基于高分遥感技术的河湖长制管理信息系统设计与应用
时间：2023-02-26 11:50:06 来源：千叶帆 本文已影响人
王 梁,王伟明,孙晨红,王骏飞
（1.陕西航天技术应用研究院有限公司，710100，西安；
2.西安空间无线电技术研究所，710100，西安）
“十四五”以来，国家十分重视卫星遥感技术发展，国家层面及省市地方政策都大力支持卫星遥感技术及应用。在河湖长制方面，国务院、水利部出台各类指导意见鼓励积极利用卫星遥感监测手段与遥感影像数据，汇同河湖长制基础数据库、空间数据库、动态数据库、管理数据库，构建新型河湖长制信息服务体系。
1.河湖长制全流域监测需求
我国境内水系发达，河流、湖泊、小流域沟溪等多分布在丘陵山区及盆谷地，现有监测手段大多为监测站点预警、河长巡河及公众上报，但监测点位分布与巡河区域选择存在不足，无法满足全流域、大范围、持续性监管需求。河湖长制监测对象为全体河流水域及岸线，卫星遥感技术能够提供全覆盖、多手段、多时相的观测与分析。
2.多源数据融合分析需求
各类水利业务信息系统会产生大量动态数据、遥感数据，以及河湖长制基础数据、空间数据、业务数据等，数据分散、缺少整合，对河湖长管理工作支撑不足，难以发挥整体效能。为全面提升河湖长制管理效率，需汇集多个系统、整合多种来源的大量数据进行融合与分析。
3.河湖长制管理与智能考评需求
省、市、县不同级河长关注要素不同，发现问题后不能快速决策分析与解决，并且当前巡河管理、考核尚未实现信息化、智能化，巡河人员管理与考核难以考证与量化。因此需要针对市、县（市、区）、乡（镇）河湖长制分级管理，整合现有各种基础数据、监测数据、监控视频与遥感数据，服务于各级领导、工作人员、社会公众的不同层次、不同主体的查询、上报和考评。
基于高分遥感技术的河湖长制管理信息系统是依托航天“系统工程”思想，从水资源管理、水资源保护、水资源调度、应急保障等需求出发，以数据为核心，构建基于高分遥感技术的“感、传、智、用”体系化智慧水利解决方案。系统以航天卫星遥感应用技术为抓手，以物联网、大数据、云计算等信息技术为支撑，响应国家相关政策，积极利用卫星遥感监测手段与遥感影像数据，构建以天空地一体化监测、大数据挖掘与人工智能分析、信息化与辅助决策为特点的河湖长制管理信息系统，解决河湖长制河道管理、非法采砂、侵占岸线、大范围水污染等监管难问题，实现河湖长制发现解决问题快速化、绩效考核精准化、管理精细化、决策智能化。最终以感知能力共建共享、数据融合挖掘、应用示范推广、产业升级带动为特点打造水利样板工程，促进生态环境改善，保障可持续发展。
1.系统组成
河湖长制管理信息系统由信息采集与接入系统、河长数据处理中心、河长数据共享服务平台、遥感水利综合应用系统、“河长一张图”GIS 管理系统、河湖长制移动应用系统组成，形成“一张采集网、一个数据中心、一套共享平台、一个遥感应用系统、三种展现形式（PC、App、公众号/小程序）”的一体化河湖长制管理信息系统，实现河湖长制管理要素全覆盖、流程全监管、功能全方位。系统功能组成如图1。
图1 河湖长制管理信息系统功能组成
2.系统架构
河湖长制管理信息系统建设总体架构分为数据采集、网络传输、数据服务、平台支撑、业务服务、前端应用等6 层，总体架构如图2 所示。
图2 河湖长制管理信息系统框架
①数据采集层：通过卫星遥感、视频、固定监测站等手段获取河湖空间数据，实现水利信息的全面接入。
②网络传输层：综合利用天基、地基网络为信息的采集与更新提供数据传输通道。
③数据服务层：构建水利公用数据库、河湖长制业务数据库等，存储河湖水文、管理、监测、遥感等数据，并向不同用户提供数据共享服务。
④平台支撑层：河湖长数据共享服务平台将资源进行整合，为业务层各系统提供显示工具集、分析工具集和业务工具集。
⑤业务服务层：包括“河湖长一张图”GIS 管理系统、河湖长制移动应用系统、遥感水利综合应用系统。
⑥前端应用层：系统应用场景分为河湖长主要使用移动端App，河湖长办主要使用PC 端的WEB 网站，社会公众主要使用微信小程序，委办单位主要使用PC 端的WEB 网站。
3.系统流程
（1）系统数据流程
