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高分辨率卫星遥感技术在水库库区监管中的应用文丨郑班1 徐强李治”乔志远”1.中国资源卫星应用中心2.水利部小浪底水利枢纽管理中心3.中国四维测绘技术有限公司一、引信近年来，水利部不断强调水利行业的强监管，要求紧町重点风险，开展水库运行、农村饮水、河湖管理、工程建设等专项监督行动。2 0 1 8 年7 月，水利部部署开展全国河湖“清四乱”专项行动，全面摸清和清理整治河湖管理范围内乱占、乱采、乱堆、乱建等“四乱”突出问题。2 0 1 9 年全国水利工作会议提出“水利工程补短板、水利行业强监管”，重点补好防洪工程、供水工程、生态修复工程等方面的短板，加强对江河湖泊、水资源、水利工程等工作的监管。2 0 2 0 年水利部发布通知指出河湖“清四乱”是水利行业强监管的标志性工作，并要求深入推进河湖“清四乱”常态化、规范化 2。在库区监管领域，传统方法开展库区流域生态监管、保护区违法侵占核查、水域岸线定期巡查等实际业务时，通常需要大量人力现场排查，存在人力、物力、时间成本高以及某些高危区域人力难以现场勘查等问题。高分卫星遥感具有监测范围广、覆盖全、更新快、周期性等特点，近年来随着国产高分辨率遥感卫星的迅速发展，为开展和巩固库区“清四乱”专项行动成果及常态化、规范化监管提供了强有力的技术支撑。本文结合库区“清四乱”和“清网箱”常态化、规范化监管要求和存在问题，研究了高分辨率卫星遥感在水库监管中的应用技术，包括月度高分辨率遥感影像本底图制作、水库水位淹没线动态监测、库区“清四乱”和“清网箱”遥感监测图斑提取与分析、水库卫星遥感监察系统开发，实现了库区天地一体化监管，并应用于小浪底和西霞院反调节水库（黄河小浪底水利枢纽的配套工程，位于小浪底坝址下游1 6 km处的黄河干流上）监管实际工作中，取得了良好的应用效果。二、研究区域与数据源黄河小浪底水利枢纽工程是黄河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供水灌溉、发电等为一体的大型综合性水利工程，是治理开发黄河的关键性工程。小浪底水库正常蓄水位2 7 5m时水库岸线总长约1 2 40 km，库区管理范围和保护范围总面积约38|卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期遥感视野Remote Sensing491.06km，涉及河南、山西两省的济源、孟津、新安、混池、陕县、平陆、夏县、垣曲共8 个县（市）3 3个乡（镇）。西霞院反调节水库正常蓄水位1 3 4m时水库岸线总长约3 9 km，库区管理范围和保护范围总面积约3 3.8 3 km，涉及河南省洛阳市孟津县、吉利区和济源市共3 个县（市）4个乡（镇）。小浪底和西霞院水库库区范围包括水库区管理范围和空间分辨率/有效载荷波段号光谱范围/mB010.45 0.89B020.45 0.520.5m全色/2 mB03多光谱相机B04B05保护范围的水域、陆域总面积约52 4.8 9 km。采用国产高景一号卫星星座作为库区卫星遥感监测的数据源。高景一号卫星星座包括4颗光学卫星，全色分辨率为0.5m，多光谱分辨率为2 m，星座载荷技术参数见表1。高景一号0 1/0 2 卫星于2016年1 2 月2 8 日成功发射，高景一号0 3/0 4卫星于2 0 1 8 年1 月9 日成功发射。表1 高景一号卫星星座载荷技术参数相机量化等级/标准景尺寸侧摆能力/重访时间幅宽/kmm0.50.52 0.5920.63 0.690.77 0.89bits1211km1212（）45天1三、高分卫星遥感技术库区监管应用1.库区高分辨率遥感影像底图制作高分辨率遥感影像底图为开展库区“清四乱”“清网箱”监测和信息提取提供了关键本底影像数据。制作库区高分辨率影像底图包括卫星成像编排、数据获取与筛选、正射校正与镶嵌处理等主要步骤。小浪底水库夹在两山之间，呈东西狭长走势，东西跨度约1 1 0 km，高景星座的4星联合组网拍摄与敏捷成像能力为实现研究区范围一月一次的全覆盖采集提供了保障。对采集到的数据首先进行质量检查和筛选，并控制库区整体云量低于1 0%。由于高分辨率卫星遥感影像底图的平面位置精度直接影响到后续信息提取图斑定位的准确性以及多期影像之间的套合，采用外业测绘的方式获取平面和高控制点进行正射校正，制作库区每月一期的高分辨率正射影像底图，如图1 所示。