南水北调中线水源区生态环境精准动态监测

马力，高圣益，夏婧3

（长江空间信息技术工程有限公司，武汉　430010）

摘　要：生态环境精准动态监测技术体系，从空间定位技术、特征解译技术以及合理性分析技术3个方面实现了生态环境指标的精准监测。本文介绍了精准动态监测体系的主要思想及在南水北调生态环境监测中的应用。

关键词：南水北调；生态环境；精准；遥感；监测

第一作者简介：马力（1981—），男，湖北襄阳人，高级工程师，主要从事水利测绘与遥感技术研究与应用。E-mail：lymar@126.com3

1　引言

南水北调中线工程是国家实施的水利工程重点项目，是我国实现水资源优化配置的战略性基础设施，也是一项巨大的生态工程。国家和相关部门相继出台了《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持规划》等多个法规政策以加强南水北调生态环境保护工作。

对于丹江口9.52万km2库区，水源区170m高程移民迁移线以内1047.5km2水域和消落地广阔的区域开展动态监测，必须克服常规定点监测和人工巡查面临的管理人员不足、监测集中于局部区域、周期较长等不足，也必须克服传统遥感技术在微观尺度上准确性不够、不同时序监测结果一致性差的难题。

笔者从空间位置的精度、特征指标判别的准确性、监测结果的一致性等3个方面着手，建立了一套基于遥感技术的生态环境精准动态监测技术体系，并成功应用于南水北调中线水源区及沿线的生态监测、水行政执法、生态建设评估等工作中。

2　精准动态监测技术体系

基于遥感技术的生态环境精准动态监测技术体系主要由三部分组成，分别是空间定位技术、特征解译技术以及合理性分析技术，分别针对空间位置的精度问题、特征判别的准确问题、监测结果的一致性问题。

2.1　空间定位技术

通常采用的卫星或航空遥感影像直接定位或者简单的控制点纠正的方法，平面定位精度会产生数米到数百米的偏差［1］，影像变形和影像接边差极大，严重影响生态环境指标量算的精度。为准确获取各类生态环境指标的空间量算特征，需对获取的优于1m分辨率的遥感影像进行准确的空间定位和校正。结合各类卫星测绘技术、摄影测量技术、图像后处理技术以及已有的各类监测区域数据，笔者建立了适合南水北调中线水源区及沿线的遥感影像空间定位技术。其主要技术思想如下：

严格按照遥感影像正射校正的技术标准，结合在监测区域的数字高程模型和数字地形图，采用与地形图测量坐标系相一致的坐标基准，用数字微分纠正对卫星原始影像进行精确的纠正，以保证利用各年度遥感影像进行动态监测时坐标基准统一、数学精度一致。

2.2　特征解译技术

结合现场调查，分别建立各类生态环境指标的遥感解译标志，并对各种解译标志的特征区别进行细分。为保证解译判别的准确性，从微观尺度上实现监测结果的可追溯、可核查，在进行生态环境指标解译时，主要从3个方面发展了生态环境特征解译技术。主要技术思想包括如下几方面：

（1）从解译方式上，采用高分辨率卫星影像，并且全部采用人工解译的方法进行特征判别和提取。这是根据目前计算机发展水平尚无法达到人的思维判别水平的客观事实所决定的。

（2）从解译手段上，采用航空或航天立体影像，从立体摄影测量的角度出发，通过恢复空三模型，在立体环境下采用立体遥感解译技术手段进行解译。不仅利用影像的光谱特性、平面特性，更充分地利用了地物的高程特性，从利用特征信息的丰富程度上保证特征解译的准确。

（3）从解译策略上，对于前期管理部门采用中低分辨率遥感数据，利用计算机自动分类方法获取的监测，为保证前后的一致性，在后期的监测和对比分析时采用与前期一致的计算机自动分类策略，从数据变化趋势上保证特征结果的准确。

2.3　合理性分析技术

生态环境监测的服务对象主要为各级政府以及各级管理部门。生态环境的现状和变化不是孤立的，必然是自然与人类活动共同作用的结果。在为各级管理部门提供技术支撑的过程中，建立了一套合理性分析技术，形成了监测结果的合理性分析指标。其主要技术思想如下：

