基于高分二號數(shù)據(jù)的湖南省十大水庫網(wǎng)箱圍欄養(yǎng)殖分布遙感調(diào)查

賀秋華，鄒 娟，余姝辰，李長安，余德清

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)，湖北 武漢 430074；2.湖南省遙感中心，湖南 長沙 410007；3.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南 長沙 410007)

隨著十八大提出生態(tài)文明建設戰(zhàn)略，從中央到地方越來越重視生態(tài)環(huán)境的保護，人們越來越向往美好物質(zhì)生活。水域作為一種天然存在的地表覆蓋類型，在水域中進行圍網(wǎng)養(yǎng)殖曾是人們利用自然資源的一種方式和途徑，也是部分民眾的生活經(jīng)濟來源。但其也存在不利的一面，水產(chǎn)養(yǎng)殖會造成水體中溶解氧含量下降、氮磷總量增加、水質(zhì)污染等影響水域環(huán)境的問題[1]。由于自然地理條件的原因，大部分天然水域都分布在植被樹木茂盛的區(qū)域，也由于其特殊的地理分布，導致對天然水域中的非法圍網(wǎng)養(yǎng)殖缺乏有效的監(jiān)管。遙感信息具有覆蓋面積大、重訪周期短、數(shù)據(jù)豐富、現(xiàn)勢性強等特點，可為內(nèi)陸和沿海等水產(chǎn)養(yǎng)殖空間信息的調(diào)查提供有效、快捷的手段[2]。

近年來，遙感技術(shù)在畜牧部門特別是水產(chǎn)養(yǎng)殖的時空分布研究方面得到了廣泛的應用。如文獻[3]利用Landsat 8數(shù)據(jù)提取山東桑溝灣養(yǎng)殖海域和福建三都澳養(yǎng)殖海域養(yǎng)殖區(qū)；文獻[4]基于SPOT影像提取山東省榮成市黑泥灣及其北部海域筏式養(yǎng)殖區(qū)空間分布；文獻[5]運用波段運算方法提取煙臺市的鄰近海域的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)；文獻[6]運用Landsat衛(wèi)星序列遙感數(shù)據(jù)分析了東山灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖和延繩式養(yǎng)殖兩種海水養(yǎng)殖類型的時空變化。由于上述研究中多采用低于5 m分辨率的衛(wèi)星影像，僅能獲取養(yǎng)殖區(qū)的大致范圍且調(diào)查結(jié)果不夠精細，從而在分析水產(chǎn)養(yǎng)殖的時空分布規(guī)律時有一定的空間局限性，且大多集中在近海域的養(yǎng)殖區(qū)的空間分布和變化研究。因此，本文結(jié)合遙感與GIS技術(shù)，以高分二號衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源，開展湖南省十大水庫等內(nèi)陸水域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖的空間分布，為湖南省委省政府《關(guān)于規(guī)范水庫漁業(yè)利用加強水庫水質(zhì)保護意見》等方案的實施提供基礎數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域概況

根據(jù)湖南省第一次水利普查成果，湖南省境內(nèi)有大大小小水庫14 000多個。本文以《全省部分大型水庫養(yǎng)殖污染治理專項工作實施方案》中納入養(yǎng)殖污染治理的10座大型水庫為代表作為研究區(qū)域，具體包括水府廟水庫、鐵山水庫、官莊水庫等3座飲用型水源水庫和柘溪水庫、五強溪水庫、皂市水庫、蟒塘溪水庫、托口水庫、江埡水庫、黃石水庫等7座非飲用型水源水庫。由于這10個水庫中有3座為下游的飲用水水源，投肥投餌養(yǎng)殖對水質(zhì)產(chǎn)生了嚴重的影響，湖南省政府決定對這些重點庫區(qū)水域內(nèi)的網(wǎng)箱圍欄養(yǎng)殖進行退出，并給予一定的補助資金。因此需對上述水域范圍內(nèi)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖的數(shù)量和占地面積開展摸底調(diào)查。

