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河长制工作中测绘地理信息的应用

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摘要:河长制是行政首长担任水系管理者的一项责任制度,通过实现6项具体任务来达到合理利用水资源、改善水环境和优化水管理的目标。测绘地理信息在理论手段、产品应用等方面可为实现河长制“六大任务”提供广泛的技术支持,对于实现河长制管理的信息化、智慧化具有实践意义。

关键词:测绘;地理信息;河长制;“六大任务”;应用

河长制是近期国家对河湖水系管理提出的一项重要行政制度。以目标为导向的河长制,在技术层面强调管理系统的信息化和智慧化。测绘领域中的遥感技术、卫星定位导航技术(GNSS)、地理信息系统(GIS)等信息化测绘技术和产品为河长制工作提供了重要的技术支撑;现代测绘拥有多样的信息采集手段、丰富的测绘产品和强大的应用管理平台,在实现河长制管理“六大任务”方面具有广阔的应用空间。

1河长制与测绘地理信息

河长制是一种行政管理制度,各级党政主要领导按层级担任辖区内各水体的河(湖、库)长,依据国家、地方法律法规履行河湖水系的治理与保护责任。2016年10月11日中央全面深化改革领导小组第28次会议审议通过了《关于全面推行河长制的意见》[1],全面建立省、市、县、乡4级河长体系,以“六大任务”为管理目标,包括河、湖水系的水资源保护,水域岸线管理,水污染防治,水环境治理,水生态修复和水行政执法6个方面的水管理目标。测绘地理信息通过多学科融合的测绘理论、现代化的设备、信息化的技术和多样化的成果实现了测绘数字化、信息化和智慧化;以计算机、互联网为载体实现了时间空间信息、属性特征信息的获取、处理和分析利用。利用遥感、GNSS、激光雷达测量(LiDAR)等测绘方法不仅能获得地理空间数据(DOM、DEM、DRG、DSM、DLG),而且能获取目标多样的属性分析数据。GIS可显示、处理、分析和演绎地表时空特征和事物动态变化,WebGIS开辟了更深度的信息来源和更广的受众群体。

2在河长制工作中的应用

2.1水资源保护

卫星遥感是水资源调查和研究的有效手段,通过分析水体对光电波的反射、发射、吸收特征来确定水资源的分布状况。水体、含水土壤以及植物等含水地表实体在遥感图像上显示最为明显,因此利用遥感技术来研究水文和水资源领域问题具有很好的实践意义。多波段融合是把不同波段生成的遥感影像进行叠加,生成复合影像;再利用不同波段图像之间的差异提取兴趣点特征,可获得所需的信息。例如,TM432组合波段下的水系呈色较暗,植物表现为不同的红色色调,阔叶、草地分别显示为深红色和浅红色,在研究湿地和植被分布方面效果显著;兼容中红外、近红外特征的TM741图像层次区别较好,地表信息表达多样,地质特征显示突出[2],在水文地质分析方面具有较好效果(图1)。通过水环境特征在不同波段遥感影像上的映像,可判读水资源的空间分布状况,进而进行水资源规划和水动态监测。

2.2水域岸线管理

水域岸线管理包括水域管理范围确定、河湖空间保护和堤岸防护。依法划定河湖管理范围是各项工作的基础,利用界线测绘确定河湖的空间范围、功能区、所有权和管辖权。首先进行外业权籍调查,利用野外数据采集或遥感影像确定界址点,形成权籍调查表和界址点图表,并采用GNSS测量放样,埋设界桩[3];然后通过DOM、DRG或DLG划定水域空间的不同功能区域,包括保护区、限制开发区、开发利用区和保留区等;再利用多期遥感影像或低空无人机实时测量数据对岸线内占压河道、非法采掘、围垦湖泊、违法倾倒等状况进行监测;最后利用合成孔径雷达干涉测量对大型岸坝实施变形监测。水域岸线调查测绘流程如图2所示。

2.3水污染、水环境治理

遥感技术具有高效率、宏观性、现势性和连续观测等特点,在水污染调查、水环境治理方面有独特的技术优势。通过遥感影像进行水环境监测、水污染调查主要是利用被污染水体与清洁水体之间的光谱特征差异,这些差异体现在不同水体对不同波长电磁波吸收或反射量的多少,反映到遥感影像上则会出现明暗、色调等特征,以此判定水体环境状况。污染水体中各种污染元素具有不同的光、波敏感特性,可利用不同波长的传感器进行遥测来确定水体中悬浮物、有机物、油污以及藻类的类型、密度和分布等。水污染防治和水环境监测中常用的波段包括:①TM1(蓝波段),波长在0.45~0.52um之间,对水体穿透性强,且对叶绿素与叶色素有较高的敏感程度,对于识别水体深度、判断叶绿素状态和水华分布效果显著;②TM4(近红外波段),波长在0.76~0.96um之间,对不同的绿色植物和水体有不同的响应敏感度,可区分不同植物种类、判读水域岸线范围,适用于水生植物调查和水域测量(图3)。水中悬浮物会对进入水中的电磁波进行反射和散射,泥沙含量多、悬浮物颗粒大将使水体反射率增高,因此通过影像判读和实地调查建立影像特征与悬浮物的浓度模型,能定性确定悬浮物和定量推算悬浮物的浓度[4]。有机物在水体中降解并消耗氧气,释放物将导致水体发黑发臭,黑臭水体在热红外遥感影像上显示突出,可用以确定黑臭水体分布与浓度状况。油污染水体在紫外、可见光和微波影像上呈浅色调,但在热红外影像上表现为深色调,可通过研究图像光谱特征与油污浓度的关系确定油污染的面积、类型、浓度和扩散速度[5]。富养化的主要原因是氮、磷等含量高的废水进入水体,造成藻类污染。叶绿素对可见光和近红外波段最为敏感,浮游植物含量高的水体在影像上呈紫红色或红褐色,通过对不同类型、浓度的藻类对应的不同波段遥感图像特征建立富养状态指数和遥感影像之间的关系模型,可确定水污染因素[6]。通过卫星遥感、低空无人机测量与地面监测相结合的技术手段,可实现水体监测;并以4G无线网络传输为手段,构建基于3S技术的水环境监控系统,进行水污染检测、水环境分析和水污染事件处置,实现水污染、水环境治理的信息化和自动化。

