孟令奎 ，杨 淼 ，杨之江 ,

（1. 武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430072；2. 网易游戏，广东 广州 510000）

全国饮用水水源地遥感监测技术与系统

孟令奎1，杨 淼1，杨之江1,2

（1. 武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430072；2. 网易游戏，广东 广州 510000）

针对传统水源地监测存在的成本高、周期长、监管难度大等缺陷，本研究面向具有高空间分辨率的高分 1 号卫星影像，结合遥感监测、组件式 GIS 等原理与技术设计并实现全国饮用水水源地遥感监测系统，实现水源地属性、矢量、影像、高程数据一体化管理，提供联动查询、异常区域标绘、DEM 导出等辅助监测分析，以及水源地遥感影像库构建与更新和专题制图等功能。遥感监测系统各功能测试结果表明，系统满足水资源管理部门对饮用水水源地信息一体化管理与辅助监测分析的需求，有助于建立更为完善的饮用水水源地监测网络，提高水源地监测效率，为水源地保护区的设立和划分提供科学依据。

遥感监测；组件式 GIS；水体提取；DEM 裁剪；饮用水；水源地

0 引言

传统的水资源监测主要通过布设监测站网，依靠地面人工或自动监测手段获取水资源信息[1]，监测周期长、效率低，人力、物力耗费大。随着遥感与信息化技术的发展，遥感与 GIS 结合的方式成为水资源监测的重要手段之一，众多国内外学者对其进行了深入研究：Hervé 等[2]使用 ENVISAT 和MODIS 对长江中游流域水资源进行了 9 a 的监测，为长江中下游流域水资源管理提供了有价值的信息；Cau 等[3]研发了面向网络和 GIS、提供信息和支持工具的 BASHYT 系统，该系统是黑海集水观测系统（BSC-OS） 的一部分；户作亮[4]利用 3S 和 IT技术，建设了海河流域水资源与水环境知识共享平台；贺中华等[5]以贵州省为例利用 NDVI（植被覆盖指数）及定量遥感技术对喀斯特水资源监测做了研究。

但目前在国内，鲜有学者将 GIS 与遥感结合的方式应用到水源地监测上。为此探讨结合 GIS 和遥感的饮用水水源地监测方法，并采用高分 1 号卫星影像综合运用遥感监测和组件式 GIS 技术设计实现全国饮用水水源地遥感监测系统（以下简称遥感监测系统）。

1 遥感监测技术

饮用水水源地是为公共饮用水供给系统提供原水的区域[6]，利用水源地监测信息，建立饮用水水源地保护区，加强保护区管理及生态保护，是减少污染、保护水源的根本要求。水源地水质及蓄水情况是主要监测内容，其动态变化性要求监测的实时性与高效性，监测精度决定了为保护区划分所提供信息的真实性与准确性。饮用水水源地监测与一般水资源监测的不同在于，除标准的水量与水质监测外，还需监测保护区范围内异常信息，因此水源地监测首先要生成水源地保护区范围矢量。利用高分遥感影像与水源地保护区范围矢量，既能快速实时获得水体面域、水质等基本水资源信息，又能对保护区范围内异常信息进行监测；同时，使用 GIS 技术可高效管理水源地数据并提供辅助监测分析工具，大幅简化饮用水水源地监测，降低监测成本，缩短监测周期。

对饮用水水源地进行遥感监测的思路如下：首先利用高分辨率遥感影像进行水体提取，获取饮用水水源地范围；然后利用 GIS 的矢量化和缓冲区生成工具提取水源地保护区范围；最后综合利用遥感影像和 GIS 空间等分析技术对饮用水水源地保护区配套数据进行辅助监测分析，为水源地监测人员相关工作提供决策支持，具体思路图如图 1 所示。

图 1 饮用水水源地监测技术思路图

2 遥感监测系统关键技术

2.1 水体提取

水体提取是生成保护区范围矢量的基础。水源地保护区监测范围矢量生成方法如下：首先根据高分卫星影像进行水源地水体提取；然后将提取结果转为矢量数据；最后结合水源地取水口矢量，依照水域、陆域的一级与二级保护区标准，通过缓冲区生成的方法生成水源地保护区范围。

