沂沭泗水政执法遥感动态监测研究

杨殿亮，张煜煜，何厚军，陈 亮

(1.淮河水利委员会沂沭泗水利管理局，江苏 徐州 221009；2.黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450004)

河湖水系是水资源的重要载体，也是水资源短缺、水生态损害、水环境污染等新老水问题体现最为集中的区域。2016和2017年我国先后印发了《关于全面推行河长制的意见》《关于在湖泊实施湖长制的指导意见》，为解决我国新老水问题、加强河湖管理、改善河湖生态提供了制度保障。水利部积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针，加强行业监管，推进水利高质量发展，是新形势下赋予水利工作的历史使命，推动水利行业监管从“整体弱”到“全面强”，实现对水利工作的全链条监管、涉水行为的全方位监管，集中力量重点对江河湖泊、水资源、水利工程、水土保持、水利资金、行政事务等领域进行监管。

沂沭泗水政监察总队作为淮河水利委员会沂沭泗水利管理局直管区域(简称“沂沭泗直管区”)水行政执法和管理的主体，依据《水政监察工作章程》(水利部第20号令)，代表流域机构对公民、法人或者其他组织遵守、执行水法规的情况进行监督检查，对违反水法规的行为依法实施行政处罚，开展流域内的水行政执法工作，在保护水资源、水工程、防汛抗旱与水文监测环境和设施等方面发挥着重要的作用[1]。

沂沭泗水利管理局水政监察机构由1个水政监察总队、3个水政监察支队、19个水政监察大队和15个水政监察中队组成，现有专(兼)职水政监察人员共计396名，监督管理961km的直管河道、1729km的堤防、1537km2的湖泊水域。沂沭泗直管河道分布范围广、岸线长、工况复杂，管理人员少、任务重、难度大。目前，沂沭泗直管河道水政执法仍以传统的人工沿河巡查为主的方式掌握水事活动情况，由于执法支撑信息少、信息获取手段落后，存在发现问题不及时、监管成本高、持续跟踪难度大等问题。亟需采用有效的监测手段，动态掌握河道管理范围内水事活动情况。

遥感技术具有快速、有效、实时、范围广等特点，不仅可以动态监督水利工程建设，还可以监测水情、灾情、水土流失、河湖管理等问题[2-7]。一些学者利用遥感技术开展了流域水政执法应用探索研究，李春雷等[8]利用高分辨率遥感影像开展了河湖“清四乱”应用方法，唐庆忠等[9]对珠江水政监察遥感信息系统的框架设计进行了详细介绍和讨论，申邵洪等[10]研发了基于多时相高分辨率遥感影像的长江流域水政监察系统，齐予海等[11]利用航空遥感技术进行黄河下游河道水政执法监测应用并开发了水政执法遥感信息系统。但是，不同流域受地形、资源等自然因素和人类开发建设等人为因素多重影响，河道监管重点关注内容存在差异，河道监测对象不同，利用遥感技术手段进行河道监测各具独特性。本文针对沂沭泗直管区河道监测对象特点，利用航空遥感、国产卫星遥感等技术进行水政执法本底和对比监测，研究建立流域水政执法遥感动态监测方法，提升沂沭泗水利管理局对直管区水事活动的监管能力，为水政监察执法提供依据[12]。

1 研究区

沂沭泗水系是沂、沭、泗(运)3条水系的总称，位于淮河流域东北部。流域范围北起沂蒙山，东临黄海，西至黄河右堤，南以废黄河与淮河水系为界。流域面积7.96万km2，地跨江苏、山东、河南、安徽4省15地(市)。流域气候温和，土地辽阔，资源丰富，是我国工农业重点发展地区之一。流域内陆路、水运交通发达，公路、铁路交通网密布，京杭大运河纵贯南北。

选取沂沭泗直管区为研究区，涉及沂河(跋山水库-骆马湖口)、祊河(姜庄湖拦河坝-入沂河口)、邳苍分洪道(江风口闸-中运河)、分沂入沭(彭道口闸-入老沭河口)、沭河(青峰岭水库-口头)、新沭河、南四湖、韩庄运河及中运河、骆马湖及新沂河(嶂山闸-入海口)河道[13]，如图1所示。其中，河道长度961km，湖泊面积1537km2。研究区所处地区经济发达，河道内水事活动频发，是沂沭泗水利管理局水政监察的重点区域。

图1 研究区域

2 水政遥感监测

2.1 监测流程

沂沭泗水政执法遥感动态监测在收集研究区相关资料的基础上，采用航空手段采集研究区0.5m空间分辨率高清遥感影像并进行数据处理，通过深入理解各监测对象的业务特征、图像特征和地理特征建立解译标志，对河道监测对象进行全面、详细地解译调查，获取河道监测对象本底监测成果。在本底遥感监测成果基础上，采集优于2m空间分辨率的卫星遥感影像进行数据处理，对比分析卫星遥感影像与本底或历史遥感影像河道监测对象变化情况，解译获取水事活动变化监测成果。水政监察人员根据遥感监测结果，进行河道水政执法。技术流程如图2所示。

