飲用水水源保護區(qū)高爾夫球場衛(wèi)星遙感監(jiān)察技術研究

姚延娟 劉思含 高彥華 王 晨

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094)

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飲用水水源保護區(qū)高爾夫球場衛(wèi)星遙感監(jiān)察技術研究

姚延娟 劉思含 高彥華 王 晨

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094)

飲用水安全是影響經濟發(fā)展、社會穩(wěn)定和人體健康的重要因素。快速準確地確定飲用水水源保護區(qū)內的高爾夫球場空間分布信息，以信息化手段輔助水源地安全現(xiàn)場檢查以提高監(jiān)查效能，是飲用水源地保護區(qū)環(huán)境監(jiān)察的關鍵。本文基于高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，首次提出了高爾夫球場遙感監(jiān)測分類體系，并構建高爾夫球場遙感監(jiān)測技術體系，實現(xiàn)基于衛(wèi)星遙感的水源保護區(qū)內高爾夫球場分布信息提取，以及對球場各組成要素的空間定位和面積計算?；谒吹乇Ｗo區(qū)現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)，實現(xiàn)了衛(wèi)星監(jiān)測的高爾夫球場空間分布信息、水源地保護區(qū)邊界信息、行走路線等現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等多源信息的現(xiàn)場業(yè)務集成與顯示，可為水源地保護區(qū)高爾夫球場現(xiàn)場監(jiān)察提供有效的數(shù)據(jù)與技術支持。

飲用水源；水源保護區(qū)；高爾夫球場；衛(wèi)星遙感

1 引 言

飲用水安全是影響經濟發(fā)展、社會穩(wěn)定和人體健康的重要因素，保障飲用水安全是維護廣大人民群眾根本利益的基本要求。黨中央、國務院高度重視飲用水安全保障工作。提供給千家萬戶的自來水質量與水源地提供的原水水質緊密相關，原水保護具有極佳的經濟效益和較小的生態(tài)風險，是飲水安全保障的基礎和關鍵所在，水源地保護對于保障飲用水安全具有重要意義?！度珖叵滤廴痉乐我?guī)劃》、《水污染防治行動計劃》等都將飲用水水源保護作為重點，對水源地環(huán)境管理工作明確了具體任務和要求。

水源地環(huán)境保護是一項復雜的系統(tǒng)工程，為從源頭上加大飲用水安全的保障水平，防治飲用水水源地污染、保證水源地環(huán)境質量，各級政府對為人民群眾生活供水水源的水源地劃定特殊保護的一定面積的水域和陸域即水源保護區(qū)。集中式飲用水水源地(包括備用的和規(guī)劃的)都應設置飲用水水源保護區(qū)；飲用水水源保護區(qū)一般劃分為一級保護區(qū)和二級保護區(qū)，必要時可增設準保護區(qū)。我國對于水源保護區(qū)范圍實施嚴格的環(huán)境監(jiān)管。水源保護區(qū)的劃定為水源地水質保護提供了基本保障，如何真正落實水源保護區(qū)內各項環(huán)保要求已成為水源地水質保護的工作重點。

《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國水污染防治法》都規(guī)定：禁止在飲用水水源保護區(qū)內設置排污口，禁止在飲用水水源一級保護區(qū)內新建、改建、擴建與供水設施和保護水源無關的建設項目；禁止在飲用水水源二級保護區(qū)內新建、改建、擴建排放污染物的建設項目；禁止在飲用水水源準保護區(qū)內新建、擴建對水體污染嚴重的建設項目。2015年4月發(fā)布的“水污染防治行動計劃(水十條)” 第(二十四)款要求“保障飲用水水源安全，要求依法清理飲用水水源保護區(qū)內違法建筑和排污口”。可能向飲用水水源地釋放有毒有害物質，造成飲用水水源水質惡化的污染源稱為水源地風險源[1，2]?！都惺斤嬘盟喘h(huán)境保護指南(試行)》要求對飲用水源地的風險源進行控制與管理，這就需要對水源保護區(qū)內的所有風險源進行全面調查，并將識別出的風險源建檔立案，一源一檔，實施分級分類動態(tài)管理，并及時更新有關信息。

