文 | 李慧子 葛寶玉 宋振強 張麗麗

哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

2021 年11 月18 日，中共中央政治局召開會議審議了《國家安全戰(zhàn)略（2021-2025 年）》，會議指出新形勢下維護國家安全，必須牢固樹立總體國家安全觀，加快構(gòu)建新安全格局，必須堅持黨的絕對領(lǐng)導(dǎo)，堅持捍衛(wèi)國家主權(quán)和領(lǐng)土完整，維護邊疆、邊境、周邊安定有序。跨界河流域（以下統(tǒng)稱界河）儲存了全球一半的淡水，與經(jīng)濟和社會穩(wěn)步發(fā)展存在著密切關(guān)系，重視和加強界河保護是維護國家利益，保障生態(tài)安全，促進地區(qū)和平發(fā)展的戰(zhàn)略性任務(wù)。在對諸多界河進行開發(fā)、利用與管理的過程中也面臨著諸多的問題，其中跨界河流域合作協(xié)議少，界河監(jiān)測與災(zāi)害評估方面技術(shù)手段不足，國內(nèi)國際層面立法缺失等現(xiàn)狀導(dǎo)致我國在界河爭端方面處于被動局面，如何監(jiān)測、管理界河流域是我國社會發(fā)展和國際合作面臨的一項重大挑戰(zhàn)。因此，運用科學(xué)合理的界河監(jiān)管手段對于協(xié)調(diào)兩國之間的水權(quán)關(guān)系，妥善處理界河水事爭端，實現(xiàn)地區(qū)經(jīng)濟繁榮及政治長治久安具有舉足輕重的作用。

相比傳統(tǒng)監(jiān)管手段存在不高效、不全面、不及時等問題，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、快速、動態(tài)、經(jīng)濟等優(yōu)勢，可實現(xiàn)大范圍的界河全天候全天時的動態(tài)監(jiān)測。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，為開展界河動態(tài)監(jiān)控、加強界河管理提供了有效途徑。

二、界河監(jiān)測的意義及作用

界河，為兩國或兩地區(qū)分界的河流，也稱為國際界河，是流經(jīng)兩國之間作為兩國領(lǐng)土分界線的河流。界河分屬于兩岸國家，沿岸國對河流分界線向本國一側(cè)的水域行使管轄權(quán)。界河由于其特殊的地理位置而與國家間的政治、經(jīng)濟、外交等更加密切地聯(lián)系起來。一國對國際河流的開發(fā)和環(huán)境影響往往會波及另一個國家甚至幾個國家的環(huán)境、生態(tài)安全，影響人民生活和國家社會經(jīng)濟的發(fā)展。

根據(jù)《中華人民共和國陸地國界法》，國務(wù)院有關(guān)部門和邊境省、自治區(qū)的各級人民政府應(yīng)當(dāng)采取措施維護界河（江、湖）走向穩(wěn)定，并依照有關(guān)條約保護和合理利用邊界水。近年來，中國周邊界河問題受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，作為跨國界河數(shù)量豐富的國家，界河問題涉及中國與周邊流域國外交關(guān)系的處理，關(guān)系到中國周邊安全環(huán)境的維護與構(gòu)筑。界河因其獨特的地位更加引人注目。重視和加強界河保護是維護國家利益，保障生態(tài)安全，促進和平發(fā)展的戰(zhàn)略性任務(wù)。界河監(jiān)測是開展界河保護和合理利用的前提，因此，采取適合有效的監(jiān)測調(diào)查手段是政府管理部門對外交涉進行災(zāi)害救援管理和水政執(zhí)法的關(guān)鍵。

