黄诗峰，江 来，张芙蓉，孟德馨，孙亚勇

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.水利部遥感技术应用中心，100038，北京；3.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，100038，北京；4.湖北省水利水电科学研究院，430070，武汉）

河湖水系是山水林田湖草沙生命共同体的重要组成部分，在保障水资源安全、改善水质、调节区域小气候、维护生物多样性、改善生态环境等方面具有不可替代的作用。2016年以来，随着河湖长制的全面推行，河湖治理保护各项工作有力推进。2018年7月，水利部将“清四乱”作为推进河湖长制“有名”“有实”的第一抓手、河湖监管的标志性工作，部署开展了专项行动。目前河湖监管在制度体系、人员、经费以及设备等方面都存在薄弱环节，对新技术的需求日益迫切。遥感作为一种高新技术，具有快速、实时、宏观监测等优点，能够在河湖监管工作中发挥重要作用。随着航空航天技术发展，通过多源卫星、无人机等传感器获取信息的方式逐步增加，基于卫星、无人机监测结合地面巡查构建的河湖空天地一体化监测体系在河湖监管工作的应用日益广泛，为河湖精准监管提供了重要支撑保障。

一、河湖监管内容

现阶段，为加强和规范河湖监督检查工作，水利部提出监督检查内容包括：河湖形象面貌及影响河湖功能的问题；河湖管理情况；河湖长制工作情况；河湖问题整改落实情况。总结以上四方面，可将河湖监管内容概括为两项，一是河湖形象和健康状态监管，二是河湖治理维护工作监管。

1.河湖形象和健康状态监管

河湖形象和健康状态监管主要聚焦“盛水的盆”和“盆中的水”两方面。

“盛水的盆”即河道或湖盆的物理结构，主要关注河湖的连通性，入湖河流和出湖河流与湖泊之间的水流是否通畅；河湖面积萎缩比例是否过大；河湖岸线是否有较高的植被覆盖率。其中河湖岸稳定性可用岸坡倾角、岸坡植被覆盖度、岸坡高度、河岸基质、坡脚冲刷强度等指标评价。“四乱”（乱占、乱采、乱堆、乱建）现象是影响河道湖盆物理结构的重要因素，比较突出的问题有围湖造田、围湖造地，导致河湖面积萎缩、水体自净能力下降；另一方面是侵占河湖岸线、非法采砂、非法围网养殖等，破坏河湖周边生态环境。加强河道湖盆管理，即保护好“盛水的盆”。

“盆中的水”存在的主要问题是水量不足和水质恶化，导致河湖功能严重退化。水量方面，可采用最低生态水位满足程度对水量进行表征；水质方面，可从水质优劣程度、湖泊营养状态、水体自净能力等方面进行衡量，其中评价水质优劣程度指标可采用总磷TP、总氮TN、溶解氧DO，湖泊营养状态可采用综合营养状态指数表示，包括叶绿素a浓度Chl-a、总磷TP、总氮TN、透明度SD、高锰酸盐指数CODMn等。

2.河湖治理维护工作监管

河湖治理维护工作监管主要针对当下河湖能否得到有效治理维护进行监督。随着近年河湖长制推行，需要重视其监督考核以及制度体系完善情况。在河湖监管过程中，除了过往可能存在对自然发展规律和资源利用情况认识不足的管理问题，还包括早期侧重经济发展、为了解决民生问题造成的过度开发问题。溯其原因，主要为河湖管理监管制度体系不完善、监管执法存在漏洞，导致很多违反条例的行为没有被及时发现和制止。强化河湖监管是解决河湖突出问题的根本措施。对河湖治理维护工作的监管，具体可分为河湖水域岸线保护情况、河道采砂管理情况、河湖管理规划及信息系统建设情况、河湖违法违规行为整改查处情况等。

二、空天地一体化河湖监测技术

遥感技术是基于电磁波理论，利用各类传感器收集远距离目标辐射和反射的电磁波信息，并经过一系列处理后成像，从而实现对各种地物探测和识别的一种综合技术，借此可以对地物特征及其变化进行定性、定量分析。遥感技术具有快速、大范围、高频次的观测能力，在河湖监管中具有显著优势，尤其是以卫星、无人机、地面手段相结合的空天地一体化观测体系，能有效达到监测手段调度协同化、信息获取快捷化、数据处理高效化效果。

