第1章绪论
1.1南水北调中线工程基本情况
南水北调中线工程是一项跨流域、跨多省市的长距离特大型调水工程，南起汉江下游湖北丹江口水库的陶岔引水闸，沿唐白河平原北缘、华北平原西部边缘，跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，沿途经过湖北、河南、河北三省，直达北京市的团城湖和天津市外环河[1]。南水北调中线干线工程的实施解决了北京市、天津市及河北省、河南省京广铁路沿线城市的供水问题，通过从南边调水至北京市、天津市及河北省、河南省京广铁路沿线城市，实现了水资源的合理配置，将南方的水资源优势转化为经济优势，协助华北平原国民经济与社会的可持续发展。
南水北调中线工程主要供水对象为北京市、天津市及河北省、河南省京广铁路沿线城市，要实现的目标是满足城市生活、工业、生态环境等用水需求[2]。南水北调中线工程是一项伟大的具有挑战的重大战略工程，不仅解决了华北平原缺水问题，缓解了华北平原严重缺水现状，而且对其经济社会的可持续发展起到了决定性的推动作用。
南水北调中线一期工程以2010年为规划水平年，供水目标以北京、天津、河北、河南、湖北等省（直辖市）为主，受水区土地面积约15万km2，主要供水范围为北京市，天津市，河北省的邯郸、邢台、石家庄、保定、衡水、廊坊6个省辖市及14个县级市和65个县城，河南省的南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、安阳、濮阳11个省辖市及7个县级市和25个县城[3]。
调水工程通常会给流域范围内的水资源和水环境的自然地理分布带来一定影响，使其生态环境发生一定变化。反过来，水源区及干线沿线生态环境又会改变调水水质。南水北调中线工程自通水以来年均调水量95亿m3，已成为受水区重要的供水水源。南水北调水源供水量已占北京市城区自来水厂日供水量的70%，占天津市自来水厂日供水量的100%，其中水质安全问题尤为重要。在工程运行过程中，及时动态地了解和掌握南水北调中线工程水源区、干线及沿线所在区域的生态环境等变化情况，是保障工程健康运行的基本前提。国家和相关部门出台了《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十四五”规划》《重点流域水污染防治规划》《南水北调中线一期工程干线生态带建设规划》《南水北调工程供用水管理条例》等多个法规政策，以加强生态环境保护工作。
1.2遥感信息技术现状与趋势
1.2.1技术现状
1.遥感影像处理技术
随着航天遥感技术的蓬勃发展，利用卫星遥感影像生成的底图被广泛运用于不同领域进行分析、应用和参考。高分辨率卫星遥感影像具有高分辨率和位置信息准确的特点，因此在应急测绘、水利行业监管、生态环境保护等方面发挥了巨大的作用[4]。
卫星遥感影像处理流程一般包括几何校正、影像融合、匀光匀色、镶嵌处理等环节。从卫星遥感影像中提取信息，要把遥感影像投影在某一固定的参照系统中并修正原始影像所存在的几何变形，这一过程便是几何校正。几何校正是指通过不同的算法去纠正和除去遥感影像成像时，由摄影材料变形、物镜畸变、大气折光、地球*率、地球自转、地形起伏等因素导致的影像上要素几何位置、形状、尺寸、方位等方面的偏差。通过几何校正后的影像可以准确地对地物之间的距离、多边形的面积实施量测，通过叠加其他空间数据可以开展空间分析[5]。
2.遥感影像分类与识别技术
遥感技术应用的前提是对遥感影像的理解，即将遥感影像作为基本信息源，结合不同学科领域的应用需求，对影像进行分析和识别，提取出感兴趣的对象信息。遥感影像分类识别的方法主要有目视判读和计算机自动分类两种方法。目视判读是根据判读标志
