無人機航測和水色遙感技術(shù)在水庫管理和保護范圍劃界和水資源保護中的應(yīng)用

楊靜學(xué)，陳亮雄，李偉添，林奕霖，李興漢

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510630)

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無人機航測和水色遙感技術(shù)在水庫管理和保護范圍劃界和水資源保護中的應(yīng)用

楊靜學(xué)，陳亮雄，李偉添，林奕霖，李興漢

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510630)

基于無人機航測技術(shù)對東江局楓樹壩水庫管理和保護區(qū)范圍開展了精確的劃界工作，并利用高分辨率的航測成果進行了違法違章嫌疑區(qū)解譯。同時結(jié)合水色遙感技術(shù)對庫區(qū)的懸浮泥沙和有機污染物進行了反演，反應(yīng)了庫區(qū)污染狀況的宏觀分布，并結(jié)合前面解譯的嫌疑區(qū)種類和分布進行了污染成因分析。該文證明基于無人機航測技術(shù)非常適用于水庫庫區(qū)的精確確界，且能對庫區(qū)管理人員難以到達的違法違章行為進行識別，結(jié)合水色遙感技術(shù)還可進一步分析造成局部庫區(qū)污染的成因，為管理部門的庫區(qū)水資源管理與執(zhí)法決策提供科學(xué)有效的依據(jù)。

無人機；航測；水色遙感；劃界；水資源保護

1 概述

2014年水利部下發(fā)了《關(guān)于開展河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍劃定工作的通知》(水建管〔2014〕285號)，明確要求對河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍進行劃定。楓樹壩水庫是東江流域的第二大水庫，是東江水資源調(diào)度的關(guān)鍵性工程之一，是確保東江下游供水安全的重要保障。

近幾年，水庫的水質(zhì)較差，而庫區(qū)目前為止仍沒有劃定管理和保護范圍，不利于開展水庫水資源管理保護工作。省水利廳在《廣東省水利廳對東江流域三大水庫等重要水源地保護和管理范圍確界立碑工作有關(guān)問題的意見》(粵水資源函〔2014〕402號)中，明確了對楓樹壩水庫開展劃界工作。

水庫劃界工作的基礎(chǔ)是測量圖，劃界的目標(biāo)是為未來的水庫庫區(qū)的水資源管理和保護工作服務(wù)。本文將圍繞以上兩項內(nèi)容，詳細(xì)描述開展的相關(guān)工作和取得的成果。本文涉及的劃界工作也是廣東省首個基于無人機航測技術(shù)進行水庫管理和保護區(qū)劃界的項目。

無人機航測遙感技術(shù)是繼衛(wèi)星遙感、大飛機遙感之后發(fā)展起來的一項新型航空遙感技術(shù)，是傳統(tǒng)測量手段的有力補充，具有機動靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、成果直觀、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點。隨著無人機與數(shù)碼相機技術(shù)的發(fā)展，利用無人機進行航空攝影測量正迅速應(yīng)用于工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國土監(jiān)察、資源開發(fā)與保護等方面。

水色遙感技術(shù)是利用傳感器接受到水面發(fā)射的輻射光譜，并且進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，從而獲得水體的一些基本信息的技術(shù)。通過水色遙感技術(shù)，可以獲得水體中影響光學(xué)性質(zhì)的組分的濃度，探測水體表層的物質(zhì)組成。本文中主要關(guān)注懸浮泥沙和有機污染物兩個水色要素濃度。