2 數(shù)據(jù)來源

2015年發(fā)射的高分二號衛(wèi)星是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項中為滿足應用亟需和替代進口而規(guī)劃的遙感衛(wèi)星，是迄今為止中國研制的空間分辨率最高的民用低軌遙感衛(wèi)星，多光譜影像分辨率為3.2 m，全色影像分辨率為0.8 m[7]。由于其具有優(yōu)于1 m的分辨率及在一定范圍內(nèi)的免費使用的優(yōu)勢，高分二號衛(wèi)星自發(fā)射以來，已在土地利用動態(tài)監(jiān)測[8-11]、生態(tài)環(huán)境保護[12-14]、地質(zhì)災害研究[15,16]等方面發(fā)揮了重要的作用。由于只提取水庫中分布的網(wǎng)箱的數(shù)量和占用的面積，因此對影像獲取的時間不作特殊要求，影像獲取時間為2018年1月—2018年7月，共涉及20景高分二號影像數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 影像數(shù)據(jù)處理

研究中利用ENVI 5.2對高分二號數(shù)據(jù)進行預處理，包括正射校正、影像配準、影像融合等。正射校正利用的參考影像為湖南省不動產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎數(shù)據(jù)庫建設中1∶2000的0.2 m正射影像，誤差控制在1個像素以內(nèi)。影像按照R(3波段)、G(2波段)、B(1波段)進行真彩色合成。

3.2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖信息提取

由于制作圍箱的材料比較細，不到20 cm寬，一般情況下，單獨的一個網(wǎng)箱長和寬分別為10 m左右。單個的網(wǎng)箱效益低，且分散的網(wǎng)箱也增加了管理的難度，在實際中，往往由許多單個的網(wǎng)箱組合連接在一起形成網(wǎng)箱群，影像顯示為“篩子網(wǎng)格”(如圖1所示)，長度從40至500 m不等。在優(yōu)于1 m的高分辨率遙感影像上可以很清楚地分辨出在每個網(wǎng)箱群中間或邊緣建造的用于存放飼料或臨時看護的小蓬房。在一個網(wǎng)箱群里，有的只有一處小蓬房，有的有好幾處小蓬房，也有的是小蓬房連接在一起，面積從4～20 m2不等。

網(wǎng)箱養(yǎng)殖背景水體在真彩色多光譜影像上，呈現(xiàn)藍綠色，在全色影像上，則呈現(xiàn)黑色或深灰色，與周邊水域的色調(diào)一致。網(wǎng)箱的空間特征十分顯著，其輪廓清晰、紋理均勻，網(wǎng)箱的邊界也很明顯。在經(jīng)圖像融合等處理后的影像上，根據(jù)地物的色調(diào)、大小、形狀和紋理等特征建立網(wǎng)箱解譯標志，采用人機交互目視解譯的方法對網(wǎng)箱進行提取，利用ArcGIS 10.2軟件進行統(tǒng)計分析，制作網(wǎng)箱分布專題圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 十大水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖數(shù)量

根據(jù)遙感影像反映的網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)自然分布狀態(tài)，影像獲取時間段內(nèi)十大水庫的水面共有養(yǎng)殖網(wǎng)箱1117處，養(yǎng)殖面積為1.53 km2(如圖2所示)。

從數(shù)量上來看，影像獲取時間段內(nèi)柘溪水庫中網(wǎng)箱數(shù)量最多，達515處，其次是江埡水庫和五強溪水庫，最少的為官莊水庫，水庫中無網(wǎng)箱養(yǎng)殖。相對應的，柘溪水庫中網(wǎng)箱的面積也是最大的，占到十大水庫中的37.78%。

從面積上來看，網(wǎng)箱數(shù)量多，相應的網(wǎng)箱的面積也較大。根據(jù)湖南省第一次水利普查的水庫面積(常水位下)，網(wǎng)箱面積占水庫面積的比重最高的為江埡水庫，達1.06%；其次是蟒塘溪水庫，為0.55%。

4.2 十大水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖空間分布特征

(1)絕大部分網(wǎng)箱沿距水庫邊緣一定距離分布(如圖3所示)，只有極個別水庫，如鐵山水庫中的兩處網(wǎng)箱養(yǎng)殖位于水庫中央。這種網(wǎng)箱分布布局，一方面是為了便于管理，另一方面也是為了保證在水位降低時有一定的水深。