本研究使用高分 1 号卫星影像数据提取水体获得水源地保护区监测范围矢量。一方面，高分 1 号影像数据没有中红外波段，因此选择 NDWI（归一化水体指数）进行水体指数计算[7]；另一方面，从实现成本与实际生产的角度考虑，使用快速有效的最大类间方差法（OTSU）对 NDWI 结果进行阈值分割提取水体[8]。为达到去除直方图毛刺及增大 NDWI计算后影像直方图上水体峰与非水体峰间差异的目的，在进行阈值选取之前，需对影像进行拉伸和平滑去噪。算法具体流程如图 2 所示。

2.2 DEM 裁剪

图 2 基于 NDWI 的 OTSU 自适应阈值法流程

为了对水源地保护区范围内情况进行进一步的监测与分析，除影像数据外，还需对高程数据进行地形分析，因此有获取水源地周边 DEM 的需求。DEM 数据由于数据量庞大，一般需要构建强大的存储服务器，将高精度的原始数据切片构造影像金字塔存放于服务器；客户端通过 DEM 数据服务从服务器端获取数据，同时将下载的数据以缓存形式存放在本地[9]。传统任意区域 DEM 获取思路如下：首先计算目标区域的最小外接矩形；然后调取所有与最小外接矩形相交的 DEM 图幅，进行拼接和磨光；最后按照最小外接矩形的范围进行 DEM 裁剪后将数据传输到客户端上。

对于河流型水源地等形态细长且不规则的目标，若从服务端下载其包围盒内所有 DEM 数据后再进行裁剪，效率低且会下载大量无用数据。对此，张文等[10]提出基于空间分析的平滑缓冲区 DEM 裁剪提取和基于矩形拼接的 DEM 裁剪拼接等算法，利用空间分析和矩形拼接的优势，实现任意输电线路DEM 数据高效、轻量级提取。本研究将这 2 种方法用于水源地 DEM 获取。

2.3 组件式 GIS

遥感监测系统需灵活调整界面布局，并根据用户需求变更快速调整系统功能组成。组件式 GIS 系统框架利用组件及插件式功能组件动态加载等技术[11]，可提高开发效率，降低维护成本，使系统软件尽早投入使用，并在实际使用过程中发现问题，更新需求，及时对系统功能组成及实现做出增删和调整。因此，遥感监测系统采用组件式 GIS 系统框架。

3 遥感监测系统架构与设计

3.1 总体设计

根据水源地监测对水源地属性、矢量、影像、高程数据一体化管理，遥感监测系统辅助监测分析及多终端数据共享、访问与分析的需求，选用 2 层C/S 结构，将数据存储于服务端，管理分析功能集中在客户端。服务端主要负责对水源地属性、矢量、影像、高程数据进行存储；业务逻辑主要集中在客户端，客户端通过数据访问模块从服务端获取数据缓存于本地后加载到客户端系统中进行编辑、分析、专题产品生产等，充分发挥客户端性能，降低服务器负载。遥感监测系统体系结构如图 3 所示。

图 3 遥感监测系统体系结构

遥感监测系统共包含以下 4 层：

1）数据层。集中在服务端，保证数据的唯一性，便于数据维护和共享，通过定期备份数据确保数据的安全性，主要包含属性、矢量、影像、高程等数据库及专题产品库等五大类。

2）核心层。客户端系统的基础层次，主要包括组件框架引擎、数据访问、系统日志三大模块。

3）业务逻辑层。主要包含客户端系统所需的功能模块，根据水源地监测对水源地信息一体化管理与维护，以及对水源地进行辅助分析监测与专题产品生产的需求，分为基础和高级功能及数据管理三大模块。