图2 沂沭泗水政执法遥感动态监测技术流程

2.2 遥感影像采集与处理

遥感影像采集与处理包括航空遥感影像采集与处理和卫星遥感影像采集与处理。航空遥感影像具有空间分辨率高、大范围成像、时相一致性好、机动性强等特点，但是数据采集成本相对较高，主要用于河道本底信息全面调查。卫星遥感影像具有覆盖范围广、重复覆盖便捷、成本低廉等特点，主要用于河道动态对比监测。

2.2.1航空遥感影像采集与处理

航空遥感影像采集与处理包括航空摄影、外业像控测量、空三加密和数字正射影像(DOM)制作等处理，最终形成研究区0.5m空间分辨率航空正射影像。

本研究航空摄影利用大棕熊Kodiak 100型飞机搭载UCXp-WA数字航摄仪配备POS AV510辅助航摄系统进行拍摄。根据整个摄区的地形特点、航摄仪飞行要求、成像精度要求等，进行航线设计，飞行相对航高5500m，共飞行航线24条。航空摄影时间为2018年10月1—3日。

外业像控测量采用平高区域网布设，像控点采用CORS系统网络RTK方式测量，本次像控点测量利用山东省和江苏省连续运行参考站系统，像控制点对最近基础控制点的平面位置中误差为±0.3m，高程中误差为±0.08m。

空三加密采用PHOTOMOD数字摄影测量软件，对具有POS辅助数据的数码影像进行自动匹配影像生成高精度连接点；对于点位不足的区域人工添加连接点，在像片上量测外业控制点；最后采用光束法区域网平差，剔除粗差点，获取高精度空中三角测量成果，为建立测区模型及内业数据采集提供准确的数学基础。

数字正射影像制作首先结合合空三加密成果和生成的数字高程模型(DEM)，采用PHOTOMOD数字摄影测量软件的数字微分纠正模块，按地面分辨率0.5m对原始影像进行严格正射纠正，生成相对应的单张正射影像；其次，基于INPHO数字摄影测量软件，采用整体接边、一次成图的方法，对整个区域单张数字正射影像进行镶嵌，同时完成整体匀光匀色、几何接边和色彩过渡等工作；最后，根据成图分幅要求，将数字正射影像进行裁剪分幅处理。

2.2.2卫星遥感影像采集与处理

随着国产高分辨率卫星遥感技术快速发展，数据资源日益丰富，多颗卫星协同监测基本可达到每月大范围重复覆盖一次到数次的需求。本研究对比遥感监测采用优于2m空间分辨率的卫星遥感影像，包括高分一号、高分一号02星、高分一号03星、高分一号04星、高分二号、高分六号等，影像时间为2019年5—9月。卫星遥感影像选取晴空少云且河道监测范围内无云覆盖的遥感影像。

卫星遥感影像处理主要包括正射校正、图像融合、图像增强、镶嵌裁剪等。首先，以航空本底遥感影像为参考影像，结合研究区数字高程模型对采集的卫星遥感影像全色和多光谱数据分别进行正射校正；其次，采用Pansharpen融合方法对全色和多光谱数据进行融合处理，得到2米多光谱融合影像；再次，采用指数计算、直方图匹配、图像拉伸等方法进行图像增强，提高监测对象解译精度；最后，根据研究区范围，对遥感影像进行镶嵌与裁剪处理。

2.3 其他资料准备

本研究收集了研究区地形图、水利工程专题地图、水行政审批许可、其他资料等，主要用于辅助遥感影像处理和解译。

2.4 监测对象解译标志建立

根据研究区水政业务需要进行监测对象划分，主要包括圈圩、文体旅游、光伏电厂、码头、造船厂、房屋、采砂、鱼塘、养殖场、芦苇、片林等。结合河道水政执法业务，综合考虑相应的图像特征、地理特征、业务特征等要素，建立河道水政执法遥感解译标志。图像特征主要包括监测对象本身的有关属性在遥感影像上的直接标志和间接标志，包括形状、大小、色调、阴影、纹理等[14]。地理特征主要包括监测对象在地形地貌的空间分布特征。业务特征主要从监测对象的类型、地物组成和整体性来考虑。本研究建立的部分监测对象典型解译标志见表1。