2.4水生态修复

GIS具有综合的空间可视化手段和分析能力,可协助管理部门和专业人员进行有效的水体生态系统管理工作。通过建立面向水生态信息管理与评价的GIS对区域内的地貌特征、水资源分布和生物多样性进行调查,建立分析模型对水生态环境现状和演变进行分析和预测,为修复水生态、研究生物多样性、综合整治水土流失、开发和保护山水林田湖草系统提供科学的决策依据。根据地理信息结构原理,水生态GIS(图4)包括:①地理空间信息模块,可通过DRG、DOM、DEM、DSM或DLG等融合编辑生成区域地理底图;②水资源模块,包含区域内水体水质状况、生物群落分布、水土流失状态和生态链接完整性等信息;③生态影响因子评价模块,先建立水生态评价的指标体系,再确定水生态评价方法和演绎模型,最后通过降水、温度、土地植被、人类活动、资源利用方式等综合因素分析水生态发育状况,评价水环境和自然、生物物种之间的关系;④水生态建设模块,建立水环境保护区、缓冲区、经济实验区的空间分布模型,具备查询和统计功能,可根据监测数据评价规划和适宜性,并进行动态调整;⑤发展决策模块,建立区域内水生态规划和可持续发展模型,推导演绎区域水环境与社会经济发展的关系和趋势图,编辑绘制水生态环境质量评价等专题图件[7]。基于关系数据库的FileGeodatabase文件系统可将区域生态多源异构数据分类存储于空间数据库、生态环境数据库和经济社会数据库,并可实现生态环境信息的空间属性和专题属性在数据库中的无缝集成,达到统计、分析和处理专项问题的能力。图4水生态GIS数据库模型

2.5水行政执法

水行政执法和管理是河长制中一项复杂的系统工程,职责涉及不同部门的各类事件,范围涉及河湖上下游和左右岸,管理涉及多层级和多区域,需要纵横向的协调配合。网格化、结构化的数据组织、分发对于复杂的管理工作具有化繁为简的作用,因此可充分依托GIS、云计算、大数据、互联网+等技术,建立数字化、信息化和智能化的河长制管理信息系统。建立基于WebGIS平台的河湖基础信息登记与管理系统(图5)是河长制信息化的重要基础,利用GIS数据库基础,对河湖要素进行网格化的编码管理。数据库具有编辑和完善河湖分级管理各种要素的功能,不同种类和权限的客户可对河湖空间、附属物等要素信息进行统计,实现水域空间信息的在线登记与更新。在河湖巡查方面,移动端App具有实时处理功能,可即时对巡查信息进行记录、上报与处理,以实现河长制水行政事件登记、案件处置等功能。

3结语

现代测绘地理信息技术有多样的手段和丰富的成果可应用于河长制管理体系,遥感技术不仅可用于空间定位,而且可用以判断水环境状态,在该领域仍有更多的波谱特征有待实验和研究。互联网、物联网+、GIS在网络化基础上提供了多层次、更广泛的专业GIS服务,衍生了多端应用,实时服务于水行政管理和执法。河长制是近年来国家生态文明建设的重要措施,测绘和地理信息行业在该领域有巨大的发展空间。

参考文献

[1]陈雷.落实绿色发展理念全面推行河长制河湖管理模式[J].河北水利,2017,16(3):6-7

[2]梅安新,彭望琭,秦其明,等.遥感导论[M].北京:高等教育出版社,2003:236-239

[3]詹长根,唐祥云,刘丽.地籍测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005:84-108

[4]李炎,李京.基于海面—遥感器光谱反射率斜率传递现象的悬浮泥沙遥感算法[J].科学通报,1999,44(17):1892-1897

[5]张永宁,丁倩,李栖筠.海上溢油污染遥感监测的研究[J].大连海事大学学报,1999,25(3):1-5

[6]张海林,何报寅,丁国平.武汉湖泊富营养化遥感调查与评价[J].长江流域资源与环境,2002,11(1):36-39

[7]汪刘艳,阚瑷珂,王绪本,等.自然保护区生态地理信息系统开发研究[J].测绘科学,2009,34(5):176-177

作者:李朝阳 单位:郑州市水利建筑勘测设计院

河长制工作中测绘地理信息的应用责任编辑:张雨    阅读:人次