管理水平与城市发展相融合的水利工程建设现状矛盾突出，严重影响各地水利主管部门的运行效率和服务水平，建立全省水域信息管理系统，实现水域基础信息及工程建设的数字化管理可以为今后水域动态管理提供直观的决策基础，提高水利部门管理的运行效率和管理质量。以全省水域信息管理系统为平台，大量基础数据的保存，在数据妥善保管的同时，可以使用KDD技术，通过大数据分析，代替领导专家决策[7]。

水域信息管理系统具有数据采集与输入，数据编辑与更新，数据存储与管理，水域空间查询与分析，成果展示与输出等功能。数据编辑与更新可以采用定期更新或实时更新相结合的方法，由县级水行政主管部门派专人负责变更数据的获取及提交，并形成长效管理机制，更新仅针对变化的水域，对未发生变化的水域不得擅自变更。经审批的水域调查、水域界线变化、工程建设等情况，结合河道整治、涉水审批、执法监察等管理信息，及时更新相关数据库。

5 结 语

GIS的发展趋势是与全球定位系统（GPS）和遥感（RS）的集成，从而构成实时的、动态的GIS。GPS为GIS的快速定位和更新提供手段，遥感的多谱段、多时相、多传感器和多分辨率的特点，为GIS不断注入“燃料”，反过来又可以利用GIS来支持从遥感影像数据中自动提取各类信息[8]。在水域调查及后续水域动态数据更新中，GPS以其便利获取高精度数据优势作为外业精确数据获取的主要手段；RS获取信息量大，可以快速获取较大范围的监测区域影像，影像数据分辨率高，可识别信息多，可以作为定期更新的主要技术方法；GIS数据处理功能强大，可以快速查询水域空间信息、基础信息及工程信息，并进行分析，是后续水域管理信息系统的基础。

本文根据浙江省水域调查情况，介绍3S技术的基本情况及其在水域调查中的具体应用，为后续其他地区的水域调查及水域管理信息系统建设提供参考。