高爾夫(GOLF)運動在20世紀傳入我國，高爾夫球是一項與大自然親密接觸的運動。隨著我國經濟的高速發(fā)展和改革開放的不斷深入，高爾夫球運動在我國迅速普及和發(fā)展。大量建設高爾夫球場有許多弊端，除了需巨額投資和占用大量寶貴土地之外，日常維護管理需要大量澆水，消耗寶貴的水資源，高爾夫球場綠化區(qū)(特別是草坪)在天氣干旱的季節(jié)需要大量水補充，生長期長、葉面積大、生長速度快、根系發(fā)達的草坪綠地，需水量更大；對北方缺水地區(qū)，高爾夫球場對水資源的消耗嚴重[3]。高爾夫球場對果嶺、發(fā)球臺場地的草種、草色要求極為嚴格，為使人工種植的草坪保持新綠，不長雜草，不生病蟲害，必須施用較多數(shù)量的化肥、農藥，所需化學藥品可多達50種[4，5]。通常一個標準的高爾夫球場草坪和樹木占整個球場面積的70%左右，所有的草坪和樹木都要人工進行養(yǎng)護，其中氮肥和磷肥，以及球場常用的多菌靈、百菌清、五氯硝基苯和吠喃丹等化肥和農藥通過球場的排水口流入附近的河流、水庫等水體中造成污染。大量施肥，噴灑殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等化學藥品，嚴重污染土壤，污染地表和地下水源。球場開業(yè)年限越長，其影響或者潛在威脅周邊水體環(huán)境的可能性越大[6]。此外，高爾夫球場同時存在破壞生態(tài)平衡、影響生物多樣性、降低生態(tài)承載力、影響城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定等生態(tài)風險。

水源保護區(qū)范圍大且具有空間分布的特點，完全基于地面調查手段對影響水質的風險源進行詳查的工作量巨大，而環(huán)境管理所需的動態(tài)持續(xù)更新則更為困難。占地面積大是高爾夫運動最基本的特點，目前有些高爾夫球場使用農藥殺蟲劑超標，有些球場建設在水源上游，對飲用水造成一定影響，高爾夫球場屬于高風險污染行業(yè)，環(huán)境安全隱患較大。準確、及時掌握飲用水源保護區(qū)內的占地面積巨大的高爾夫球場分布及動態(tài)變化是開展環(huán)境監(jiān)察的基礎，本文首先創(chuàng)建高爾夫球場的國產高分衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術體系，其次提出并開發(fā)基于移動端的水源地現(xiàn)場執(zhí)法技術支持系統(tǒng)[2]，為水源保護區(qū)內高爾夫球場的現(xiàn)場生態(tài)監(jiān)察提供技術支持，提高水源地高爾夫球場現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)察效率。

2 飲用水水源保護區(qū)高爾夫球場遙感監(jiān)測技術體系構建

由于高爾夫球場各組成要素空間尺度較小，開展高爾夫球場衛(wèi)星監(jiān)測需要基于高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行。在構建球場各組分遙感分類體系的基礎上，采用面向對象的信息提取方法，對高爾夫球場空間分布及動態(tài)變化進行衛(wèi)星遙感監(jiān)測；并通過移動端的水源地現(xiàn)場執(zhí)法技術支持系統(tǒng)，將球場空間遙感監(jiān)測結果應用于高爾夫球場現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)察。

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

高爾夫球場空間分布遙感信息提取以2 米空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù)源，本研究以GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，輔以SPOT5、ZY1-02C和ZY-3等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，參考Google Earth影像數(shù)據(jù)，所有空間數(shù)據(jù)的投影及后續(xù)制圖均采用Albers-Krasovsky等面積投影。高分一號衛(wèi)星(GF-1)是一顆高分辨率對地觀測應用衛(wèi)星，是高分辨率對地觀測系統(tǒng)國家科技重大專項的首發(fā)星，配置了2臺2米分辨率全色/8米分辨率多光譜相機和，4臺16米分辨率多光譜寬幅相機。高爾夫球場識別應用2米全色與8米多光譜相機數(shù)據(jù)，相機具體指標見表1所示，在對全色與多光譜數(shù)據(jù)大氣糾正、幾何糾正、影像融合的基礎上，進行專題信息提取。