2019年8 月小浪底高景遥感影像2019年9 月小浪底高景遥感影像1120.052019年1 0 月小浪底高景遥感影像2019年1 1 月小浪底高景遥感影像图1 库区月度0.5m分辨率正射影像底图2023年第8 期卫星应用1 3 9遥感视野IRemoteSensingN.0.012.水位淹没线动态监测水位是水库日常管理中的重要监测数据，对库区水位淹没线进行月度动态监测，有助于了解水库水位在一定时间范围内的变化情况，并有效支持库区水域和岸线的日常巡查，从而对水库水资源进行有效管理。由于小浪底水库范围较大，0.5m高分辨率遥感卫星难以用一景影像或者同一时间成像条件下的多景影像进行覆盖，以及库区内不同断面河流流速差异较大，使得不同断面携带泥沙量差异较大，从而导致库区内水体的影像光谱信息差异较大，致使全局训练的分类模型或者选择的阈值分割方法难以获取高精度的水位淹没线提取结果。针对此问题，研究了一种分区范式的对象级特征联合水位淹没线自动提取方N.0.01111300E图例202001期水位线202002期水位线202003期水位线202004期水位线202005期水位线202006期水优线N,0.0202007期水位线202008期水位线202009期水位线202011期水位线202012期水位线N.0.09法，通过构建影像分区，建立各自分区的支持向量机（SVM）机器学习模型，解决由于影像成像差异带来的提取精度低的问题。首先根据水库区域的遥感影像重叠区差异度最小原则生成数据镶嵌线，构建镶嵌影像分区；在基于重采样后的数字高程模型、遥感镶嵌影像、归一化水体指数和归一化植被指数构建联合特征数据集合，并通过影像分割获取特征集对象；最后人工采集少量水体和非水体样本，独立训练每个影像分区的SVM机器学习模型，并对相应分区内的影像进行水体提取，获取水位淹没线提取结果。应用此方法提取了2 0 1 9 年至今的月度水库水位淹没线，为库区管理和巡查提供了支撑。图2 是库区水位淹没线2 0 2 0 年月度动态监测专题图。11200E1:10.000112300EN,0.0。9 8N.0.09111300E3.遥感监测图斑提取与分析根据水利部明确全国河湖“清四乱”专项行动问题认定及清理整治标准的通知 3，结合库区“清网箱”监管需求，为便于遥感影像监测图斑统计分析、实地核查和复查，基于0.5m分辨率遥感影像进行特征分析，建立了库区水域和岸线的“清四乱”“清网箱”图斑分类体系和解译标志。水库岸线遥感监测图斑分为乱建、乱推、乱采、乱占4大类，其中乱建包括新增建设、建设加11200E图2 库区水位淹没线2 0 2 0 年月度动态监测专题图建、建设拆除3 类，分别表示房屋、道路等人工建筑物、构筑物的新建、持续建设和拆除状态；乱堆包括新增堆放、堆放扩大、堆放减少3 类，分别表示弃土、弃渣、固定废弃物等新增倾倒、堆放区域持续扩大、堆放清理的状态；乱采包括新增开采、开采增加和开采减少3 类，分别表示新增的采砂、取土等，以及开采的持续进行和开采逐步修复的状态；乱占包括新增围垦、围垦扩大、围垦拆除、新增鱼塘、鱼塘扩建、鱼塘拆除6 类，分别表示农作112300E401卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期遥感视野Remote Sensing物种植、农业大棚、养殖鱼塘等的围垦新建、扩大围垦和建设范围、恢复与拆除的状态。图3 为基于前后时相0.5m分辨率影像建立的水库岸线“清四乱”遥感监测图斑解译标志。（a）乱占-新增围垦（b）乱建-新增建设（）乱采新增开采图3 水库岸线“清四乱”图斑解译标志（每组左图为前时相，右图为后时相）水库水域“清网箱”图斑分类体系分为抬网、筏钓平台、迷魂阵和拦河网4类。抬网包括小型抬网和大型抬网，形状为“口”字形或“田”字形，一般用竹竿、木棍、钢管连接，每侧有浮筒或块状泡沫塑料，分布在河道岸边和沟岔内；筱钓平台形状以“口”字为主，部分为“田”字形，有铁皮（蓝（d）乱堆-新增堆放顶或红顶）房屋，周围分布有框架，一般分布在沟岔内；迷魂阵呈伞状或蘑菇形状，用粗绳、小型浮漂串联，一般在岸边；拦河网呈长条状，有两片拦河网拦在河中，一般从河的两岸下网。图4为水库水域“清网箱”图斑解译标志。