4）表现层。负责用户交互并与业务逻辑层对接，主要包含用户界面模块。

3.2 数据库设计

依据水资源管理部门的软硬件实情，采用传统商用关系数据库 Oracle 作为系统属性数据库。从易于开发和操作的角度着想，采用本地矢量图层编辑，关系数据库存储矢量数据的方式作为矢量数据库的运作方式。专题产品库与矢量数据库的情况类似，因此采用与矢量数据库同样的方式将专题数据打包压缩后存放于关系数据库表的 blob 类型字段中。影像数据库用于存储水源地基准水位影像及其他不同时期的影像，本研究选用灵活的 FTP（文件传输协议）与关系数据库结合的方式实现。高程数据库通过网络服务程序响应客户端的高程数据获取请求实现，共实现 2 种高程数据获取入口，分别是指定经纬度的坐标获取点及范围和采样间隔获取矩形范围的高程数据。

3.3 功能设计

遥感监测系统包括基础和高级功能及数据管理三大模块，即业务逻辑层的三大模块，各模块详细功能如图 4 所示。

4 遥感监测系统实现与功能展示

4.1 系统实现

遥感监测系统客户端在 Windows 系统 Microsoft.Net Framework 平台下采用 C# 语言开发，地图显示、查询、分析等 GIS 功能选用 ArcEngine 组件进行二次开发，UI 界面选用在 WinForm.Net 基础上开发的 DevExpress 控件库。客户端系统整体框架使用组件式 GIS 系统框架，采用 XML 配置结合平台加载插件的模式实现用户接口的动态生成。

服务端为 Windows Server 2008 操作系统，选用Oracle 关系数据库结合 FTP 服务完成属性、矢量、专题及影像等数据库，选用 C# 和 .Net 开发网络服务作高程数据服务。

4.2 数据准备

将水源地配套数据关联入库，包括水源地属性、保护区范围矢量及影像等数据。其中，水源地影像数据来源于高分 1 号卫星影像；属性信息数据由水资源管理部门提供；水源地保护区范围矢量的获取，首先采用 NDWI 计算水体指数后，用最大类间方差法进行自适应阈值选取，对水源地基准水位影像进行水体提取，然后结合水源地取水口、5 年及 10 年一遇的洪水淹没范围、＜ 100 km2小型流域的集水范围等矢量数据，利用 ArcGIS 的矢量化与缓冲区生成等工具进行水源地一级陆域、水域，二级陆域、水域保护区范围矢量生成。构建了 142 个饮用水水源地的数据资源库，满足全国重要饮用水水源地监测的需要。

图 4 遥感监测系统各模块详细功能

4.3 功能展示

遥感监测系统主界面由选项卡功能区、图层管理树、地图视图窗口和状态栏组成。三大模块功能实现如下：1）基础功能模块。主要为水源地监测提供基础数据加载查看功能，包含数据加载与显示、图层管理、基本地图操作等。2）高级功能模块。主要为监测人员提供辅助监测与分析功能，包含卷帘、影像聚类工具，异常区域标绘，专题制图，DEM 导出等。3）数据管理模块。主要为水源地监测人员提供对水源地数据的一体化管理和维护功能，包含水源地、影像数据、专题产品、日志等的管理。

以包头市黄河水源地为例进行系统功能展示，操作流程如图 5 所示。

图 5 功能展示操作流程图

具体操作如下：

1）水源地数据入库。进入全国水源地信息管理界面，按照添加水源地向导填写包头市黄河水源地属性信息并上传准备好的配套数据。

2）数据管理。根据需要对已入库的水源地进行删除，属性信息编辑，以及水源地影像管理的操作，但是水源地编码及保护区范围矢量和基准影像在水源地入库后将不可修改。

3）数据加载及信息查看。加载包头市黄河水源地的取水口、保护区范围、基准水位影像，以及全国行政区划四大图层叠置显示，通过信息查看功能可查看当前水源地的基本属性信息。水源地加载效果如图 6 所示。

图 6 水源地加载效果

4）地图操作。对加载的数据进行漫游、全图、缩放、前后视图跳转等操作，查看感兴趣目标。还可通过矢量数据的属性与空间查询功能，并与矢量图层属性表联动高亮，快速查询水源地取水口与保护区范围等矢量数据。

