航天技术助力城市水务管理数字化发展

文 | 张博群 刘宗玥 刘源

哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司

一、数字化水务发展背景与趋势

城市水务管理涉及领域涵盖了水源调度、供排水管理、地下管网、海绵城市建设与管理、城市水环境监管、城市防洪排涝以及综合性管控平台等。针对水务行业的发展，在党的十九大会议上提出了明确要求，水务行业将对标新时代要求，全面进入从“粗放式”到“高质量”发展，从“传统模式”到“创新模式”驱动的变革期。2021 年中国城镇供水排水协会发表的《城镇水务2035 年行业发展规划纲要》中提出“到2035 年，基本建成安全、便民、高效、绿色、经济、智慧的现代化城镇水务体系”，这无疑是对智慧水务的发展提出了更高的要求，同时也为航天技术赋能水务数字化转型创造了良好的契机和发展空间。

技术赋能加快数字化水务智慧升级，利用前沿技术挖掘水务行业发展新动力。将物联网、人工智能、数字孪生、卫星遥感等前沿技术与水务应用深度融合，形成“新技术＋新业务”的发展模式。创新水务的运营管理，为城市水务集约建设、协同管理、资源共享和联合应急提供新思路和新途径。以技术为核心力量推动水务行业的发展和变革，为数字化转型打下智慧基础，通过模型、智能算法的融合应用，推动业务流程优化与模式创新，不断催生水务行业新模式、新场景，实现智能生产、精细运营、精准服务、智慧管理。

二、航天技术在水务领域应用

在此大背景下，为航天技术在水务领域的应用提供了前所未有的机遇，将“航天科技创新和水务数字化需求”高度融合，利用遥感卫星、北斗导航、北斗网格码等技术手段，搭建全面的时空天地立体化感知网，将航天技术切实应用到数据采集、数据传输、信息定位、系统建设等城市水务管理的全生命周期，实现“天上看，网上管、地上查”的数字化、智能化管理模式。

1.北斗导航技术水务领域应用

（1）北斗导航助力智慧供水

随着水务数字化转型趋势的推进，城镇智慧供水的建设也逐步开展实施。保障城镇居民用水安全是供水管理的重中之重。针对供水管网的实时管理通常采用物联网手段，但某些偏远城镇由于经济条件和基础设备条件的限制，存在通信网络覆盖较差，监测信息传输时效性不稳定，异常爆管、渗漏等情况不易定位的问题，北斗导航系统利用特有的短报文通信服务，能够为物联网监测提供实时的信息回传功能。自从我国北斗三号卫星组网成功，北斗系统短报文服务容量提升10 倍，用户机发射频率降低10 倍，形成可靠通信网络覆盖的业务服务，并且北斗系统能够提供优于10m 精度的定位功能，能够实现供水管网运行状态监测数据的可靠传输和异常点位的高精定位，有效解决供水公司在日常和突发爆管应急事件两种模式下的管理难题。

以三亚市为例，在山区供水管网管理的过程中，充分利用了北斗导航定位系统具有高精度的优势，精准定位传感器位置信息，结合模型进行爆管、渗漏等异常管道的定位分析，并通过“北斗短报文通信+物联网”建立实时可靠的感知网络，确保数据传输的时效性和保密性，动态监测管网运行状态，将供水管网日常运行数据及突发应急爆管事件预警数据的信息实时上报，为辅助管理人员对山区全范围内的供水管网无死角地进行全天候、全天时的不间断监测管理，为更高效、更精准、更可靠的山区供水管理提供了有力支撑。

（2）北斗网格码助推河长制长治久清

我国水网密布、河湖众多、水资源丰富，河长制日常工作中涉及到的水利资源数据（水利设施、涉水建筑等空间位置数据）具有来源多、数据量大、处理分析复杂等特点。在大数据背景下，海量的、异构的面目标（水面遥感监测数据）、体目标（河湖、水网）都必须用一群“点”（河湖影像数据）的集合来表达时，在对象标识、位置传递、信息检索、空间计算等方面都存在短板和不足。北斗网格码是一种多尺度、离散、适用于导航定位服务的全球地理网格编码，利用地球剖分网格实现全球多尺度区域位置标识，和传统经纬度表达的区别在于用一个整型数代表一个域位置。利用北斗网格码可以打破“实物ID”管理方法的局限性，能够实现空间与时间同时离散数字化，具有地球全域三维空间的唯一性，无缝无叠。并且可以兼容现行的测绘、气象、海洋等各种地图分幅体系，加速数据融合，有效降低计算维度，提高计算效率，使河长制监测范围更精细。

以广东省为例，广东是国内河网密度最大的地区之一，陆地海岸线居全国首位，堤防总长度近30000km，河长制日常工作推进挑战大，难度高。利用北斗网格码作为时空大数据的组织框架，通过“一位一码”（网格+空间）、“一物一码”（网格+ID）、“一事一码”（网格+活动）将万事万物统一到一个数据模型中。无人机、卫星监测到的水质和影像数据（物）、河湖“四乱”问题（事）经过网格编码后，统一归集到河湖及周边涉水建筑（位）网格的“点”上，实现在某一“点”上进行数据组织管理和渗透检索查询。利用网格智能解译、定位关联与区域特性标识，将卫星、无人机的影像数据映射到网格内对应的“点”，与历史影像进行对比，实现“点”位的可视化和智能分析。并利用北斗网格唯一性特点建立广东省河湖“四乱”问题唯一身份信息，实现“四乱”问题时空尺度的状态跟踪与溯源，“四乱”问题得到有效遏抑，执法难度及成本极大降低。图1 为影像内部数据网格编码流程及对“四乱”现象的智能解译与变化监测应用。

