基于遙感技術(shù)的國家環(huán)境敏感區(qū)飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)設(shè)計(jì)

· 文|環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心 初東 申文明 游代安 姚延娟 張雪

基于遙感技術(shù)的國家環(huán)境敏感區(qū)飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)設(shè)計(jì)

· 文|環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心 初東 申文明 游代安 姚延娟 張雪

根據(jù)飲用水源保護(hù)區(qū)等國家環(huán)境敏感區(qū)監(jiān)督管理工作的需要，基于遙感技術(shù)構(gòu)建國家環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查系統(tǒng)，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)查執(zhí)法、績效評估及國家敏感區(qū)的監(jiān)管。該系統(tǒng)建成后，將使得遙感信息處理解譯平臺的影像與矢量數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換為易理解、通用的標(biāo)準(zhǔn)形式。為環(huán)保部門開展飲用水源保護(hù)區(qū)水源安全應(yīng)急管理提供有力支撐。本文主要介紹的是該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)與思路。

遙感 飲用水源保護(hù)區(qū) 監(jiān)查系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

一、引言

根據(jù)飲用水源保護(hù)區(qū)等國家環(huán)境敏感區(qū)監(jiān)督管理工作的需要，為了進(jìn)一步提高環(huán)境管理的科學(xué)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)對飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)管工作業(yè)務(wù)化和常態(tài)化，基于遙感技術(shù)建成國家環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查系統(tǒng)，將能形成環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查技術(shù)支撐能力，完善環(huán)境敏感區(qū)監(jiān)查的天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，及時(shí)了解飲用水源保護(hù)區(qū)發(fā)生的違法開發(fā)建設(shè)活動情況，客觀評價(jià)飲用水源保護(hù)區(qū)建立以來的保護(hù)成效，支持國家環(huán)境管理部門開展環(huán)境監(jiān)查執(zhí)法、績效評估，提高對飲用水源保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)的監(jiān)管能力，加強(qiáng)我國對環(huán)境敏感區(qū)開發(fā)建設(shè)活動和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)管力度，為全面推進(jìn)生態(tài)保護(hù)和污染防治、保障生態(tài)安全和人民健康提供有效支撐。

二、 水源保護(hù)區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源遙感監(jiān)測評估業(yè)務(wù)需求

1.業(yè)務(wù)需求

根據(jù)2007年全國城鎮(zhèn)集中式飲用水水源地調(diào)查與評估結(jié)果，2007年，全國城鎮(zhèn)集中式飲用水源地總數(shù)為4002個(gè)，供水服務(wù)人口4.91億，占全國城鎮(zhèn)人口83%；年取水量717億噸。其中湖庫型水源地1090個(gè)，占27.2%，服務(wù)人口1.53億，年取水量326億噸；河流型水源地1243個(gè)，占31.1%，服務(wù)人口2.16億，年取水量291億噸；地下水型水源地1669個(gè)，占41.7%，服務(wù)人口1.22億，年取水量100億噸。

根據(jù)不同類型水源地保護(hù)區(qū)的特點(diǎn)，結(jié)合遙感技術(shù)的監(jiān)測能力，對湖庫型和河流型水源保護(hù)區(qū)進(jìn)行遙感監(jiān)測。利用高分遙感影像，對全國城鎮(zhèn)湖庫型和河流型水源地內(nèi)新增的風(fēng)險(xiǎn)源信息進(jìn)行提取。

根據(jù)湖庫型和河流型水源地保護(hù)區(qū)的特點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)源的不同、所在區(qū)域的特點(diǎn)，以及遙感影像的保障能力等，分步對不同區(qū)域的水源保護(hù)區(qū)進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源排查和監(jiān)測。

1）對全國113個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市的湖庫型和河流型水源保護(hù)區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行排查。從2005年開始，這113個(gè)城市就建立了水源地水質(zhì)月報(bào)制度，所以首先對這113個(gè)城市的水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)源識別。這類區(qū)域?qū)儆谶b感監(jiān)測重點(diǎn)地區(qū)，采用分辨率優(yōu)于2m的遙感數(shù)據(jù)，每年進(jìn)行2次重點(diǎn)監(jiān)測。