目前，傳統(tǒng)的界河監(jiān)測手段及航空攝影測量方法無法對界河界內(nèi)、界外流域進行全面的監(jiān)管，而高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)由于其較高的分辨率，能夠較好地替代航空攝影，對界河狀態(tài)及災(zāi)害等情況進行更精確、動態(tài)的監(jiān)測，為政府管理部門及時排查險情，化解國際爭端，進行國家水權(quán)糾紛的調(diào)解與仲裁提供了技術(shù)保障；同時，為政府有效管理好界河流域，全面實施界河治理、災(zāi)害應(yīng)急救援和水政執(zhí)法提供了決策依據(jù)。

三、高分遙感技術(shù)應(yīng)用于界河監(jiān)測領(lǐng)域的特點

由于界河的政治特殊性，在日常的監(jiān)測中，我們只能獲得我國一側(cè)界河流域的水文信息；同時由于領(lǐng)空的限制，在界河流域突發(fā)事件發(fā)生后，也不能采用無人機等航空手段進行界河界內(nèi)、界外數(shù)據(jù)的采集。而利用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠很好地解決這些問題。高分衛(wèi)星遙感作為一種高時效、短周期、低投入、廣視域、執(zhí)行靈活的新技術(shù)，其在界河監(jiān)測及執(zhí)法管理方面能夠發(fā)揮強大的優(yōu)勢，能夠有效解決目前我國面臨的界河流域監(jiān)測問題。整合收集的信息和遙感數(shù)據(jù)，以更直觀和形象的表現(xiàn)形式如圖片、音頻、視頻等方式呈現(xiàn)，實現(xiàn)精準(zhǔn)地識別目標(biāo)形態(tài)和狀態(tài)。因此高分遙感技術(shù)在界河監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.突破地域局限，降低環(huán)境因素影響

在早期界河監(jiān)測中，主要依靠人力來搜集信息，這導(dǎo)致最終收集到的信息資源往往是片面的和不完整的。由于受到雨雪、冰雹、霧氣以及地表植被等因素的干擾，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)無法實現(xiàn)信息的精準(zhǔn)化，就會使界河監(jiān)測工作無法順利進行。由于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的飛行平臺搭載在衛(wèi)星上，通過不間斷地工作，不僅打破了地域局限，還降低了氣候、天氣等因素對界河監(jiān)測的影響，使得我國在界河監(jiān)測和管理方面的工作變得更加便利和高效，保障了我國界河資料的完整性，為我國界河管理和監(jiān)測提供了技術(shù)支持。

2.信息采集高效化，監(jiān)測頻次精細化

高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高空間分辨率、高時間分辨率及高光譜分辨率特性可對界河流域情況進行較為精確的分析、判斷，利用衛(wèi)星進行遙感監(jiān)測，成像周期短，在短時間內(nèi)就可以完成對界河流域信息的采集，通常只需要一次性監(jiān)測即可完成任務(wù)。應(yīng)用遙感技術(shù)，使得界河信息的容量和精確度都大大領(lǐng)先于人工信息采集方式。高分系列衛(wèi)星作為新的遙感信息源，影像地物判讀性較好、精度高，地物類型及其邊界識別清晰明顯，例如高分一號（GF-1）衛(wèi)星完整地“看”一遍地球只需要4 天，高分二號（GF-2）衛(wèi)星的分辨率已達亞米級，可使界河流域各類資源均能夠在影像上形成全局性、宏觀的表達，高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用能夠?qū)绾恿饔蛸Y源及其生態(tài)環(huán)境進行更高效、精細化地監(jiān)測。

3.提高調(diào)查效率，提升指導(dǎo)能力

利用高分衛(wèi)星的多光譜、大寬幅及重訪周期短的特點，能夠提供特定區(qū)域高精度連續(xù)影像，為實現(xiàn)及時、快速、大范圍的洪水、滑坡、泥石流等災(zāi)害的調(diào)查監(jiān)測提供影像數(shù)據(jù)，提高調(diào)查效率。通過對遙感影像快速處理分析，可以直接提供人們最為關(guān)心的災(zāi)害面積、影響范圍和潛在的危險因素等重要數(shù)據(jù)，科學(xué)合理地指導(dǎo)救災(zāi)減災(zāi)和災(zāi)害預(yù)防工作。高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)在界河調(diào)查、監(jiān)測領(lǐng)域已可以替代國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，服務(wù)于我國界河調(diào)查與生態(tài)保護等工作，具有重要的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景，為政府有效管理我國界河水域，全面實施界河監(jiān)測提供了決策依據(jù)。

