吉林一號衛星在河湖“清四亂”中的應用

文 | 李彤 王春月 劉思言 秦磊

長光衛星技術股份有限公司

一、引言

河湖四亂集中表現為亂占、亂采、亂堆、亂建，有效監督河湖四亂的核實和整改情況，屬于河湖長制工作推進的重要工作內容之一[1]?！端哭k公廳關于明確全國河湖“清四亂”專項行動問題認定及清理整治標準的通知》（辦河湖〔2018〕245號）中明確提出“清四亂”專項行動問題認定及清理整治標準。2020年印發《水利部辦公廳關于深入推進河湖“清四亂”常態化規范化的通知》（辦河湖〔2020〕35號），明確指示了地方各級河長辦、水務行政主管部門和各流域管理機構，應當把信息化建設視為重要工作目標，并綜合運用衛星遙感、視頻監測、無人機、手機APP等手段做好河湖管護，以提升河湖監管的信息化、現代化管理水平?！?023年河湖管理工作要點》要求進一步強化河湖長制，持續清理整治河湖四亂問題，堅決遏增量、清存量，將清理整治工作向中小河流、鄉村河湖延伸。加強遙感等技術成果應用，形成合法的地物圖斑本底數據庫，實現河湖遙感數據周期化解譯對比，強化遙感圖斑閉環動態管理，提升監管效能。

在監管河湖四亂問題時，由于河湖數量多、水域面廣、河湖岸線長，在一定程度上加大了河湖四亂問題監測監管難度，而傳統的人工巡河方式成本高、效率低，難以滿足當前對河湖四亂問題大范圍、精準性、及時性和常態化治理與管控的需求[2-4]。同時利用傳統方式監管河湖四亂問題時難以做到溯源和持續追蹤，為及時、全面、持續地實現對河湖四亂問題的監管，迫切需要采用遙感技術、GIS技術等創新巡查監管手段。隨著衛星遙感技術的發展，其感知范圍逐漸變大，并具有光譜信息豐富、觀測視角高等優點，有利于對河湖管理范圍內疑似違法行為分布及其程度進行認知，可以為河湖“清四亂”提供數據依據[5-6]。

本文結合衛星監測、手機APP、Web系統三種技術手段，構建基于吉林一號衛星的“天上看、地上查、網上管”模式用于解決河湖四亂問題，加強河湖問題動態化、可視化、規范化管理，并成功應用于長春市河湖四亂遙感監察任務中，為河湖“清四亂”提供技術支撐和執法依據。

二、河湖四亂遙感監管模式

吉林一號衛星星座是長光衛星技術股份有限公司在建的核心工程，由138顆涵蓋高分辨、大幅寬、視頻、多光譜等系列的高性能光學遙感衛星組成。截至2023年11月23日，已實現了108顆吉林一號衛星在軌運行，成為當前全世界規模最大的亞米級商業遙感衛星星座，目前可以對全世界任意地點實現每天35-37次重訪，具有全球一張圖一年更新3次、全國一張圖一年更新9次的能力。吉林一號具有重訪高、分辨率高、幅寬大等優勢[7]，可以為河湖監測提供豐富的遙感數據和產品服務。

為推動構建河湖“清四亂”行為的常態化和規范化工作機制，落實歸屬地監管責任，提升河湖問題動態化、可視化、規范化管理水平，本文提出基于吉林一號的“天上看、地上查、網上管”三位一體解決河湖四亂問題的模式（圖1）。

圖1 基于吉林一號的河湖四亂遙感監管模式

“天上看”：依托吉林一號衛星星座快速重訪的亞米級分辨率的衛星影像，通過深度學習算法和人機交互解譯得到疑似河湖四亂圖斑和相關屬性信息。通過吉林一號星座可實現全面、精準、動態獲取大面積水域亂占、亂采、亂堆、亂建等問題的詳細信息，實現全流域各要素的常態化監測，有效解決河湖四亂問題監管時摸排難度大、無法持續跟蹤等問題。

“地上查”：使用者可通過河湖四亂核查助手App完成對四亂點位的定位導航、拍照上傳、日常巡查和問題上報；管理人員可通過此App實現核查審核、整改審核和抽查復核等功能的移動辦公，推動監測發現的疑似問題逐個落實整改、逐個完成銷號。

“網上管”：使用者通過Web系統可以進行圖斑管理和相關信息審核，方便決策與工作部署，完善全流程閉環管理，實現河湖問題動態清零。

三、河湖四亂遙感監管應用

1. 河湖四亂衛星遙感解譯特征

河湖四亂衛星遙感監管的主要對象為河湖管理范圍內的亂占、亂采、亂堆、亂建四種類型的地物，根據對河湖四亂問題的界定以及長期進行衛星遙感應用服務的經驗，確定典型問題特征與影像樣本（表1）。

表1 河湖四亂問題的界定、遙感特征與吉林一號影像樣本

2.四亂信息圖斑提取流程

利用高分辨率衛星遙感影像進行四亂信息圖斑提取和分析工作，流程如圖2所示。首先，建立樣本解譯標志，并對樣本解譯標志進行抽查檢驗，保證選擇樣本的準確性；然后，利用樣本解譯標志中的典型地物圖斑進行軟件自動識別和人機交互解譯相結合的方法實現河湖岸線管理范圍區域內各類圖斑的提取，自動化提取效果示例如圖 3和圖 4所示；最后，對軟件自動識別和人機交互解譯得到的綜合結果進行分析，形成河湖岸線管理范圍遙感監測清單及監測報告，包括統計分析表、監測說明等內容，持續對四亂信息圖斑的變化情況進行跟蹤，分析整治及新增狀況，確保數據持續關注。

