基于遥感技术的河长制工作研究

张胜强 侯建 郑尚

摘 要：河长制是河湖管理行政化的体制创新，是严格落实绿色发展理念、保障国家水安全的重要举措。在河湖监管常态化的大背景下，遥感技术凭借自身的优势和特点，广泛应用于水域岸线管理、水污染防治、执法监管等河长制工作中。在论述遥感技术基本原理的基础上，详细分析了现状遥感技术在河长制工作的应用以及存在的不足，对未来遥感技术助力河长制工作的研究方向做了一定的展望。

关键词：遥感技术；河长制；水域岸线；水污染防治；执法监管

中图分类号：TP79；TV213.4                                文献标志码：A

0 引 言

中国是世界上河流湖泊最多的国家之一，流域面积超过1 000 km2的河流有1 500多条，面积在1 km2以上的天然湖泊有2 800多个。水资源总量居世界第六位，2021年我国水资源总量为29 638.2亿m3，其中地表水资源总量为28 310.5亿m3，地下水资源总量为8 195.7亿m3，不重复量为1 327.7亿m3。虽然河流、湖泊数量较多，但人均水资源量仅2 007 m3，约为世界人均水平的25%；此外，伴随着我国国民经济的高速增长，特别是高污染、高排放等产能的激增，河湖问题日趋严重，尤其是违规占用河湖岸线、坑塘养殖、围湖造田、超标排放、非法采砂等，亟待解决。

2016年，中共中央办公厅、国务院办公厅联合印发《关于全面推行河长制的意见》，明确由党政领导担任河长，协调整合各方力量，着力解决水资源保护、河湖水域岸线管理保护、水污染防治、水环境治理、水生态修复、执法监管6个方面的突出问题，严格落实绿色发展理念，保障国家水安全[1]。

此后，各地按照省、市、县、乡、村五级设立河长，全面分级开展河湖管理工作，但传统的巡河、护河等监管手段因为耗时长、范围小、局限性大等缺点，难以满足当下河长制工作的要求。遥感技术凭借覆盖范围广、监测周期短、信息获取快捷、对环境的适应能力强等特点，特别是我国自主研发的不同用途、不同轨道高度、不同分辨率的卫星相继入轨服役，覆盖从全色、多光谱到高光谱，从光学到雷达等多种探测类型，能够实时提供多源高分辨率影像资料，正逐步应用于水域岸线管理保护、水污染防治、执法监管等方面，助力河长制工作从“有名有实”向“有能有效”转变[2-3]。

1 遥感技术概述

遥感技术是利用航天、航空遥感平台上的遥感仪器，获取地球表层特征的反射或发射电磁辐射能的数据，通过数据处理和分析，定性、定量地研究地球表层的物理过程、化学过程、生物过程、地学过程，为资源调查、环境监测等提供技术支撑。根据遥感平台的不同，可以分为地面遥感、航空遥感和航天遥感。

遥感工作主要包括：①遥感数据获取。电磁辐射能经与大气层的散射、吸收、衰减等相互作用后到达地表，与地表的研究对象发生反射、吸收、透射等光学反应，遥感仪器探测、记录地表对象的大量光谱信息后形成模拟图像或数字图像等遥感数据。②数据处理、分析。遥感图像信息通过复杂形式的色调、结构及其变化等体现出来，需要经过辐射校正、几何校正、数字图像镶嵌等图像预处理过程，光谱和空间增强等图像增强和变换，目视解译、模拟图像处理、计算机数字图像处理等遥感解译后，遥感数据才能应用于各个分支。③数据应用。解译分析后的遥感数据，可以广泛应用于土地覆盖、土地资源评价等土地遥感领域，植被指数、植被指数与地表参数关系等植物遥感，地质调查、矿产勘察、遥感地质灾害调查等地质遥感。此外，通过与地理信息系统（GIS）的深度融合，利用GIS提供的空间与属性数据，遥感数据能极大提高遥感目标识别的精度和效率。

遥感技术作为远距离的观测技术，具有如下特点：①宏观性。遥感技术观测范围广、影像信息丰富，一张TM影像能观测185 km×185 km的地面范围。②综合性。遥感影像涵盖的光谱特征丰富，采用不同的解译方式可以分析地物的不同特征和属性。③多波段性。根据探测器的不同，可以实现多波段、全天候对地观测。④多时相性。可以对不同时点的空间区域进行观测，分析区域的变化和阶段趋势。⑤经济性。与其他观测手段相比，单位面积的观测成本大大降低。目前遥感技术已经广泛应用于军事、地质、海洋、水文、环境、地灾、测绘等领域[4]。