2）對東北三省和中部省份的湖庫型和河流型水源保護(hù)區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行排查，該地區(qū)為僅次于環(huán)保重點(diǎn)城市的經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)源分布也較為普遍。采用優(yōu)于5m的遙感數(shù)據(jù)，每年進(jìn)行1次重點(diǎn)監(jiān)測。

3）第三步，對西部各省的湖庫型和河流型水源保護(hù)區(qū)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行排查。該地區(qū)多為高山、高原、沙漠、戈壁、海洋，人口稀少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后，保護(hù)區(qū)內(nèi)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源相對較少，且變化不大。優(yōu)先采用5m左右分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展監(jiān)測，在5m數(shù)據(jù)難以保障的地區(qū)，采用10m分辨率遙感數(shù)據(jù)，每年進(jìn)行1次監(jiān)測。

根據(jù)以上水源保護(hù)區(qū)監(jiān)測與評估區(qū)域劃分和監(jiān)測周期，分別獲取所需分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行遙感影像的波段合成、圖像鑲嵌、圖像裁切、投影轉(zhuǎn)換、幾何精糾正等圖像預(yù)處理工作。

2.數(shù)據(jù)需求

根據(jù)2007年全國城鎮(zhèn)飲用水水源地基礎(chǔ)環(huán)境調(diào)查及評估結(jié)果，2007年，全國城鎮(zhèn)水源地湖庫型和河流型共計(jì)2333個(gè)。飲用水源一級和二級保護(hù)區(qū)面積9.8萬平方千米，約占國土面積的1.02%，其中一級保護(hù)區(qū)3.8萬平方千米，二級保護(hù)區(qū)6萬平方千米。飲用水水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)面積7萬平方千米，約占國土面積的0.7%。。

飲用水源保護(hù)一、二級保護(hù)區(qū)內(nèi)需要采用優(yōu)于2m的多光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源識別，水源地準(zhǔn)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)需要優(yōu)于10m的多光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源識別分析，初步估算每年開展一次飲用水源保護(hù)區(qū)遙感監(jiān)查，所需數(shù)據(jù)量約為2.5TB，運(yùn)行5年數(shù)據(jù)量13TB。遙感影像數(shù)據(jù)需求見表1所示。

表1 遙影像感數(shù)據(jù)需求

三、總體技術(shù)方案

國家環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)查系統(tǒng)建設(shè)按照應(yīng)用不同，可劃分為四個(gè)不同的層次，由下至上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層、訪問層，根據(jù)不同的應(yīng)用需求可以具有不同程度的復(fù)用和更新，同時(shí)通過數(shù)據(jù)的共享與交互與外部系統(tǒng)進(jìn)行對接，并供外部用戶訪問，圖1為系統(tǒng)總體技術(shù)路線圖。

>> 圖1 系統(tǒng)總體技術(shù)路線

四、飲用水源地保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

飲用水源地保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)是將遙感信息處理解譯平臺的影像與矢量數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換為易理解、通用的標(biāo)準(zhǔn)形式。不同的是，本分系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)資源與對象為水源地保護(hù)區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、遙感影像、解譯成果、核查信息等；同時(shí)，本分系統(tǒng)中的各個(gè)模塊也將針對飲用水源保護(hù)監(jiān)管的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行專門的開發(fā)。后續(xù)運(yùn)行的相關(guān)部門通過本分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對飲用水源保護(hù)區(qū)中風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)管核查。圖2為飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖。

>> 圖2 飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

本分系統(tǒng)按功能分為專題制圖模塊、報(bào)告編制模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、綜合查詢分析模塊、信息顯示與編輯模塊、聯(lián)動模塊、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出模塊。圖3為飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)模塊組成圖。