2 研究方法及步驟

項目的具體技術(shù)路線如圖1所示，主要包括前期工作、初步確界、航測作業(yè)、最終確界、嫌疑區(qū)解譯，以及庫區(qū)水質(zhì)反演分析。其中前期工作主要包含調(diào)研工作，資料收集工作和實施方案編制工作。初步確界主要是為了確定航測的區(qū)域。本次航測的區(qū)域為基于歷史1∶50 000比例尺數(shù)據(jù)和管理和保護區(qū)定義劃定的管理和保護區(qū)范圍，初步確界的楓樹壩水庫管理區(qū)面積。確定了航測區(qū)后進行了航測作業(yè)，包括航測外業(yè)、像控點布設(shè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲得測區(qū)1∶1 000比例尺正射影像圖和1∶2 000比例尺數(shù)字高程模型。最終確界為重新基于航測成果，根據(jù)管理和保護區(qū)定義進行地形和水文分析獲得的目標(biāo)管理和保護區(qū)邊界。劃界的目的是更好進行庫區(qū)的水資源管理工作，同時由于航測獲取的正射影像分辨率達到0.1 m，可以非常清晰和準(zhǔn)確的反應(yīng)測區(qū)地形地貌，本文基于高清航測成果進行了管理和保護區(qū)范圍內(nèi)的違法違章嫌疑區(qū)的解譯。最后還基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水色遙感技術(shù)對庫區(qū)水質(zhì)進行了反演，分析了庫區(qū)的污染源。

圖1 技術(shù)路線示意

3 結(jié)果與分析

3.1 初步確界

楓樹壩水庫管理區(qū)范圍確定為壩址以上壩頂高程(即高程173 m)以下的土地和水域。技術(shù)方法為基于ARCGIS的Spatial Analyst Tools模塊對地形數(shù)據(jù)進行高程為173 m的等高線的提取，并對自動生成的等高線的節(jié)點進行簡化和錯誤節(jié)點的修改。

楓樹壩水庫保護區(qū)范圍確定為水庫壩址上游壩頂高程線以上至第一道分水嶺山脊之間的土地和水域。技術(shù)方法為基于ARCGIS的Hydrology模塊對地形數(shù)據(jù)進行水文分析，得到庫區(qū)及周邊地區(qū)的集水線和集水區(qū)域，合并與管理區(qū)邊界相交的集水區(qū)域，這些集水區(qū)域的外邊界的集合即為楓樹壩水庫保護區(qū)范圍外邊界，而保護區(qū)范圍為外邊界以內(nèi)和管理區(qū)邊界以外的區(qū)域(如圖2所示)。

圖2 楓樹壩水庫管理區(qū)和保護區(qū)范圍初步劃界示意

初步測算，楓樹壩水庫管理區(qū)面積約57 km2，周長約為524 km；保護區(qū)面積約140 km2，外邊長約252 km。整個楓樹壩水庫的管理區(qū)和保護區(qū)初步劃界范圍面積共計197 km2，外邊長為776 km，如表1所示。

表1 楓樹壩水庫管理和保護區(qū)初步劃界范圍統(tǒng)計

以上確定的管理和保護區(qū)范圍作為目標(biāo)航測區(qū)域，進行航測獲取更精確的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和正射影像圖，從而進行最終的確界。

3.2 航測作業(yè)

本項目測區(qū)成圖面積約200 km2，實際航測面積約為240 km2左右。該測區(qū)內(nèi)海拔高度最高約550 m，最低150 m，高差不是很大，可以滿足本次成圖。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用采用2000國家大地坐標(biāo)系，地圖投影采用高斯-克呂格投影，采用3度分帶。高程坐標(biāo)系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

本次航拍范圍覆蓋整個作業(yè)區(qū)，并有一定的拓寬；地面分辨率0.08 m相對航高589 m；像片重疊度航向>70%，旁向>40%。航線、架次以及作業(yè)機如圖3所示，航線圖中每種顏色代表一個架次。本項目共航攝了6個架次，獲取有效影像11 354張，影像格式為JPG，大小約為15～20 M。原始影像大小共計211 G。

圖3 航測外業(yè)現(xiàn)場、航線和架次

本次像控點首先在室內(nèi)按照設(shè)計書和像片條件進行初選位置，并制作相應(yīng)的電子影像，由像控組根據(jù)電子影像，實地選點并在電子影像上刺點，然后采用廣東省的連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)作為測區(qū)控制系統(tǒng)參考，使用RTK實現(xiàn)像控點測量。

通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲得了最終的航測成果包括1∶1 000比例尺正射影像圖和1∶2 000比例尺數(shù)字高程模型，如圖4和圖5所示。