卫星遥感技术作为发展最迅猛的高新技术之一，可收集地表和近空间电磁辐射数据，探测和识别地球资源和环境信息。我国在河湖监管中应用较多的陆地遥感卫星包括资源卫星、高分卫星、环境卫星等系列，具备了全色、多光谱、红外、雷达等多种手段的观测能力，在近远期河湖长制工作方案需求下，可以实现对河湖的大区域监测。针对不同空间分辨率的需求，可组合不同波段的遥感数据，并进行辐射定标、大气校正、融合、拼接、匀光匀色等处理，制作河湖遥感影像图，通过宏观监测发现河湖区域的变化点；可通过计算水体指数提取水体信息，获取河湖的水域面积，实现对河湖变化的高清、实时、宏观监测。

无人机遥感系统也称无人驾驶航空器系统，具有机动灵活、响应快、厘米级成像精度、成本低的特点。它的易操控性使其迅速被普及，逐渐成为大众产品，大大降低了河湖监管技术难度。受地形、天气因素影响，传统监管过程中巡查人员存在视觉盲区时，无人机可通过搭载不同数据采集设备，生成高精度正射影像图、三维立体模型图以及实景模型，有效提高传统巡查效率。在区域监测中，可对河湖的变化实现特定区域、特定航线的重点监测，真实有效地反映河湖及周边的实际情况，精准高效地提取人类活动信息，对卫星的大范围监测起到补充作用。

传统的地面巡查方式多为人工定点巡查，监测点有限，获取有效信息缓慢。在卫星技术的宏观动态观测和无人机的重点监管下，结合人工站点定期巡查，能够随时调取水域面积、河道长度、河湖影像等信息，快速发现违法乱建情况，进一步反映至相关河湖管理人员，进行问题核查，下发整改通知，结合地面日常巡查补充问题，形成在遥感监管下有针对性的地面人工检查。基于卫星的宏观监测、无人机的重点监测，结合地面人工站点巡查灵活调控，形成的空天地一体化立体监测体系能够大幅度提高河湖监管的效率和准确性。

三、空天地一体化河湖监管应用

1.河湖岸线遥感监管

河湖岸线监管是河湖监管的重要内容。目前河湖岸线资源利用还存在诸多无序开发和监管不到位的问题。自2018年7月20日起，水利部部署开展全国河湖“清四乱”专项行动；2020年，水利部进一步提出将河湖“清四乱”常态化规范化。

传统河湖“清四乱”手段主要包括人工巡查、传统测量及群众举报等，以问题现场调查为主。传统手段在全国河湖“清四乱”专项行动中起到一定推动作用，但仍存在技术水平不高、监管时效性低及覆盖范围不全等问题，导致部分非法侵占水域的“四乱”现象难以及时被发现查处。随着遥感技术在河湖监管工作的应用推广，综合利用卫星遥感、无人机遥感，结合人工地面巡查移动App信息，逐步形成空天地一体化观测手段，通过巡查—详查—核查—复查的“四查”体系，实现对河湖“四乱”的全覆盖、全过程立体精准监控。

2.河湖水体遥感监管

河湖水体监管是河湖监管另一项重要内容，包括水量、水质两方面。遥感技术可以快速、全面、客观、准确地获得大范围地区河流、水库、湖泊等地表水水体面积和水质参数监测数据，克服传统站点监测方式的高投入、长周期、低效率的缺点。

在河湖水体遥感监管中，天然水体的光谱反射率在可见光范围内总体较低，且随着波长增大逐渐降低。水体的光谱反射率在蓝绿光波段约为4%～5%；在近红外波段最低，此波段入射光几乎完全被水体吸收，在光学影像上呈暗色调，水陆界线相对清楚。对于光学遥感数据，多采用归一化水体指数（NDWI）实现河湖水体识别提取；对于雷达遥感数据，水体后向散射微波强度弱，水体灰度值小，在雷达影像上通常表现为黑色，与其他地物有较为明显的区别，在水体提取中多采用阈值法。阈值确定主要有经验法、双峰法以及最大类间方差法等，其中最大类间方差法具有精度高、不需人工干预等特点，应用最广。