圖2 四亂圖斑提取流程

圖3 坑塘自動化提取效果

圖4 網箱自動化提取效果

對算法自動識別和人機交互解譯得到的綜合結果進行分析，形成岸線管理范圍遙感監測清單及監測報告，包括統計分析表、監測說明等內容，持續對每期四亂信息圖斑的變化情況進行跟蹤，分析整治及新增狀況，做到數據持續跟蹤，并通過人工篩查圖斑的方式，對所得到的結果進行修訂。最終河湖四亂圖斑成果屬性信息包括但不限于：圖斑編號、四亂一級類型和二級類型、圖斑面積、影像時間、所屬河湖編號及名稱、經度、緯度、行政區劃。

3.河湖四亂遙感監管系統

河湖四亂遙感監管系統主要功能是對疑似問題圖斑進行核查、管理和展示。下面以長春市河湖四亂遙感監管系統為例進行功能詳細介紹。

長春市河湖四亂遙感監管系統使用用戶為市級、區縣級、鄉鎮級河長制的工作人員。系統分為河湖四亂遙感監管Web系統和河湖四亂核查助手App，其中Web系統主要的功能是對核查員核查過的圖斑信息進行核查審核和整改審核，銷號處理、圖斑轉出等，比如現場核查和整改是否準確到位，都需要通過Web系統進行判定。河湖四亂核查助手App的主要功能是對四亂點位的定位導航、拍照上傳、日常巡查和問題上報等，極大提高了一線巡查人員的作業效率，推動河湖四亂問題治理手段信息化和現代化，實現治理的高效便捷化，最終為政府決策和管理提供解決方案。

（1）總體構架

河湖四亂遙感監管系統結合用戶業務特性，將實用性、易用性和可擴展性作為重要設計原則。系統的總體架構包含4個層次，從底層到上層分別為基礎設施層、數據資源層、服務支撐層以及用戶層。平臺建設依據運維管理與安全保障體系，遵循軟件開發及標準化管理標準，并考慮數據安全、服務安全、用戶安全、網絡完全等問題，系統架構如圖5所示。

圖5 河湖四亂遙感監管系統架構

（2）河湖四亂遙感監管Web系統

河湖四亂遙感監管Web系統采取模塊化設計理念，由大屏展示模塊、綜合業務監管模塊、統計分析模塊、系統功能模塊和個人中心模塊組成，構建成標準統一、流程規范的業務管理系統。系統基于GIS平臺框架，實現包括影像、矢量、專題數據在內的多源異構數據的集成與交互，采用主流先進的前后端分離的開發模式進行構建?？傮w實現方式可以保障整個Web系統的擴展性、兼容性和先進性。具體功能如表2所示。

表2 河湖四亂遙感監管Web系統功能

Web系統的建設可實現各級單位協同辦公、問題信息動態共享、任務處理高效便捷、管理決策迅速有效的目的。河湖四亂遙感監管Web系統示例圖如圖6所示。

圖6 河湖四亂遙感監管Web系統示例圖

圖7 河湖四亂核查助手App示例圖

（3）河湖四亂核查助手App

為了方便核查工作的開展，河湖四亂核查助手App集成了離線地圖導航、離線數據緩存、指南針等功能，可以協助一線巡查用戶在信號弱或無信號位置開展核查工作，更方便找到待核查目標。此外，還開發了核查信息后臺留存、批量上傳等多個方便快捷功能，應對實際核查工作的復雜環境，為核查人員減輕核查負擔，提高工作效率。具體功能如表3所示。

表3 移動核查APP功能

河湖四亂核查助手App采用Java、Kotlin、Dart、Objective-C等多種核心語言，整合了強大的地圖、拍照、自動水印、GIS、業務架構、網絡和本地持久化技術棧。河湖四亂核查助手App不僅支持Android和iOS多平臺，還能自動接收軟件更新通知，適配各種屏幕分辨率和尺寸，致力于為各級河湖長制用戶提供高效、技術驅動的核查工具。河湖四亂核查助手App示例圖如圖 7所示。

四、結束語

基于吉林一號高頻次、高覆蓋率、高空間分辨率的衛星遙感影像可以進行大范圍水域亂占、亂采、亂堆、亂建等問題的監測。本文結合衛星監測、手機APP、Web系統三種技術手段，構建一種用于河湖四亂衛星遙感動態監管的“天上看、地上查、網上管”業務模式，并已經成功落地實踐，服務于多地水利部門，證明了相比于傳統模式，基于吉林一號衛星的“天上看、地上查、網上管”業務模式可以加強河湖問題動態化、可視化、規范化管理，并能夠有效解決河湖“清四亂”監管面積大、監管難等問題，提高工作效率、減少監管漏洞、增加巡查頻率，整合資源、打破信息壁壘，保證河湖“清四亂”行動高效推進。