表1 GF-1衛(wèi)星有效載荷技術指標

2.2 高爾夫球場遙感監(jiān)測分類體系構建

高爾夫球場分布示意圖如下，通常由發(fā)球臺、球道、果嶺、障礙區(qū)(沙坑、水池、河流、樹叢)、標志樹及其它功能性場所構成。

圖1 高爾夫球場分布示意圖

發(fā)球臺形狀多種多樣，以長方形，正方形、橢圓形為常見，另外還多用半圓形、圓形、S形、L形等。一般面積為30～150平方米，較周圍高0.3～1.0米，以利于排水并增加擊球者的可見性，表面為修剪過的短草。球道一般長為90～550米，寬30～55米不等，南北方面是較理想的方向。果嶺是高爾大球場的關鍵區(qū)域，每個果嶺的大小、造型、輪廓和周邊的沙坑都各具特色，果嶺草坪高度要求在5.0～6.4毫米之間，表面均勻，光滑。障礙區(qū)一般由沙坑、水池，樹叢組成，其目的是用來懲罰運動員的不準確擊球，沙坑一般占地面積為140～380平方米，有的沙坑可高達2400平方米左右，大多數(shù)18洞高爾夫球場有40-80個沙坑，根據(jù)打球需要和設計師的設計思想來確定；水池不僅是擊球的障礙，同時還可起到很好的造景作用。高爾夫球場中的標志樹是為使高樂夫球手在擊球時能夠計算出球落點的位置，常在距發(fā)球臺50、100、150、200碼(1碼=0.9144米)的位置上栽植，可在50、150碼處栽植單棵大樹或小樹，在100、200碼處栽植兩棵大樹或小樹，使擊球手容易判斷球落地的距離。除去上述涉及的方面以外，高爾夫球場一般還要包括練習場、會館以及休息亭等等。

根據(jù)高爾夫球場的構成及高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)可識別地表目標類別，構建高爾夫球場遙感監(jiān)測分類體系如表2所示。

表2 高爾夫球場遙感監(jiān)測分類體系

2.3 高爾夫球場衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術

不同空間分辨率遙感數(shù)據(jù)具有不同的光譜特征與空間紋理特征[7]，需要采用合適的分類方法才能達到需要的分類效果，傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計模式的方法與面向對象的分類方法及人工目視解譯方法都有各自的適用范圍[8-15]。本研究根據(jù)高爾夫球場分布遙感監(jiān)測所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點，采用面向對象的分類方法，在軟件分類的基礎上，加入人工判讀，開展研究區(qū)的高爾夫球場分布遙感監(jiān)測。

高空間分辨率遙感影像解譯結果具有較高可信度，常常是用來做實地驗證的替代方案。本研究基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展高爾夫球場分布信息提取工作，從理論上講，精度是得以保證，此外，我們針對隨機選擇幾類地物開展了分類算法精度驗證，從上述地表類型分類結果的實地驗證結果(見圖2)來看，解譯結果與實地情況一致，可以確定該研究的解譯結果真實可信。

注：左圖為全色與多光譜融合高分影像，空間分辨率為2m，右圖為實地照片圖2 高空間分辨率遙感影像與實地情況對比

2.4 水源保護區(qū)現(xiàn)場監(jiān)察技術

水源地環(huán)境監(jiān)察是在水源保護區(qū)現(xiàn)場進行的執(zhí)法活動，旨在督促和檢查相關法律法規(guī)以及管理制度措施的落實情況，與宏觀生態(tài)環(huán)境管理相比，飲用水源保護區(qū)環(huán)境監(jiān)察更為微觀、具體，強調“現(xiàn)場”和“處理”兩個概念。水源地生態(tài)環(huán)境監(jiān)察工作覆蓋范圍廣，存在專職監(jiān)察人員少以及監(jiān)察裝備落后等問題，嚴重制約了水源地生態(tài)環(huán)境監(jiān)察工作的深入開展，總體來看，我國水源地生態(tài)環(huán)境監(jiān)察仍處于起步階段，迫切需要利用高新技術提高現(xiàn)場執(zhí)法監(jiān)查效率。

現(xiàn)場執(zhí)法呈現(xiàn)顯著的“移動性”特征，移動執(zhí)法終端無疑是各級環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法人員的理想執(zhí)法工具，目前硬件技術的發(fā)展為移動執(zhí)法提供了條件。為提高水源保護區(qū)現(xiàn)場執(zhí)法監(jiān)查工作效率，我們開展了面向水源保護區(qū)現(xiàn)場環(huán)境執(zhí)法的任務要求和衛(wèi)星遙感應用需求分析，在此基礎上開發(fā)了水源保護區(qū)現(xiàn)場執(zhí)法監(jiān)查系統(tǒng)平臺，該系統(tǒng)平臺在利用衛(wèi)星影像提取飲用水源地保護區(qū)高爾夫球場空間分布的基礎上，結合平板電腦的出色便攜性，能夠迅速展現(xiàn)水源地保護區(qū)現(xiàn)場執(zhí)法所需要的空間信息。該平臺集成遙感技術、地理信息技術和定位技術，基于Android操作系統(tǒng)的平板電腦，將GPS導航定位功能、數(shù)碼相機拍照功能以及野外現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集錄入等功能有機整合，為水源地現(xiàn)場執(zhí)法監(jiān)查提供了全新技術手段[3]。