圖4 楓樹壩水庫正射影像示意

圖 5楓樹壩水庫數(shù)字高程示意

3.3 最終確界

圖6為最終確定的楓樹壩水庫管理和保護區(qū)邊界示意圖。白色線為管理區(qū)邊界，管理區(qū)范圍為白色線內(nèi)區(qū)域。保護區(qū)內(nèi)邊界與管理區(qū)邊界重合，外邊界為黑色線，其范圍為外邊界以內(nèi)和管理區(qū)邊界以外的區(qū)域。整個楓樹壩水庫的管理區(qū)和保護區(qū)范圍面積共計150 km2，外邊長共計852 km，詳細(xì)見表2所示。圖7和圖8分別為初步確界和最終確界的管理和保護區(qū)邊界對比，從圖上可以看出，初步確界的管理和保護區(qū)邊界較粗，且有一定的偏差，基于航測成果最終確界更加的精細(xì)和準(zhǔn)確。

表2 管理區(qū)和保護區(qū)邊長面積統(tǒng)計

圖6 楓樹壩水庫管理和保護區(qū)邊界示意

圖7 管理區(qū)初步和最終確界放大比較示意

圖8 保護區(qū)初步和最終確界放大比較示意

3.4 嫌疑區(qū)解譯

本次工作基于高分辨率航測成果對管理和保護區(qū)內(nèi)的違法違章行為進行了解譯，以方便未來庫區(qū)的水資源管理工作。本次嫌疑區(qū)遙感解譯工作參考《廣東省東江流域新豐江楓樹壩白盆珠水庫庫區(qū)水資源保護辦法》(廣東省人民政府令第157號)定義的違法違章行為。解譯目標(biāo)包括在水庫庫區(qū)保護范圍內(nèi)：煉山、大規(guī)模機械墾伐種植經(jīng)濟林，栽種桉樹林，采石、開礦、取土、陡坡開荒、毀林開墾、大規(guī)模禽畜養(yǎng)殖等違禁行為；和在水庫庫區(qū)管理范圍和保護范圍內(nèi)：新建、擴建和改建的各類建設(shè)項目的行為。圖9和表3為管理和保護區(qū)范圍內(nèi)違法違章嫌疑區(qū)分布圖和統(tǒng)計信息表，根據(jù)統(tǒng)計信息表可知在庫區(qū)發(fā)現(xiàn)了504個違法違章嫌疑區(qū)，其中數(shù)量最多為網(wǎng)箱捕魚。

圖9 楓樹壩水庫違法違章嫌疑區(qū)分布示意

3.5 庫區(qū)水質(zhì)反演分析

本次楓樹壩水庫水質(zhì)遙感通過定量遙感方法，根據(jù)水體反射光譜產(chǎn)生的機理，建立水庫懸浮泥沙濃度和有機污染物濃度與水體反射光譜之間的物理模型，提取楓樹壩水庫這兩個水質(zhì)參數(shù)，得到庫區(qū)水質(zhì)狀況的分布，并通過對比航測獲取的高分辨率影像來分析造成水庫污染的可能性因素，從而為管理部門的科學(xué)決策提供依據(jù)。圖10和圖11為基于水色遙感技術(shù)獲取的2014年10月楓樹壩水庫庫區(qū)懸浮泥沙濃度和有機物濃度分布示意圖。

圖10 楓樹壩水庫懸浮泥沙濃度系數(shù)分布示意

圖11 楓樹壩水庫有機物濃度系數(shù)分布示意

從圖10可以看出在桂子坑、渡田河和梅里壩一段懸浮泥沙濃度較大。在本次航測作業(yè)中包含了梅里壩到渡田河一段。放大后發(fā)現(xiàn)在渡田河段存在采砂點，如圖12所示。由此分析該段河道懸浮泥沙濃度的增大與采砂行為相關(guān)。

圖12 渡田河處局部放大(2015.8)

根據(jù)圖11楓樹壩水庫有機污染物濃度分布圖，定南水一側(cè)比尋烏水一側(cè)有機污染濃度高，結(jié)合2015年度無人機航測正射影像圖及解譯結(jié)果，如圖13所示，發(fā)現(xiàn)定南水一側(cè)魚養(yǎng)殖明顯多于尋烏水一側(cè)，由此分析庫區(qū)漁業(yè)養(yǎng)殖活動與庫區(qū)有機物濃度分布有相關(guān)關(guān)系，密集的網(wǎng)箱養(yǎng)魚活動導(dǎo)致了定南水一側(cè)的有機污染濃度偏大。