四、高分遙感數(shù)據(jù)在界河監(jiān)測中的應(yīng)用

基于高分遙感數(shù)據(jù)高空間分辨率、高時間分辨率及高光譜分辨率的特點，開展針對某區(qū)域的界河遙感專題監(jiān)測應(yīng)用，主要是界河動態(tài)監(jiān)測提取，界河塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以及界河水利工程及水政執(zhí)法監(jiān)測，為界河監(jiān)測、管理提供決策支持。

1.界河動態(tài)監(jiān)測提取分類

界河動態(tài)監(jiān)測以GF-1、GF-2 衛(wèi)星等遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史河道數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)等多源輔助數(shù)據(jù)，提取河道中心線數(shù)據(jù)，利用預(yù)處理后的高分遙感影像數(shù)據(jù)，分別計算歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化水體指數(shù)（NDWI）和混合水體指數(shù)（CIWI），對影像進行基于邊緣檢測的分割，綜合三個指數(shù)的范圍、面積、延展度和矩形擬合度，依據(jù)經(jīng)驗值進行調(diào)整參數(shù)范圍，根據(jù)分類結(jié)果對照原始影像進行目視觀察，最終選擇最佳的參數(shù)區(qū)域，影像分類流程如圖1 所示?；诜诸愌芯拷Y(jié)果，綜合考慮影響界河狀態(tài)的主要自然因素和人文因素，實現(xiàn)界河動態(tài)監(jiān)測。

圖1 基于規(guī)則的高分遙感影像數(shù)據(jù)分類

2017 年6 月和2021 年6 月通過獲取東北某區(qū)域高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，開展基于高分遙感數(shù)據(jù)的界河監(jiān)測應(yīng)用實踐如圖2 所示，該地區(qū)界河長度約為132.83km，基于高分衛(wèi)星遙感影像信息提取計算，2017 年該地界河面積約為536.39km，2021 年該地界河面積約為573.85km。

圖2 2017—2021 年某地界河范圍變化監(jiān)測

經(jīng)過計算得出2017—2021 年該地界河面積增加約為53.24km。通過對該地界河衛(wèi)星遙感影像的信息提取與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗證了高分遙感數(shù)據(jù)在界河動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的宏觀、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢。

2.界河塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

綜合利用云計算、導(dǎo)航、遙感等技術(shù)，實現(xiàn)災(zāi)害自動監(jiān)測與預(yù)警、信息發(fā)布、救援指揮和管理。利用經(jīng)過大氣校正、融合、鑲嵌等處理后的高分影像數(shù)據(jù)，建立遙感解譯標(biāo)志（護岸工程解譯標(biāo)志、岸線遙感解譯標(biāo)志、地貌遙感解譯標(biāo)志等），基于計算機自動分類和人機交互式等新技術(shù)方法提取河道岸線分布信息，綜合考慮影響界河的自然因素和人文因素，利用前期界河參數(shù)的提取結(jié)果，基于分類器對融合后影像進行分類、提取，以影像分割后生成的多邊形對象結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建差異影像，計算灰度共生矩陣，提取出差異影像的光譜和紋理特征，組成特征向量，選擇合適的訓(xùn)練樣本，提取評價災(zāi)害的相關(guān)指標(biāo)，解譯塌岸地質(zhì)災(zāi)害與護岸工程信息分布圖，編制塌岸地質(zhì)災(zāi)害與護岸工程分布遙感解譯圖，實現(xiàn)塌岸地質(zhì)災(zāi)害的判讀（圖3），分析得到地質(zhì)災(zāi)害防范措施和方法。