根据各级管理部门、地方政府制定的政策、执行的生态环境保护措施以及各项生态环境保护行动所处的阶段，对各类生态环境指标分布、变化趋势情况开展合理性分析。对解译结果与分析结果不一致的情况进行综合会商，必要时进行现场抽样核查，确保解译结果准确、合理，从监测数据的合理性上保证监管工作的权威性和准确性。

3　南水北调中线水源区生态环境监测

3.1　水面污染源监测

丹江口库区存在的网箱养殖，其投饵对水库溶解氧承受能力带来挑战，残饵以及鱼的排泄物长期沉积，将增加水中的氨氮含量，均影响库区水质。按照南水北调中线水源区的管理要求，需全部清理。为满足网箱养殖清理监管工作的需要，分别于2013年、2016年、2017年采用卫星遥感监测技术手段，对丹江口水库的网箱养殖进行监测。所有正射影像均经过严格正射纠正，解译标志均是现场调查后建立，网箱解译图斑均采用人工解译勾绘，监测统计分析结果与管理部门获得的宏观情况相吻合。网箱的动态监测结果已多次作为各阶段各地网箱清理进度督察的依据使用。

部分网箱特征影像示意及网箱监测变化对比见图1和图2。

3.2　消落地现状调查

2014年南水北调中线工程通水以来，受各种因素影响，丹江口水库水位长期徘徊在150m死水位以下，水库蓄水位常年未超过161m（2017年9月首次超过161m），水库消落区范围内存在大量可利用的土地，返迁、开垦现象频发，为了摸清消落地现状，采用遥感监测的方式对消落地进行现状调查。仍然采用优于1m分辨率高清的遥感影像，经严格纠正后作为遥感监测数据源使用，采用与设计图纸相一致的坐标系。

为准确界定消落地范围，在地理信息平台上，将150m死水位线、170m蓄水位线、172m移民迁移线准确展绘叠加到纠正后的遥感影像上。对影像水边线以上至172m移民迁移线之间的范围进行解译。解译范围包括了150m死水位线到170m蓄水位线之间的消落地面积，以及172m至172m移民迁移线之间的面积。解译范围共513.34km2，涉及丹江口市、淅川县、郧县、十堰市和郧西县。分类标准参照《水土保持遥感监测技术规范》（SL592—2012）［2］，全部采用人工判读的方式进行监测。监测成果首次精确地调查了南水北调中线水源区消落地的土地利用现状情况，为消落地管理提供了全面、客观的调查数据。

3.3　库区土地覆被变化监测

土地覆被变化监测主要针对9.52万km2的丹江口库区开展。前期已有2014年监测的结果，数据源采用优于30m分辨率的多光谱遥感影像，监测方法采用面向对象的决策树分类法。考虑到面向对象的分类方法本身在微观尺度不足以反映微小的数据变化，在动态监测时，采用了与前期相一致的分类方法，以使监测结果可反映出库区土地覆被变化的趋势情况。

监测结果反映出丹江口水源区在南水北调工程通水后，植被面积较通水前呈现增长趋势，水源地周边的植被覆盖度持续上升，湿地面积略有增长，但同时建设用地也略有增加。监测结果与《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持规划》［1］及“十二五”规划实施的具体工作情况相吻合，近年来植被覆盖已达到较高的水平，增长趋于稳定。

3.4　水行政执法监测

2015—2017年，我们采用精准动态监测技术，对拦岔筑坝、侵占库容、非法设置码头、非法设置排污口、在消落地堆土弃渣等破坏南水北调水源区生态环境的行为进行了持续、动态的监测，多次移交违法证据给水政执法部门。部分消落地违法监测证据见图3。

4　结语

本文介绍了生态环境精准动态监测技术体系及其主要技术思想，并介绍了在南水北调水源区开展的水面污染源监测、消落地现状调查、库区土地覆被变化监测、水政执法遥感监测等应用情况。除了在南水北调中线水源区得到应用外，该技术体系在南水北调中线干线、三峡库区、金沙江下游水土流失防治区等区域也已得到推广应用。后续将结合长江流域生态文明建设，持续开展生态环境动态监测工作，并推广到更多的地区和领域。

参考文献

［1］王任享，王建荣，胡莘.光学卫星摄影无控定位精度分析［J］.测绘学报，2017，46（3）：332-337.