河湖长制管理信息系统的数据来源包括各类传感器数据、航空遥感数据、卫星遥感数据、河长移动端获取的数据及已有系统产生的数据，各类数据进入河长数据处理中心进行处理、存储、管理及发布，为系统提供业务数据支撑，河长数据共享服务平台实现了与底层的数据中心资源的信息交互，为上层河长管理应用系统中的各项业务系统提供部署环境和业务构件。系统的数据流程如图3。
图3 河湖长制管理信息系统数据流程
（2）系统业务流程
河湖长制管理信息系统的业务（事件）处理流程以大网格为基础，即乡镇（街）级的行政区域为河长责任范围。主要流程为发现问题—数据传输—反映问题—信息平台—相关部门—现场处理—信息反馈—公开公示。河湖长制管理业务受理事件来源是多方位的，包括已有信息系统、河长版App、微信公众号、巡河上报、公众举报、执法监管上报、遥感监测（卫星、无人机）等手段，根据发现问题的不同来源其业务处理流程也不同。河湖长制业务流程如图4。
图4 河湖长制管理信息系统业务流程
4.遥感监测工作模式
遥感对地观测技术监测范围大、周期短、获取信息速度快、信息量大，可以获取多尺度、快速、宏观、动态的数据。遥感水利综合应用系统充分发挥卫星遥感技术的优势，面向河长六大任务与职责，利用卫星资源包括高分系列、资源系列、高景一号、委遥一/二号、天绘一号、风云系列等卫星标准影像数据，为河湖长制监测提供空间分辨率0.5~16 m、月/季/年不同时相的水资源生态环境管理、水环境监测、水土保持、水利工程监测、防汛抗旱卫星遥感监测专题图，提供违法程度监测报告、评价分析，作为处置决策依据。通过遥感监测的多项水质指标，进行水质分类及富营养化程度判定，结合环境保护、水环境管理等专业知识，对流域生态修复及保护进行科学、准确的指导。遥感水利综合应用业务流程如图5 所示，可用遥感卫星监测内容及星源分析见表1。
图5 遥感在水利监测领域中工作模式
表1 水利应用遥感卫星星源分析
5.系统角色配置
河湖长制管理信息系统以移动办公终端与公众服务终端为入口，各地联络员为协调，河长为主线，依托基层村级河长、工作人员与职能部门对事件的快速响应，完成事件上通下达处理流程。基层巡河人员利用办公终端进行巡河，公众利用公众服务移动端进行监督，都将信息上报至“河长一张图”GIS 管理系统WEB 端，管理人员进行派单、流转、督办等操作，详见图6。
图6 河湖长制管理信息系统角色配置设计
6.组件拓扑关系
河湖长制管理信息系统组件拓扑设计，见图7。
图7 河湖长制管理信息系统组件拓扑设计
信息采集与接入：主要由网络摄像机（监视排污口、水利设施与工程、水质监测站）、水质监测传感器、水位监测传感器、水体取样装置以及区域遥感数据中心组成，负责水利数据和遥感数据的采集。
网络链路：负责将采集数据传输到河长数据处理中心，对外发布水利监测信息产品，支撑应用系统和共享服务平台。链路主要分为两种，即有线传输和无线传输。
河长数据处理中心：作为整个系统数据中心，负责为各个应用系统提供硬件支撑环境、数据存储空间以及网络安全防护。由网络连接设备（VPN、路由器、交换机等）、网络安全设备（防火墙）以及各个应用服务器组成。
应用服务：负责河长业务信息发布、水利防汛信息发布等应用服务，推送到各级水利应用部门、会议指挥中心、用户移动端等。
基于高分遥感技术的河湖长制管理信息系统集成河湖信息、河长信息、实时动态监测数据（水位、水质等）、实时视频、无人机数据、遥感数据等，构建动态治水、管治合一的综合河道监督治理平台。系统基于“GIS 一张图”展示进行大数据分析，形成具有特色的天空地一体化河长监管模式，大力推进以卫星遥感应用为特色的河湖长制相关工作，实现对河湖长制的精准管理、动态监控和高效维护，提高河道业务管理能力和对外服务能力。
系统通过顶层设计消除信息孤岛，以河湖长制为平台加强部门间联动，可有效解决涉水管理职能分散、交叉的不足，形成河湖管理保护合力，确保业务流程统一、数据完整，支持省、市、县（市、区）、乡（镇）四级管理，满足河长制管理者、各级河长、社会公众等多类用户的需求，具有“ 看得见”“叫得应”“用得好”的特点。
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