（影像特征）进行综合分析、对比，判读识别地物的属性及其分布的位置。但是判读区域较大、影像数量较多、成像时间不同，将引起影像灰度的变化，从而影响判读标志样本的精确性。目视判读的局限性不仅在于精度相对较低，效率不高，而且依赖参与解译分析人员的主观因素，在很大程度上不具备重复性。近些年来，遥感影像的计算机自动分类技术得到广泛研究。遥感影像的自动分类识别方法的本质是利用计算机作为工具来模拟人类的感知识别技巧，对反映地球表面形态的遥感影像进行分类和识别，并转换成不同的信息类型，从而实现从遥感影像信息中识别并提取有效信息。
3.新一代3D-GIS技术
在水利水电行业，三维地理信息系统（3D geographicinformation system，3D-GIS）已广泛地应用于流域管理及水工程建设管理。通过结合应用建筑信息模型（building information model，BIM）和3D-GIS技术，针对流域开发管理所关注的重点对象进行建模、标记和展示，可对所关注的重点对象的相关信息进行查询与分析。通过动态演示等功能，创造出沉浸式的辅助管理和决策支持虚拟现实仿真环境，可为流域开发管理者提供决策、会商及日常辅助管理等方面的技术支持。
在水工程建设管理方面，以BIM为基础，根据工程建设管理过程中不同阶层对象的需求，对不同的关注对象进行质量、进度、投资、工程量等工程建设管理数据和关键工序的实时监控数据采集，基于3D-GIS+BIM平台直观展现工程进度、计划、质量相关信息，可为工程建设精细化管理提供决策信息支持。
1.2.2发展趋势
现代遥感技术起源于20世纪60年代，1972年美国**颗陆地卫星的发射，标志着航天遥感时代的开始。我国卫星遥感应用起步于20世纪70年代末，经过数十年的发展，我国遥感事业取得了长足进步，风云气象、海洋、中巴资源、环境减灾、高分等国家卫星系列，以及北京一号、高景一号、吉林一号、珠海一号等众多自主遥感卫星的成功发射，标志着我国遥感事业已迈入****行列。
近些年，随着测绘与GIS技术的发展，遥感技术作为获取地理空间信息的重要手段得到快速发展，在空间感知与监测方面应用越来越广泛[5]，在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率方面，都获得了很大程度的提升，呈现“三高”新特征。例如，民用卫星的空间分辨率已突破0.25m，接近军用的*高水平；连续成像的光谱分辨率已实现纳米级，而非成像系统的分辨率更是高达亚纳米；地球同步凝视型卫星，已实现在一定范围内的时间分辨率能达到分钟甚至秒级；合成孔径雷达不再受云雾的限制，雷达的高精度编队运行提高了三维立体观测能力，将监测地表形变变成可能；激光雷达的应用，为更高精度的地形测量奠定了基础[6]。
无人机出现于1917年，早期主要应用在军事上作为靶机，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通信技术的快速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器不断升级，无人机的性能也不断提高，其应用领域逐渐扩大。目前，全世界已研发的不同性能类型和应用领域的无人机已有上百种，其续航时间从一小时提高到几十小时，载荷量也从几千克提高到几百千克，从而为实现时间长、距离远、范围广的遥感监测任务提供了技术支撑，其搭载各类不同传感器也为完成更多领域的任务创造了有效条件[7]。
我国在低空无人机遥感技术方面进行的研发已有二十余年的时间。无人机遥感技术具有成本低、操作简单、快速灵活、实时性强、可扩展性强以及高分辨率成像等优点[8]，可作为卫星遥感技术的有效补充，已成为遥感数据获取的重要手段之一。它能够高效高速地获取实时、多方位、高分辨率的遥感影像信息，及时有效地处理各种突发事件，可以在短时间内迅速获取目标范围内的有效信息，为决策分析和措施抉择提供直接高效的参考依据[7]。
自20世纪80年代后，我国将遥感技术引入水利事业中来，利用遥感技术研究河流特性、监测河道变化、预测河道发展趋势；除此以外，在水利规划、航道开发以及防灾减灾等方面，遥感技术的应用也带来了巨大的经济效益和显著的社会效益[9]。近些年来，天空地协同监控体系在水利监管领域不断发展，在长江流域中的防汛应急、水政执法、库容复核、水土流失动态监测、丹江口库区地质安全问题遥感调查与监测等多方面得到广泛应用。