總體來看，基于平板電腦的飲用水源地現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速采集和“圖屬”一體化的業(yè)務集成，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的高爾夫球場分布信息及水源地保護區(qū)邊界[16]信息有機融合、應用于水源保護區(qū)現(xiàn)場監(jiān)查，同時采集現(xiàn)場信息信息，解決了以往水源保護區(qū)現(xiàn)場監(jiān)查目標性不強和目標位置不易確定等問題。

水源地現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)可以在現(xiàn)場巡查時，根據(jù)具體情況，進行位置信息、圖片信息及音頻信息的現(xiàn)場采集，該功能可以解決應急狀態(tài)的信息采集，對于現(xiàn)場執(zhí)法是非常必要的功能，圖3為水源地保護區(qū)高爾夫球場現(xiàn)場監(jiān)查信息采集工作界面。

圖3 水源地保護區(qū)高爾夫球場現(xiàn)場監(jiān)查信息采集工作界面

水源地現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)可以對現(xiàn)場巡查路線進行自動記錄，圖4就是現(xiàn)場行走路線記錄界面，通過固定時間間隔與確定距離兩種方式，對現(xiàn)場行走的路線進行記錄，后期可以對巡查路線進行導出分析等處理。

圖4 水源地風險源現(xiàn)場執(zhí)法軌跡示意圖

另外，該系統(tǒng)還可以在移動端查看基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的風險源信息，提前確定高爾夫球場現(xiàn)場檢查目的地，并且，現(xiàn)場巡查時，可以依據(jù)GPS定位，直觀明確的確定高爾夫球場分布與水源地保護區(qū)位置關系，進而對球場對水源地影響進行定性判斷，為現(xiàn)場決策提供技術支持。

目前，該系統(tǒng)平臺已經開始應用在環(huán)保部門開展的水源保護區(qū)高爾夫球場空間分布現(xiàn)場監(jiān)查工作中，系列應用實踐證明該平臺系統(tǒng)性能穩(wěn)定，解譯精度準確，獲取執(zhí)法信息快速可靠，為執(zhí)法人員提供了準確及時的信息服務，切實提高了水源地現(xiàn)場執(zhí)法的工作效率，可成為未來水源地保護區(qū)現(xiàn)場執(zhí)法必備的技術支撐平臺。

3 飲用水水源保護區(qū)高爾夫球場遙感監(jiān)測應用示范

本文以某飲用水源地保護區(qū)為應用示范區(qū)，通過對水源地保護區(qū)內高爾夫球場進行衛(wèi)星遙感監(jiān)測，并通過水源保護現(xiàn)場監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)，為環(huán)保部門高爾夫球場現(xiàn)場檢查提供數(shù)據(jù)與技術支持。圖5為高爾夫球場分布遙感監(jiān)測結果，從圖上可以看出，基于高分衛(wèi)星影像，球場主標志區(qū)、障礙區(qū)-沙坑、障礙區(qū)-水體、功能性場所-會所等球場空間分布均可以通過遙感解譯進行識別和監(jiān)測，獲取球場各區(qū)域的空間分布可以有效引導環(huán)境執(zhí)法人員的高爾夫球場現(xiàn)場檢查工作。圖6為高爾夫球場分布與飲用水源保護區(qū)空間關系示意圖，由圖可以看出，球場全部區(qū)域分布于飲用水源二級保護區(qū)范圍內，且距離水源地水體較近。圖7為水源保護區(qū)現(xiàn)場監(jiān)察技術的具體應用情況，首先基于高分衛(wèi)星影像獲取高爾夫球場空間分布信息，通過水源地現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)，將室內監(jiān)測信息帶到檢查現(xiàn)場，采集現(xiàn)場行走路線數(shù)據(jù)等新的信息，輔以水源地保護區(qū)邊界等進行多信息協(xié)同的綜合分析，為水源保護區(qū)范圍內的球場現(xiàn)場監(jiān)察提供有效的數(shù)據(jù)及技術支持。