目前，针对遥感技术的前沿研究主要集中在高光谱遥感和目标识别与信息提取等方面[5]，重点体现在高光谱遥感影像分类方法研究、深度学习及卷积神经网络技术等领域。张健等[6]针对基于深度学习的分类算法在训练样本过程中存在的过拟合问题，提出了一种生成式对抗网络分类算法，在高光谱图像遥感影像分类试验中表现出明显的精度提升。孙根云等[7]结合多源遥感影像与开源数据，构建了一种融合光學、SAR和地形数据的超轻量级CNN模型，有效提升了大尺度高分辨率不透水面提取精度。高浩博等[8]提出了一种基于深度学习的高分辨率卫星遥感影像条带噪声去除方法，并通过试验证明了该方法的优越性。许慧琳[9]通过网络训练框架、空谱特征降维算法、空谱语义特征学习网络，提出了解决样本受限条件下高光谱遥感影像分类中存在的噪声样本、小样本及无样本问题的方法。

2 遥感技术在河长制工作中的应用

2.1 水域岸线管理保护中的应用

2.1.1 河湖管理范围划定

河湖管理范围划定是水域岸线管理的基础性工作，对于河长制工作的深入开展具有现实意义。通过在遥感底图上叠加河湖管理范围划定成果，可以高效开展河湖管理范围划定复核工作，定性判断河湖管理范围划定的合理性，有效解决故意避让建筑物、河（湖）汊划出管理范围、洲头重复划界等问题。遥感技术应用于河湖管理范围划定实例如图1所示。

2.1.2 涉河建设项目管理

涉河建设项目管理是开展水域岸线空间管控的重点，是落实岸线资源集约节约利用的关键。利用卫星遥感底图成果，通过地理位置坐标将涉河建设项目平面布置方案导入河湖综合管理平台，能准确判断涉河项目建设地点是否与许可一致，是否存在与上下游涉水项目重复利用岸线的情况，以及是否占用岸线保留区、保护区及生态敏感区。遥感技术应用于涉河建设项目管理实例如图2所示。

2.2 水污染防治中的应用

不同水体具有不同的太阳光吸收和反射特性，表现出不同的光谱特征。利用遥感技术可以对水体的光谱特性进行分析，结合数学模型对水体中包含的悬浮物、有机质的含量进行反演推算。直接水质参数（如叶绿素a、悬浮物）具备清晰的光谱特征，可作为现阶段遥感技术应用于水质监测的典型指标[10]。

叶绿素a是衡量水域浮游生物和富营养化程度的典型水质参数。实践中利用光谱仪测定水域反射光谱特征，建立光谱特征与实测叶绿素a含量的数学反演模型（见式1）；基于反演模型，利用高光谱遥感影像中对象的光谱特征，实时反演出水域叶绿素a的含量[11]。

式中：Rs為叶绿素a浓度函数；A、B、C为反演模型参数；fc为光谱特征函数。

悬浮物作为污染物的载体和示踪剂，会对水体透明度、水体颜色产生影响。悬浮物的监测和叶绿素a的监测原理类似，基于实测的总悬浮物浓度（TSM）数据建立光谱反射率与悬浮物含量的数学模型，通过遥感影像的光谱反射特性反演悬浮物含量。遥感技术应用于水污染防治实例如图3所示。

利用不同时点不同区域的水质监测成果，可以生成某一特定时点的水质监测云图和某一时间段内水质变化云图，了解水污染在时间上和空间上的分布情况，理清水污染扩散的具体路径，评估水污染问题整改的效果，为水污染防治提供坚实的数据和技术支撑。

2.3 执法监管中的应用

利用高分辨率的遥感影像，叠加经公示的河湖划界范围图层和行政区划图层，基于一定的机器算法，自动识别河道管理范围内的乱占、乱堆、乱采、乱建“四乱”问题，尤其对河道管理范围内的工矿企业、居民房屋、围湖养殖等乱建、乱占问题具有较高的精度，按行政区划形成“四乱”问题疑似图斑清单，明确现场复核、整改权属，落实监管责任，全面从严落实水域岸线监管。对于乱堆等自动解译精度较低的疑似图斑，辅助以人工现场复核、无人机低空遥感监测等方式，构建“天空地一体化”河湖岸线监管平台[12]，基本实现河湖岸线全方位无死角监管。

通过对不同时点序列的遥感影像进行纵向对比分析，能够明确具体“四乱”问题发生的时间段。对比分析区域“四乱”问题清单，能有效获取特定区域河长制工作的成效及“四乱”问题的整改力度。遥感技术应用于河湖“四乱”问题执法监管实例如图4所示。