1.3南水北调中线工程遥感信息技术思路
1.3.1目标与内容
为保障南水北调中线运行期的工程安全，本书围绕南水北调中线工程重点关注的水源区丹江口水库、陶岔渠*枢纽工程、南水北调干渠沿线以及沿线重点城市地区等区域，综合运用遥感信息技术开展生态环境监测、水政执法与监管以及三维可视化信息管理等方面的应用研究，具体研究内容如下：
（1）研究遥感图像处理、遥感解译、遥感制图、三维可视化与集成等信息技术原理与方法，为面向南水北调中线工程开展遥感监测应用研究奠定理论基础。
（2）研究基于高分辨率精准遥感监测的污染源动态监测技术体系与应用实践，包括动态监测南水北调中线水源区水面污染源网箱养殖变化情况以及南水北调中线干线工程重点区域的点源污染和排污口变化情况。
（3）研究基于不同遥感解译方法的土地利用遥感监测技术体系与应用实践，一方面是基于人工目视解译方法进行丹江口水库消落地现状调查；另一方面是基于面向对象的决策树分类法进行水源区9.52万km2的土地覆被变化监测。
（4）研究基于高分辨率遥感影像监测的南水北调中线干线沿线生态带建设情况，并对干线生态带建设情况进行评价。
（5）以丹江口库区为例，研究基于无人机与卫星遥感协同监测的违法建设项目水政执法监管技术体系，包括卫星遥测监控、无人机调查取证、遥感遥测监控系统建设。
（6）基于以上各专项遥感监测成果，研发南水北调中线水源区及干线沿线生态环境遥感解译数据管理系统，为南水北调中线水源区及干线沿线生态环境现状评估提供数据管理与展示的平台。
（7）以南水北调中线陶岔渠*为例，研究陶岔渠*三维可视化平台，直观展现工程布置及其关系，更直观、形象地展现各类监测数据及其变化趋势，展现异常监测物理量与原因量之间的关系，揭示工程建筑物的性状变化。
（8）基于南水北调中线工程的多时序地理数据，研发南水北调中线干线工程自动化调度与运行管理决策支持系统三维仿真系统，简称“数字中线系统”，建立中线工程地理数据（包括基础地理数据和工程专题地理数据）的标准化数据库，提供公共的基础地理服务。
1.3.2总体技术路线
本书针对南水北调中线工程水源区、陶岔渠*枢纽区、干线沿线等不同区域环境监测的不同要求，围绕确保南水北调中线干线供水安全的总体目标，综合运用航天航空遥感技术，采用内外业相结合的遥感监测方法，构建水面污染、点源污染、生态带、土地利用/覆被、涉河违法项目等信息获取、处理、存储、分析和应用为一体的生态环境、土地利用、水政执法遥感动态监测技术体系，为中线运行期干线生态环境遥感监测提供合理化建议。
总体思路是*先采集多时序高分辨率的遥感影像数据并进行处理得到正射影像图；其次结合解译目标的影像特征和外业调查结果，建立遥感目标解译样本库；*后根据不同需求，采用合适的遥感解译方法进行目标提取。对于水面网箱养殖、点源污染、生态带、土地利用、涉河违法建设项目等精细目标，则采用室内人工精细解译，对于大范围土地覆被变化的宏观监测需求，则采用影像自动分类方法，并结合其他相关资料对遥感影像进行综合解译；基于已有前期成果和多期监测数据进行统计对比分析，并编制南水北调中线水源区及干线生态环境变化分析专题图件和成果分析报告。对于水政执法监管中关注的涉河违法建设项目，通过卫星遥感监测目标，制作调查底图，结合无人机现场调查与取证，研发水政执法遥感遥测监控系统并进行有效管理。
为了便于对多时序多类型的数据成果进行科学管理，研发相应的南水北调中线工程生态环境监测数据管理系统；同时基于三维可视化建设与集成技术，构建陶岔渠*和南水北调邓州管理处倾斜实景三维模型、地形地质模型、建筑物模型、安全监测设备模型；实现从宏观的管理区域地形地貌、工程地质、监测设备分布，到微观的建筑物结构、监测部位、安全监测
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