(2)從十個水庫的網(wǎng)箱數(shù)量規(guī)模來看，相對于沿海區(qū)域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖[17-19]，內(nèi)陸水域中網(wǎng)箱養(yǎng)殖的數(shù)量規(guī)模低，占用面積少。

(3)與河流相連通的水庫中的養(yǎng)殖網(wǎng)箱大都順著河道走向分布，且順著河道走向的網(wǎng)箱群呈長條形，如蟒塘溪水庫中的養(yǎng)殖網(wǎng)箱分布(如圖4所示)；河道轉(zhuǎn)彎處的養(yǎng)殖網(wǎng)箱則分布在水流較緩背水一側(cè)的水域。

(4)除順著河道方向分布外，還有部分養(yǎng)殖網(wǎng)箱分布在水庫周邊的港汊里，如五強溪水庫養(yǎng)殖網(wǎng)箱分布(如圖5所示)。

(5)養(yǎng)殖網(wǎng)箱的分布也從側(cè)面反映了水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理和當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。如水府廟，位于雙峰縣境內(nèi)的水域中則集中分布較多的網(wǎng)箱，而位于湘鄉(xiāng)市境內(nèi)的水域中的養(yǎng)殖網(wǎng)箱則處于零散分布狀態(tài)(如圖6所示)。

4.3 水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖氮、磷排放量估算

從遙感影像上看到的存放飼料的小蓬房和水庫周邊交通狀況可知，網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要靠投放餌料，因此可以視為氮源與磷源，按如下公式來估算總氮(TN)和總磷(TP)排放量[6]

TNd=Ai×fN

(1)

TPd=Ai×fP

(2)

式中,TNd和TPd分別表示網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮、磷年排放量，單位為t·a-1；Ai為網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積，單位為km2；fN和fP分別表示網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮、磷單位面積年排放量，單位為t·km-2·a-1。

文獻[20]對南方典型山區(qū)水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖周期過程中養(yǎng)殖廢物排放量進行了研究。半年時間內(nèi)3口12 m×12 m的網(wǎng)箱共收集到2.7 t的養(yǎng)殖廢物，其中總磷占0.29%，總氮占0.47%。由于本文研究的水庫對象與其研究對象的環(huán)境類似，因此可采用上述研究結(jié)果來計算氮、磷排放量。根據(jù)式(1)和式(2)估算網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮、磷單位面積年排放量分別為58.75和36.25 t·km-2·a-1，由此可以計算每個水庫及總的氮、磷年排放量。

影像獲取時間段內(nèi)十大水庫氮、磷年排放總量分別約為90.13和55.61 t。其中柘溪水庫氮、磷年排放量最多，分別約為34.05和21.01 t；其次是江埡水庫，氮、磷年排放量分別約為22.21和13.71 t。

5 結(jié)論和討論

網(wǎng)箱養(yǎng)殖在高分辨率遙感影像上影紋特征明顯，解譯標志突出，可以借助遙感技術(shù)輔助開展水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境保護行動。通過利用高分二號遙感影像開展湖南省十大水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖調(diào)查可知，2018年影像獲取時間段內(nèi)十大水庫水面共有養(yǎng)殖網(wǎng)箱1117處，養(yǎng)殖面積為1.53 km2。其中養(yǎng)殖網(wǎng)箱數(shù)量和面積最多的是柘溪水庫，官莊水庫無養(yǎng)殖網(wǎng)箱。影像獲取時間段內(nèi)十大水庫氮、磷年排放總量分別約為90.13和55.61 t。其中柘溪水庫氮、磷年排放量最多，分別約為34.05和21.01 t。

對于水庫中網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮磷排放量的估算是根據(jù)晏軍針對南方典型水庫中氮磷排放的試驗中的有關(guān)結(jié)論計算得出，未進行實際的測算。本文調(diào)查成果得到了畜牧部門的應用，為湖南省委省政府《關(guān)于規(guī)范水庫漁業(yè)利用加強水庫水質(zhì)保護意見》等方案的實施提供了基礎數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。