3 存在的不足

在河长制工作中，特别是河湖岸线管理保护环节，遥感技术已经成为主要的监管手段之一，但是在应用过程中仍存在一些不足，主要体现在以下几个方面。

（1）遥感影像空间分辨率有待进一步提高。遥感影像虽然对乱建、乱占等四乱问题具有较高的精度，生成的疑似图斑现场复核准确率较高，但是由于乱堆问题与附近地物的光谱特性类似，对现有空间分辨率遥感影像的自动解译精度往往不尽如人意，需要通过无人机低空遥感再次确认。

（2）遥感影像重复周期有待进一步缩短。将遥感影像用于不同时点序列的对比分析时，只能大致确定具体“四乱”问题发生的时间段，以月或季为单位，时间精度较低。此外，对于乱采等瞬时违法行为，遥感技术更是无能为力。

（3）通用的反演模型有待进一步研发。现阶段基于遥感影像中水体光谱特征进行的叶绿素a、悬浮物等直接水质参数反演的应用，还无法做到一个模型反演数个水体，个别水体的成功遥感模型还无法直接移植于其他水体。

4 结束语

遥感技术基于自身的特点及优势，已经广泛应用于河长制工作的多个环节，特别在水域岸线管控和执法监管等方面已经较为成熟。随着更高分辨率、更广光谱遥感卫星的投入使用，以及更有效的影像预处理模型算法的出现，遥感影像成果的精度、时间周期、稳定性将会不断提升。此外，在水利信息化的大趋势下，遥感技术将与数字孪生、人工智能等技术深入融合，将人工目视解译剥离，真正实现基于机器学习的遥感自动解译，提高遥感技术的自动化程度和效率，将地理信息、水文水资源信息与遥感影像成果整合，增加遥感影像数据的维度，助力水利信息化和智慧河湖向纵深发展。

参考文献：

[1] 中共中央办公厅，国务院办公厅.关于全面推行河长制的意见[J].中国水利，2016（23）：4-5.

[2] 孙伟伟，杨刚，陈超，等.中国地球观测遥感卫星发展现状及文献分析[J].遥感学报，2020，24（5）：479-510.

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[4] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社，2003.

[5] 熊巨华，吴浩，高阳，等.遥感科学十年：自然科学基金项目申请资助、研究成果与发展挑战[J].遥感学报，2023，27（4）：821-830.

[6] 张健，保文星.生成式对抗网络的高光谱遥感图像分类方法研究[J].遥感学报，2022，26（2）：416-430.

[7] 孙根云，王鑫，安娜，等.基于多源遥感的大尺度高分辨率不透水面深度学习提取方法[J].测绘学报，2023，52（2）：272-282.

[8] 高浩博，卜桐，李欣，等.基于深度学习的高分辨率卫星遥感影像条带噪声去除[J].遥感学报，2023，27（3）：610-622.

[9] 许慧琳.样本受限条件下的高光谱遥感影像分类方法研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2023，48（5）：822.

[10] 马兆越.珠江口悬浮物浓度遥感估算及影响因素分析[D].南京：南京信息工程大学，2022.

[11] 张鹏，郭正鑫，刘振军.高光谱卫星影像水质遥感反演[J].测绘通报，2022（增刊2）：206-211.

[12] 冯新军，张旭阳.基于“天空地一体化”遥感监测体系的河湖岸线动态监管平台设计与实现[J].河南科技，2021（22）：6-8.

River Chief System Based on Remote Sensing Technology

ZHANG Shengqiang，HOU Jian，ZHENG Shang

（River and Lake Protection and Construction Operation Safety Center of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430019，China）

Abstract：As an institutional innovation in the administrative management of rivers and lakes，the river chief system is a significant initiative to strictly implement the concept of green development and ensure national water security. Under the background of the regularized oversight of rivers and lakes，remote sensing technology，with intrinsic advantages and characteristics，is widely used in river chief system applications such as water shoreline management，water pollution prevention，and law enforcement supervision. Following a discussion of the basic principles of remote sensing technology，this paper presents the application of remote sensing technology and the existing deficiencies in the river chief system operations. Furthermore，the paper outlines future research directions to facilitate the efficacy of river management system.

Key words：remote sensing technology；river chief system；water shoreline；water pollution prevention；law enforcement supervision

收稿日期：2022–11–19

作者簡介：张胜强，男，工程师，硕士，主要从事河湖督查和涉河项目管理工作。E-mail：2247581306@qq.com

通信作者：郑 尚，男，工程师，硕士，主要从事河湖保护、水文规划工作。E-mail：1316376453@qq.com