表1 部分监测对象典型解译标志

2.5 本底遥感监测

利用0.5m空间分辨率航空正射影像，结合水行政审批许可和其他相关资料，根据河道监测对象解译标志，遵循“先宏观后微观、由已知到未知、先易后难、由大到小”的原则，采用人工目视解译的方法对研究区内河道监测对象进行遥感影像特征分析，勾绘疑似监测对象图斑边界，设置地理位置、中心经度、中心纬度、面积、周长、所属管理单位、河(湖)长等属性字段并进行赋值，得到初步解译成果。借助无人机、照相机、GNSS等现场取证设备，采用现场查勘等方式对疑似图斑进行逐一查证和核实，修订初步解译图斑生成监测对象本底监测成果，建立研究区河道监测对象本底数据库，为对比遥感监测提供比对基础数据。

2.6 对比遥感监测

在本底遥感监测成果的基础上，利用优于2m空间分辨率的卫星遥感影像进行沂沭泗直管区河道监测对象对比遥感监测。

对比遥感监测采用计算机自动搜索发现和人机交互分析识别相结合的方式进行变化图斑发现。首先，计算机自动搜索发现基于面向对象技术和多源地物特征指数(水体指数、植被指数、建筑指数等)，对最新高分辨率卫星遥感影像和历史高分辨率遥感影像进行遍历变化分析，查找生成疑似变化区域图斑，缩小人工解译作业范围。其次，通过采用人机交互分析识别的方式对最新高分辨率卫星遥感影像和本底数据或历史遥感影像进行时相序列影像比对、解译成果比对，进一步对计算机搜索识别出的疑似变化图斑进行修订，提高疑似变化图斑的识别准确率。最后，采用现场查勘等方式对疑似变化图斑进行查证和核实，修订相关属性，生成监测对象变化图斑。通过对比遥感监测及时、动态跟踪研究区监测对象新增、减少、扩大、缩小等变化，为河道水政执法立案查处落实情况、水行政执法公示、执法全过程记录和执法可回溯管理等提供重要支撑。

3 结果与分析

根据本底和对比遥感监测结果，选取几个典型案例进行遥感动态监测结果详细对比，分析监测成效，如图3—7所示。

图3 南四湖某码头遥感动态监测

图3为南四湖某码头遥感动态监测结果。2018年10月该码头还在运行中，码头上建有房屋等设施，停靠了大量运输船只，码头几乎堆满了各种货物，码头占地面积达222994m2，如图3(a)所示；2019年7月，该处码头已经整改，附近河道内没有停靠和运输往来船只，码头上原有房屋和堆放的货物已经清除完毕，如图3(b)所示。

图4为沂河沂南河段某光伏电厂遥感动态监测结果。2018年10月，该光伏电厂还在正常运转，光伏电板排列整齐，厂址居中位置还有房屋等配套设施，如图4(a)所示；2019年6月，该光伏电厂的光伏电板和房屋等设施已被完全拆除，所占区域已经平整恢复为原貌，如图4(b)所示。

图4 沂河沂南河段某光伏电厂遥感动态监测

图5为祊河某房屋遥感动态监测结果。2018年10月，该处房屋结构完整，可见周边配套设施，院内停车场可见停放车辆，如图5(a)所示；2019年6月，该房屋已经被整改拆除，拆除后原址上被防尘布遮盖，如图5(b)所示。

图5 祊河某房屋遥感动态监测

图6为沂河郯城河段某文体旅游项目遥感动态监测结果。该文体旅游项目为修建在河道堤防内滩区的马术场，场内修建有大型跑道、看台、马棚、管理及游客休闲房屋等，如图6(a)所示；2019年6月，该马术场已完成整改清除，跑道已废弃，看台、马棚、管理及游客休闲等房屋已经拆除，如图6(b)所示。

图6 沂河郯城河段某文体旅游项目遥感动态监测

图7为南四湖某文体旅游项目遥感动态监测结果。2018年10月该处为南四湖湖泊内自然芦苇滩地，如图7(a)所示；2019年7月，该处滩地芦苇等植被已被清理，土地进行了人为平整，疑似在建建设项目，如图7(b)所示。通过实地核查，为一处动土违规在建的文体旅游项目，水政执法人员根据遥感监测结果及时对该处违规项目进行执法整改，停止了项目建设。

图7 南四湖某文体旅游项目遥感动态监测

4 结论

本文综合利用航空、卫星等遥感技术手段进行河道水政执法动态监测应用，全面获取了河道内圈圩、文体旅游、临河房屋、码头、光伏电厂等监测对象本底信息，动态跟踪发现了水事活动的新增和整改清除等变化情况，实现水政执法问题变化高效监管、动态更新，有效解决传统水政执法发现问题不及时、监管成本高、持续跟踪难度大等问题，为沂沭泗河道水政执法提供了有力支撑，取得了良好应用效果。在将来的水政执法遥感监测应用中，需进一步加强多源卫星遥感数据和无人机技术综合应用，提高监测频次，及时发现问题，强化人工智能等先进计算机识别技术在监测对象信息提取中的应用，提升动态监测的智能化水平。