>> 圖3 飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)查系統(tǒng)模塊組成

（1）專題制圖模塊

主要包括加載數(shù)據(jù)、地圖標(biāo)注、地圖整飾和地圖輸出功能。主要啟用標(biāo)準(zhǔn)制圖工程模板文件，通過替換數(shù)據(jù)，標(biāo)注整飾，地圖輸出和打印，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像的制圖輸出功能。

（2）統(tǒng)計(jì)分析模塊

綜合應(yīng)用空間分析、地理信息分析和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)功能，基于位置信息和屬性信息，對不同的矢量圖層（如土地利用現(xiàn)狀圖）或數(shù)據(jù)庫內(nèi)的多批次多區(qū)域解譯信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、評估，并且可依據(jù)分析結(jié)果生成新的矢量數(shù)據(jù)。

（3）報(bào)告編制模塊

加載固定的報(bào)告模板文件，如標(biāo)準(zhǔn)word文檔或excel表格，連接數(shù)據(jù)庫，通過對數(shù)據(jù)的獲取與計(jì)算，自動生成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告；在此基礎(chǔ)上，允許用戶輸入矢量的可配置信息，結(jié)果保存為微軟office的標(biāo)準(zhǔn)格式。

（4）綜合查詢分析模塊

綜合查詢分析是根據(jù)需要，通過查詢解譯信息、飲用水源保護(hù)區(qū)信息的多種信息資源，對飲用水源保護(hù)區(qū)的解譯信息進(jìn)行綜合態(tài)勢分析。

查詢方式多樣化，可以基于地圖進(jìn)行點(diǎn)選、框選、圓選、多邊形選擇；也可以基于屬性進(jìn)行首字母檢索、模糊匹配、高級查詢等；也可以根據(jù)分類規(guī)則，進(jìn)行分類檢索。

查詢結(jié)果展示樣式多樣，可以在地圖上進(jìn)行展示，采用密度圖、分區(qū)設(shè)色圖、餅狀圖、柱狀圖等方式；也可以以查詢結(jié)果列表形式顯示。

（5）信息顯示與編輯模塊

該模塊對基礎(chǔ)地理信息、成果信息、解譯信息、專家知識、遙感影像、核查信息的顯示功能，對解譯信息和核查信息提供編輯修改功能。

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)多源多遙感影像瀏覽、輔助圖層管理、三維顯示等功能。

（6）聯(lián)動模塊

聯(lián)動模塊對現(xiàn)場核查的視頻、圖片等多媒體信息進(jìn)行組織管理，通過自動搜索人類地塊信息相關(guān)的多媒體信息并播放，提供直觀的、動態(tài)的多媒體資料。

所有多媒體資料是基于時(shí)間與地點(diǎn)進(jìn)行組織的，可以查看同一地塊不同時(shí)間的多媒體資料，也可查看同一時(shí)間不同地塊的多媒體資料。

（7）數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出模塊

將解譯信息、遙感影像、專題圖成果、報(bào)告表格、專家知識、核查信息等系統(tǒng)成果導(dǎo)入至成果數(shù)據(jù)庫，供本分系統(tǒng)查詢顯示與編輯。

能夠?qū)⑺璧某晒麛?shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為約定的格式與組織形式，為數(shù)據(jù)在內(nèi)業(yè)平臺與外業(yè)平臺的轉(zhuǎn)換和傳遞提供服務(wù)。

五、結(jié)論

該系統(tǒng)的建立能迅速、全面地獲取飲用水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源信息，客觀預(yù)警水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級，自動化水平高，在環(huán)保部飲用水源保護(hù)區(qū)綜合監(jiān)管方面有著良好的應(yīng)用前景，并且能逐步成為環(huán)保部每年開展的新建和調(diào)整的國家級自然保護(hù)區(qū)評審工作必不可少的技術(shù)支撐平臺，為環(huán)保部們開展飲用水源保護(hù)區(qū)水源安全應(yīng)急管理提供有力支撐。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)和成果的共享服務(wù)，該系統(tǒng)也將在支持地方各級環(huán)保部門開展相關(guān)工作和促進(jìn)公眾了解環(huán)保工作等方面發(fā)揮積極作用。