圖3 基于高分遙感數(shù)據(jù)的界河監(jiān)測

界河流域塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測如圖4 所示，某地一側(cè)大部分江岸地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，在中、高水位時，受橫向水流的頂沖以及風(fēng)浪的沖刷，江岸易受到侵蝕并發(fā)生塌岸地質(zhì)災(zāi)害，從而造成河流中心線偏移和國土損失。長期下來就會使界河的中心線發(fā)生偏離，影響附近居民的生產(chǎn)、生活和航運，而且有可能誘發(fā)國際沖突，影響兩國的關(guān)系。通過利用GF-1、GF-2 衛(wèi)星等界河現(xiàn)狀調(diào)查與監(jiān)測產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)，按需提供圖件、監(jiān)測報告等方式分析某地段沿江護岸工程分布、河流岸線變遷信息，分析塌岸地質(zhì)災(zāi)害的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為防治地質(zhì)災(zāi)害和國土保持提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

圖4 某地流域塌岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

3.界河水利工程及水政執(zhí)法監(jiān)測

通過對高分辨率遙感影像的解譯與目標(biāo)提取，對執(zhí)法方監(jiān)測各類圖斑進行提取以及變化圖斑分類，建立本底數(shù)據(jù)，實現(xiàn)河湖岸線亂建、亂采、亂堆、亂占問題的全面清查。獲取監(jiān)測遙感影像數(shù)據(jù)后，基于多時相、多源遙感數(shù)據(jù)的解譯對比分析，根據(jù)圖斑變化等信息，分析河道和岸線占用、河道采砂等違法情況。

如圖5 所示，某地流域發(fā)生疑似亂占、違法開采，造成河道中心線改變，同時還有邊境界河地區(qū)違法亂建和私自越界等不法行為。邊境線過長交通不便，造成界河管理和執(zhí)法困難。利用高分系列衛(wèi)星進行分析，提供圖件、監(jiān)測報告等方式生成圖件和監(jiān)測報告，結(jié)合自然和人文資料，分段分析界河變化信息及越界、亂占、亂建、亂采等違法信息，準(zhǔn)確掌握界河歷史變化狀況，為掌握我國界河水利工程和水政執(zhí)法監(jiān)測提供有效信息。

圖5 某地流域遙感影像監(jiān)測應(yīng)用

某地海域岸線監(jiān)測如圖6 所示，利用高分系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對邊防口岸、邊境重大基礎(chǔ)設(shè)施進行動態(tài)監(jiān)測，準(zhǔn)確分析出某地口岸施工分布情況，以及違法亂建情況，生成遙感監(jiān)測專題圖和監(jiān)測報告，并提供給相關(guān)執(zhí)法監(jiān)管部門作為管理依據(jù)，為水政執(zhí)法提供決策依據(jù)。

圖6 某地海域岸線監(jiān)測

五、結(jié)語

高分遙感衛(wèi)星在開展界河監(jiān)測上具有顯著優(yōu)勢，可快速掌握全國界河時空分布特征，服務(wù)支撐界河監(jiān)測管理與保護等工作。利用高分衛(wèi)星的多光譜、大寬幅及重訪周期短的特點，能夠提供特定區(qū)域高精度連續(xù)影像，為實現(xiàn)及時、快速、大范圍的塌岸、滑坡、界河流域岸線亂建等調(diào)查監(jiān)測提供了可能。

高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)在界河監(jiān)測領(lǐng)域已可以替代國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，服務(wù)于我國界河監(jiān)測應(yīng)用調(diào)查等工作，具有重要的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。目前，遙感技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)初步應(yīng)用于界河監(jiān)測，并取得了一定的成果，而基于高分遙感數(shù)據(jù)的大尺度界河監(jiān)測研究仍處于初級階段，有必要將高分遙感數(shù)據(jù)的界河監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到大尺度界河監(jiān)測中，為我國界河安全提供更加精確的監(jiān)測手段及方法。