图 1 北斗网格在河长制管理应用

2.卫星遥感技术水务领域应用

（1）遥感监测助力城市黑臭水体防治

随着我国水环境保护正在由污染防治为主走向环境保护和污染防治并重的发展方向，环境监测亟须从点上监测向面上监测发展，从静态监测向动态监测发展，从定时监测向连续监测发展。卫星遥感技术的应用正符合此发展的需要，并能够有效配合以点位构成的地面环境监测网络的建立，在宏观性、动态性、科学性方面具有明显的优势。因此，遥感技术在黑臭水体筛查以及宏观生态指标监测中发挥了很大的应用潜力，能够实现大范围、连续地对黑臭水体进行监测，全方位地获取水体变化信息，其观测能力是其他常规技术所不具备的。此外，随着资源三号、高分一号、高分二号等国产高分辨率系列卫星相继发射，极大提升了获取高分辨率卫星数据的机会。同时，亚米及米级空间分辨率的卫星遥感数据为城市河道的精细提取、河道水质的监测和评价提供了数据保障。

以江苏省为例，2019 年生态环境部卫星环境应用中心和江苏省环境监测中心，首次将天（卫星航天遥感技术）、空（无人机航空遥感技术）、地（地面实测数据）相结合，全方位、多角度地对城市黑臭水体进行无死角监测，并形成了具有航天特色的“卫星遥感筛查+ 无人机航拍细查+ 水质地面核查”黑臭水体治理模式。利用该手段累计对全国15 个省、41 个城市进行了建成区内黑臭水体高分辨率遥感筛查工作，筛查面积总计13000km，筛查发现黑臭水体193 个，总长度达260km，使地面督查工作更加有的放矢。与此同时，江苏省环境监测中心以卫星遥感影像分析技术为基础构建了城市水域精细提取、城市黑臭水体遥感识别与分级技术，在黑臭水体筛查、现状监测、过程监管、成效评估各个阶段均得到有效应用，为城市精准治理黑臭水体、提升水环境管理和科学决策水平提供了有效支撑。图2 为遥感技术在黑臭水体分布分析及治理监管的应用。

图 2 遥感技术在黑臭水体治理应用

（2）卫星遥感助力防洪防汛管理

早在1980 年，我国已经将卫星遥感技术应用到防汛抗旱的监测与评估工作当中，经过40 年的不断探索，我国防洪遥感监测的技术水平发生了大的飞跃，建立了“机、星、地”模式的全天候和准实时的洪水遥感监测系统，每次重特大涉水灾害监测中都离不开遥感技术，遥感监测第一时间发挥了重要作用。

以汶川地震灾区堰塞湖洪水风险遥感连续监测为例，2008 年5 月12 日汶川地震发生后，第一时间全面投入灾区堰塞湖遥感应急监测，从5 月14 日得到第一幅遥感影像开始，在不到一个月的时间内，先后使用10 余种卫星遥感数据，共计进行应急监测60 余次，在较短时间内通过遥感技术新排查出99 处堰塞湖，同时核实了34 处堰塞湖中的27 处，监测到的灾区堰塞湖总数达到126 处，对唐家山堰塞湖开展了持续跟踪监测，打印各类图件300 多张，其中为水利部、国家防汛抗旱总指挥部办公室、科技部等提供各类图件100 多张，为抗震救灾提供了有力支撑。

随着卫星遥感技术的飞速发展，洪涝灾害的遥感监测评估已逐步向全链路、全覆盖和定量化方向转变，不再只局限于应急型监测，通过遥感数据与流域洪水模型的耦合，在动态了解全流域洪水时空过程的前提下，为应急监测目标区的预判争取时间，实现从传统局部应急监测向流域全覆盖的高效定量监测的转变。对于重特大台风暴雨洪涝灾害遥感监测，已打破了地面洪涝监测的传统手段，从台风形成开始就启动基于气象卫星的动态监测，并贯穿其移动、登陆、消亡的全过程，为基于多源遥感的地面洪涝灾害监测目标区的预判争取时间，实现了台风暴雨洪涝灾害全链路的遥感监测。高分遥感技术在非灾时的很多前期基础性工作中也同样发挥了不可或缺的作用，对流域地表水体、冰川积雪、下垫面植被、不透水面积等目标的动态监测以及土壤墒情、降雨等参数时空变化信息的反演，这些基础信息的动态获取与综合分析均对防灾减灾决策具有指示意义。图3 为遥感技术在城市防汛淹没分析及洪水发展趋势分析的应用。

图 3 卫星遥感技术在防洪防汛管理应用

三、结束语

随着航天技术的蓬勃发展，在城市水务管理领域的应用日益增强，在农村饮水安全、黑臭水体整治、河长制实施等方面都得到了广泛应用，并取得了良好的应用效能，为助力智慧水务数字化转型作出了贡献。但是，城市水务管理的业务范围广泛，并随着社会经济的发展在不断地扩展延伸，北斗、遥感的应用目前还有局限性，在城市污水处理、内涝预警、“厂网河”一体化等方面还有很大的应用空间需要去挖掘和探索。