5）图层管理。不同水源地监测人员使用图层管理功能可对地图显示要素进行快速、自由地订制显示控制，支持根据个人喜好或具体工作需要调整主题样式。

6）分析制图。选择不同时期水源地影像进行卷帘操作，可直观地对多时相水源地影像进行对比或保护区范围变化监测等，效果如图 7 所示。若发现异常区域，可使用异常区域标绘工具在该影像上进行标绘工作，并记录下备注信息，标绘矢量存储于专门的异常区域标绘图层，保存于服务器中，使用图层管理的矢量图层属性表功能可查看标绘目标的绑定影像、标绘时间及备注信息，示例如图 8 所示。影像聚类工具实现对水源地保护区范围影像的地物分类，可辅助水源地监测人员对水源地周边情况进行分析与决策，也可将结果用于专题产品生产，聚类结果如图 9 所示。为满足从远程服务器端获取指定区域 DEM 数据并保存到本地，方便对水源地进行进一步的水文分析等需求，遥感监测系统提供了多种 DEM 导出方式，需在系统设置里进行DEM 导出设置。使用专题制图功能可进行专题产品生产，通过选定地图区域生成专题图背景，添加标题、文字注记、比例尺、指北针等专题要素即可制作包头市黄河水源地专题图，还支持导出专题制图成果到本地或直接打印输出专题图成果。

图 7 卷帘工具效果

图 8 异常区域标绘示例

图 9 K 均值影像聚类结果

5 结语

本研究创新地将遥感与 GIS 结合应用到饮用水水源地监测中，采用遥感监测技术设计并实现了全国饮用水水源地遥感监测系统。通过采用全国 142 个重要饮用水水源地平水期高分 1 号卫星影像作基准水位影像进行水体提取，结果表明，本研究选取的NDWI 水体指数计算结合最大类间方差法进行自适应阈值选取的方法能够有效提取全国各饮用水水源地的水体。对部分河流型水源地进行 DEM 导出的结果表明，本研究采用的基于远程 DEM 数据服务的带状目标快速 DEM 裁剪算法，能有效避免下载无用数据和导出低效的问题，实现河流型水源地 DEM 的快速导出。各功能的测试结果表明遥感监测系统满足水资源管理部门对饮用水水源地信息一体化管理与辅助监测分析的需求，有助于建立更为完善的饮用水水源地监测网络，同时能够有效提高水源地监测效率，简化水源地信息数据的共享与管理。遥感监测系统各功能虽满足了实际需求，但仍有改进空间，主要表现在用户权限体系完善、GIS 高级空间分析与特定专题图生成功能完善和 DEM 导出效率进一步优化等方面，改进后的遥感监测系统可在全国水资源监控管理部门大范围推广。

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Remote sensing monitoring technology and system for national drinking water source

MENG Lingkui1, YANG Miao1, YANG Zhijiang1,2

(1. College of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Netease Games, Guangzhou 510000, China)

Aiming at the defects of traditional water source monitoring like high cost, long period and difficult supervision, this paper designs and implements national drinking water source remote sensing monitoring system,to help monitor water source, which uses high spatial resolution images from the GF-1 satellite and combines with the principle and technology of remote sensing monitoring and components GIS framework. The system provides integration management and query of water source data including property data, vector data, image data and elevation data. It can help monitor and analyze the water source situation by providing functions like querying, abnormal area plotting and DEM exporting. It also provides functions like water source image database maintaining, thematic charting and so on. Through the function test of the system, it shows that the system meets the needs of the water resources management department for integrated management and auxiliary monitoring of drinking water sources information,helps establish a more complete drinking water source monitoring network, improves the efficiency of water sources monitoring and further improves the scientific basis of establishment and division of water source protection areas.

remote sensing monitoring; components GIS; water body extraction; cutting out DEM; drinking water;water source

TP873；TV213.4

A

1674-9405(2017)05-0012-06

10.19364/j.1674-9405.2017.05.003

2017-08-11

高分辨率对地观测系统重大专项（民用部分）（08-Y30B07-9001-13/15）；国家重点研发计划（2017YFC0405806）

孟令奎（1967-），男，河南信阳人，教授，博士生导师，研究方向：网络 GIS、水利遥感技术及应用。