基于库区每月一期高分辨率遥感影像底图数(a)大型抬网(b)小型抬网（）筏钓平台图4水库水域“清网箱”图斑解译标志(d)拦河网(e）迷魂阵2023年第8 期/卫星应用 1 41遥感视野IRemote Sensing据，根据建立的库区水域、岸线图斑分类体系和解译标志，进行当月和上月影像的对比分析，提取疑似变化图斑并进行分类，对图斑面积、位置等属性赋值，形成库区“清四乱”“清网箱”监测图斑数据库，为图斑分析与核查提供信息支持。图斑分析包括：对水域、岸线变化图斑的类型、数量及变化情况分别进行统计分析；叠加库区60005040003020001000建设拆除10987654321建设拆除4.水库卫星遥感监察系统开发为方便遥感影像资料、监测图斑信息、实地核查和复查信息的管理和使用，实现天地一体化库区监管，开发了小浪底水库卫星遥感监察系统，通过综合应用卫星遥感技术、全球卫星定位技术、网络地理信息系统（WEBCIS）技术实现对库区持续精细的监测，有效助力巩固“清四乱”“清网箱”等库区管理重点工作。系统分为业务中台和移动监察系统两部分。业务中台实现遥感影像数据、监测图斑专题信息等的范围矢量，提取图斑所在库区管理和保护范围，分为“库区南岸陆地”“库区南岸水域”“库区北岸陆地”“库区北岸水域”，便于图斑核查工作开展；将水域和岸线变化图斑叠加市（县）、乡镇、村行政区矢量，提取图斑所属镇、村信息，便于精确定位。图5为库区岸线2 0 2 1 年上半年建设拆除情况统计。2021年1-6 月建设拆除面积（平方米）900.54160.522021年1 月2021年2 月900.54160.52（a）库区2 0 2 1 年上半年建设拆除面积统计图2021年1-6 月建设拆除个数12021年1 月2021年2 月71（b）库区2 0 2 1 年上半年建设拆除个数统计图图5库区监测图斑统计信息归档管理与发布、信息交互与可视化，及库区监察业务管理；移动监察系统支持相关人员在移动端对业务中台系统发布的相关卫星影像、专题信息进行详情查看、空间信息数据加载与可视化、路线导航、现场核查、定位定点、拍照取证并上传信息，以实现移动化监查与问题采集上报。图6 为利用水库卫星遥感监察系统发布、管理、查询库区高分辨率遥感影像底图、水位淹没线、图斑监测信息，并在移动端查看核查任务清单，进行实地核查信息的录人与上传。4879.19896.84114.06278.692021年3 月2021年4月114.06278.6942021年3 月2021年4月14建设拆除2021年5月2021年6 月896.844879.1952021年5月2021年6 月95建设拆除421卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期遥感视野Remote Sensing亿巡宝移动监察系统小浪底水库卫星遥感监察系统今日核意数：O在线人数：0点拉制台核面点B202-032020-410043202051020-02:371020-4-4核查任务统计亿巡宝移动监察系统自么提取的库区监测图斑、水位淹没线可为水库巡查、详查、核查和整改复查提供月度完整的遥感影像本底数据、疑似线索的类型、位置、面积以及与周边环境关系情况信息；开发库区遥感监察系统可有效整合地理信息基础数据、遥感监测数据、水库监察业务数据等，为加强库区监管提供了重要的信息支持和技术手段。目前库区遥感监测图斑线索主要采用人工识别的方式提取，存在效率不高、人工判读差异较大的问题。针对此问题，未来可利用人工智能识别技术，建立库区“清四乱”“清网箱”样本库，研究和实现库区遥感监测图斑的自动化提取，以提高效率，减少人工。今日格音致：1 4在线人放：1状态：未粮画来源：彩像捷取创建用户：管理贸创建时间：2 0 2 0-0 5-2 8 1 5-3 9:2 1类型：围最近核查时间：出月末核面(5)当月已面(2 4)高分辨率遥感卫星正射影像底图及在其基础上亿巡宝移动监察系镜图6 库区卫星遥感监察系统及其应用四、结语与展望2019年任特02019-01-01前2 0 1 9-7-0 92019年1 月核查任务全都可题4未整治完0未境推。3006BRtuil1水利部办公厅关于开展全国河湖“清四乱”专项行动的通知 EB/0L.2023-06-25https:/ EB/0L。2 0 2 3-0 6-2 5h t t p s:/ EB/0L 2 0 2 3-0 6-2 5.https:/ 月核查任务全韵阿蓝1 未整治完0未境推02019年3 月核查任务全邮问题62019年4月校意任务全国同甄4 未整浴帘0参考文献未城推O2023年第8 期卫星应用1 43