圖13 楓樹壩水庫庫區(qū)魚養(yǎng)殖分布示意

4 結(jié)語

本項目基于無人機航測遙感技術(shù)，實現(xiàn)了楓樹壩水庫管理與保護范圍的確界工作，從結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出基于航測成果的邊界圖要比基于歷史1∶50 000比例尺數(shù)字高程模型和正射影像圖的邊界圖更準(zhǔn)確，說明無人機航測技術(shù)非常適用于水庫的管理和保護區(qū)精確劃界工作。由于劃界工作的目標(biāo)為實現(xiàn)庫區(qū)的水資源保護，本項目基于分辨率高達0.1 m的航測成果對管理和保護區(qū)內(nèi)的水庫違法違章嫌疑區(qū)進行了解譯。該成果可為管理部門的管理與執(zhí)法決策提供科學(xué)有效的依據(jù)。同時，基于水色遙感技術(shù)，本項目還完成了庫區(qū)懸浮泥沙濃度和有機污染物定性反演工作，分析了庫區(qū)污染物的宏觀分布，并結(jié)合嫌疑區(qū)解譯成果對庫區(qū)污染物濃度高值區(qū)的成因進行了分析。結(jié)果表明楓樹壩水庫采砂點分布與懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，庫區(qū)魚養(yǎng)殖分布與有機污染物濃度也呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。

總的來說，基于無人機航測技術(shù)可以出色的完成水庫庫區(qū)的管理和保護區(qū)確界，并進行管理和保護區(qū)內(nèi)的違法違章行為識別。結(jié)合水色遙感技術(shù)一起可以對庫區(qū)的污染源進行科學(xué)分析。兩種技術(shù)為水庫庫區(qū)的宏觀、高效、廉價的劃界和監(jiān)測，以及在庫區(qū)實施最嚴(yán)格水資源保護制度提供科學(xué)有效的支持。

[1] 陳楚群,施平,毛慶文.應(yīng)用TM數(shù)據(jù)估算沿岸海水表層葉綠素濃度模型研究[J].環(huán)境遙感,1996,22(3):168-175.

[2] 陳楚群,施平.應(yīng)用水色衛(wèi)星遙感技術(shù)估算珠江口海域溶解有機碳濃度[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2001,21(6):715-719.

[3] 鄧孺孺,何執(zhí)兼,陳曉翔,等.珠江口水域水污染遙感定量分析[J]. 中山大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版), 2002，41(3):99-103

[4] 鄧孺孺,何執(zhí)兼,陳曉翔,等.基于二次散射的水污染遙感模型及其在珠江口水域的應(yīng)用[J].海洋學(xué)報，2003(11):69-78.

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Application of UAV Aerial Technique and Water Color Technique in Demarcation of Reservoir and Protection of Water Resource

YANG Jingxue, CHENG Liangxiong, LI Weitian, LIN Yilin, LI Xinghan

(Guangdong research institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics, Guangzhou 510635,Chian)

Applicate advance UAV aerial technique in demarcation of management and protection scope of Fengshuba reservoir, and use the high-resolution aerial survey results for the illegal suspect area interpretation. Then, suspended sediments and organic pollutants are interpreted by establishing water color remote sensing model. The results show that, the UAV aerial survey technique is very suitable to demarcation of management and protection scope of reservoir and the illegal suspect area interpretation. Combined with the water color remote sensing technology can also be further analysis of the causes of pollution.

UAV；aerial technique；water color remote sensing； protection of water resource

2016-05-31;

2016-08-27

國家自然科學(xué)基金(41401485)；廣東省水利水電科學(xué)研究院青年科研基金(201402003)。

楊靜學(xué)(1984)，女，博士，高級工程師，主要從事水環(huán)境遙感、地理信息和水利信息化等工作。

TP79；TV697

B

1008-0112(2016)09-0056-06