加强河湖水质监测对维系河湖健康、推进绿色可持续发展、保障区域水安全具有重要意义。近年来随着我国河湖治理力度加大，河湖水质总体上明显改善，但是局部地区、局部水域水环境污染情况仍比较严重。光学卫星遥感技术可以反演水体中叶绿素a、悬浮物浓度、浊度等水质指标，在大范围水污染事件监测方面有突出优势，近年来广泛应用于对水华、黑臭水体等水色特征明显的污染事件监测。

四、湖北省湖泊遥感监测工作

湖北省被称为“千湖之省”，湖泊众多，水系密布。加强湖泊保护、开展湖泊遥感监测一直是湖北省湖泊监管工作的迫切需求，湖北省政府高度重视湖泊保护工作，于2012年颁布施行了《湖北省湖泊保护条例》，并于2013年正式组建湖北省水利厅湖泊局。为了加强对全省湖泊的保护，提高湖泊管理能力，湖北省以卫星遥感数据为核心，研发了湖泊卫星遥感监测系统，在全国水利系统开创省级湖泊卫星遥感监测先例，形成了卫星观测和地面巡查相结合的天地一体化观测体系，实现了湖北省湖泊业务化常态监管，为湖北省湖泊保护和管理提供重要支撑。系统由C/S系统、B/S系统以及移动执法App构成，自2015年投入运行，运用高分1号、高分2号、高分6号、资源3号、资源1号02C等多颗高分辨率卫星影像，对全省755个湖泊“一个月一普查”，对22个重点湖泊“两个月一详查”，实现对湖泊水体面积及湖泊岸线疑似违法“四乱”问题的定期监测。以牛山湖、太白湖水体面积和“四乱”问题的月尺度监测结果为例，见图1～3。

图1 牛山湖2020年1—12月水面形态面积提取

湖北省除了开展湖泊岸线监管及湖泊水体监测外，近年来进一步丰富了湖泊监测内容，对于湖泊水环境问题突出的湖泊开展藻华监测，分析湖泊的环境动态变化及河湖治理效果，服务于湖北省湖泊水环境治理工作。

图2 牛山湖2020年1—12月水面形态矢量分布图

图3 太白湖疑似围垦湖泊遥感监测

五、展 望

1.多星组网与光学微波协同高频次河湖遥感监测

单颗卫星监测能力有限，多颗卫星组网形成的卫星星座具有更强大的监测能力。如美国Planet公司依托由170余颗PlanetScope小卫星组成的卫星星座，可实现每天监测全球一次。另外，光学卫星影像分辨率高、可辨识性强，是当前河湖监管的主要手段，但也存在不能穿透云雾的短板，天气不好时难以实现有效监测，而微波卫星具有全天候观测能力，在一些多云多雨地区具有强大优势。充分利用各类卫星资源，基于多星组网技术，光学微波协同，才能实现对河湖高分辨率、全覆盖、全天候监测。

2.无人机将成为巡河巡湖的重要帮手

无人机灵活机动，获取影像分辨率高，是河湖监管重要手段。随着无人机技术快速发展，人工智能、物联网、移动互联网等新一代信息技术日渐成熟，无人机巡河巡湖将朝着无人值守、自主巡航、实时回传、智能分析方向发展，无人机替代人工巡河巡湖指日可待。

3.人工智能助力河湖监测智能化

遥感卫星越来越多，影像分辨率也越来越高。传统的遥感影像处理及河湖信息目视解译耗时长、效率低，难以满足河湖遥感监管快速应急响应的需求。随着以深度学习为代表的人工智能技术日益成熟，河湖遥感信息提取及河湖变化信息提取的智能化、自动化将成为趋势。

4.大数据分析支撑河湖管理精准决策

河湖监管涉及卫星遥感、无人机航拍、地面巡查与站网监测等多源海量异构数据，充分利用云计算、物联网、大数据等新一代信息技术，开展多源数据融合与信息挖掘，将打破传统监管方式带来的信息屏障，进一步支撑河湖管理的精准决策。