圖5 高爾夫球場分布遙感監(jiān)測圖

圖6 高爾夫球場與水源保護區(qū)關系示意圖

圖7 高爾夫球場現(xiàn)場監(jiān)察技術示意圖

4 結論與展望

飲用水源地現(xiàn)場監(jiān)察工作中，除排污口等固定源類風險有“據(jù)”可查外，高爾夫球場等其它風險源常因為目標與位置不明確而使得對其開展環(huán)境監(jiān)察工作的可操作性差。本文探索了基于高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取水源保護區(qū)內高爾夫球場信息的技術方法，對球場主標志區(qū)、沙坑和水體等障礙區(qū)、會館和停車場等功能性場所等球場主要區(qū)域的面積、具體空間位置及其與水源地保護區(qū)相互關系進行了分析，并基于典型高爾夫球場內地表類型解譯結果，對所建立的技術方法進行了精度驗證，結果表明，本文所建立的面向飲用水源保護區(qū)高爾夫球場環(huán)境監(jiān)察的遙感解譯分類體系合理，提出的高爾夫球場遙感監(jiān)測技術方法可行，應用成效顯著，能夠有效支撐環(huán)保部門開展飲用水源保護區(qū)高爾夫球場環(huán)境監(jiān)察技法工作。

針對水源地監(jiān)察執(zhí)法移動性強的特征，提出了基于于平板電腦的水源地現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)平臺，綜合利用遙感信息、定位信息和地理空間信息，為解決實際水源地保護區(qū)現(xiàn)場監(jiān)察常遇到的 “目標及執(zhí)法點是否在保護區(qū)邊界內” 等問題提供了方法與思路。該系統(tǒng)平臺有效解決了水源地現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)察目標不明確及不易操作的難題，成為水源地及相關領域現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)察不可缺少的技術支撐，對于鞏固水源地生態(tài)建設成果，促進水源地生態(tài)環(huán)境質量改善具有重要的現(xiàn)實意義。此外，該成果也可為其他領域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)察提供思路與方法借鑒。

[1]《集中式飲用水水源地環(huán)境保護狀況評估技術規(guī)范》(HJ774-2015).

[2]姚延娟，吳傳慶，吳 迪，王雪蕾，殷守敬，馬萬棟，飲用水源地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)察技術研究，生態(tài)與農村環(huán)境學報，2013，29(5)：657-661.[3]江夏.保養(yǎng)草坪用水多播灑農藥污染重.環(huán)球時報，2002-08-01.

[4]US EPA.Background Report on Fertilizer Use.Contaminants and Regulations，1999.

[5]勞秀榮.現(xiàn)代草坪營養(yǎng)與施肥.第1版.北京：中國農業(yè)出版社，2002.

[6]常智慧.北京七家高爾夫球場地表水水環(huán)境狀況調查川.草地學報，2007(9)：56-58.

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[16]HJ/T 338—2007《飲用水水源地保護區(qū)劃分技術規(guī)范》.

Satellite Remote Sensing Supervision Technology Research of Golf Course in Drinking Water Source Protection Area

YAO Yanjuan GAO Yanhua LIU Sihan WANG Chen

(Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100094，China)

Safety of drinking water is an important factor that affects economic development，social stability and human health.There are two important issues for eco-environment supervision of the drinking water source protection.One is to determinate the spatial distribution of golf course in drinking water source protection area quickly and accurately.The other is to use the Information Technology for water source safety site inspection to improve the effectiveness of on-site monitoring.Based on the high spatial resolution satellite data and golf course supervision classification system of drinking water sources，the distribution information of golf course in the water source protection area and the spatial location and area of the various components of the golf course were also determined.Based on the on-site inspection system for drinking water source，The multi source information integration and display are realized，such as the spatial distribution information of the golf course from the remote sensing data，the boundary information of the Water source protection areas，and the walking route.The proposed method and system provides effective data and technical support for the field monitoring of the golf course in the water source area.

drinking water source；Water source protection areas；golf course；remote sensing

項目資助：國家自然科學基金(41271349)；高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(民用部分)(05-Y20A33-9001-15/17) 等課題資助

姚延娟，正高級工程師，研究為飲用水源地環(huán)境安全遙感監(jiān)測與評價

王晨，博士，工程師，主要從事流域生態(tài)環(huán)境遙感方面研究

X81

A

1673-288X(2016)06-0052-05

引用文獻格式：姚延娟 等.飲用水水源保護區(qū)高爾夫球場衛(wèi)星遙感監(jiān)察技術研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：52-56.