長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)長(zhǎng)時(shí)序時(shí)空演變遙感監(jiān)測(cè)

時(shí)燕，蘇濤，陸莉蓉

(1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008)

0 前言

湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖可以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。但高密度的圍網(wǎng)養(yǎng)殖會(huì)打破湖泊的生態(tài)平衡，破壞水生植物資源。一方面，圍網(wǎng)養(yǎng)殖剩余的餌料及魚(yú)、蟹排泄物會(huì)使水體中氮、磷的濃度增加，導(dǎo)致湖泊內(nèi)源污染；另一方面，由于圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)水生植物遭到破壞，使湖泊自凈能力降低，導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化加劇和水質(zhì)惡化，最終影響湖泊生態(tài)環(huán)境[2-9]。1982—2020年，長(zhǎng)蕩湖的水質(zhì)由Ⅲ類(lèi)變?yōu)榱英躅?lèi)，水體污染越來(lái)越嚴(yán)重[10-12]，其水質(zhì)治理與生態(tài)保護(hù)迫在眉睫[13-14]。及時(shí)掌握湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)的分布和時(shí)空變化，對(duì)湖泊水質(zhì)治理、水環(huán)境修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

依靠傳統(tǒng)的人工測(cè)量湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積的方法(主要是農(nóng)戶統(tǒng)計(jì)或通過(guò)帶GPS的船只沿圍網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量)耗時(shí)耗力，且很難掌握其分布動(dòng)態(tài)變化。與傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法相比，遙感監(jiān)測(cè)具有大范圍、連續(xù)、快速的優(yōu)點(diǎn)[15]。目前已有研究利用遙感影像開(kāi)展湖泊圍網(wǎng)提取和動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。在圍網(wǎng)區(qū)提取方法研究方面，大多是通過(guò)高分辨率遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。黃帥等[16]利用資源三號(hào)衛(wèi)星影像，采用梯度變換法，提取了陽(yáng)澄湖的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)；劉曉宏[17]利用資源三號(hào)衛(wèi)星影像，采用多特征分析法，提取了丹江口庫(kù)區(qū)的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)。在圍網(wǎng)區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面，大多是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)序的Landsat數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。楊英寶等[18]利用6景TM影像和3期衛(wèi)星航片，分析了1984—2003年?yáng)|太湖湖泊面積和圍網(wǎng)養(yǎng)殖的動(dòng)態(tài)變化；范亞民等[19]利用5景遙感影像，通過(guò)目視解譯和實(shí)地考察驗(yàn)證，分析了1979—2008年太湖圍湖利用和網(wǎng)圍養(yǎng)殖的動(dòng)態(tài)變化；管玉瑩等[20]利用8期Landsat遙感影像，采用目視解譯法和比值閾值法，提取高郵湖(含邵伯湖)圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)邊界，分析了1988—2015年的變化特征和影響因素。綜上，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大多是每隔3—5年選取1景影像，通過(guò)5或8年的數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展幾十年的長(zhǎng)時(shí)序變化趨勢(shì)分析，該方法缺乏代表性，且時(shí)間上不連續(xù)，使其不能準(zhǔn)確識(shí)別圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)變化的關(guān)鍵或準(zhǔn)確年份。

現(xiàn)以長(zhǎng)蕩湖為研究區(qū)域，以Landsat TM/OLI影像為主要數(shù)據(jù)源，以HJ-CCD影像為輔助，根據(jù)遙感影像的光譜信息和圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)的紋理信息，借助 ENVI和ArcGIS軟件，通過(guò)人機(jī)交互目視解譯的方法，提取了長(zhǎng)蕩湖1983—2020年的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)，研究和分析了38 a來(lái)的連續(xù)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，以期為湖泊水質(zhì)治理和圍網(wǎng)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)湖泊水環(huán)境健康和可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)蕩湖(31°33′— 31°40′N(xiāo)，119°30′— 119°37′E)位于常州市金壇區(qū)東南部，跨金壇、溧陽(yáng)兩地，北連長(zhǎng)江、西倚茅山、東接滆湖，是太湖流域第3大湖泊，為江蘇十大淡水湖之一。湖泊南北長(zhǎng)13.6 km，東西寬9.3 km，現(xiàn)有水域面積約85 km2，平均水深1.1～1.2 m，是集泄洪、灌溉、漁業(yè)養(yǎng)殖等多功能于一體的典型過(guò)水性、淺水草型湖泊，水產(chǎn)資源豐富。長(zhǎng)蕩湖地理位置及Landsat-8影像見(jiàn)圖1(Landsat-8影像波段組合方式為紅：波段6，綠：波段5，藍(lán)：波段4)。

圖1 長(zhǎng)蕩湖地理位置及Landsat-8影像

1.2 數(shù)據(jù)源時(shí)間及數(shù)據(jù)預(yù)處理

選用2種數(shù)據(jù)源，分別是Landsat(http://www.gscloud.cn/)系列衛(wèi)星和HJ-1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)(http://www.cresda.com/)，下載了1983—2020年共38景無(wú)云覆蓋的高質(zhì)量影像。由于Landsat-5 在2011年停止服務(wù)，Landsat-8在2013年發(fā)射，導(dǎo)致2012年無(wú)影像數(shù)據(jù)，而環(huán)境衛(wèi)星HJ-1B前4波段的光譜范圍與Landsat-5 TM基本一致且分辨率相同。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性，2012年選用HJ-1B衛(wèi)星采集的遙感影像作為數(shù)據(jù)源，獲取的影像信息見(jiàn)表1。

表1 獲取影像信息

1.3 網(wǎng)圍養(yǎng)殖解譯方法

2015和2016年長(zhǎng)蕩湖Landsat-8假彩色影像見(jiàn)圖2(a)(b)(Landsat-8影像波段組合方式為紅：波段5，綠：波段4，藍(lán)：波段3)。

圖2 2015和2016年長(zhǎng)蕩湖Landsat-8假彩色影像

由圖2可見(jiàn)，長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域比較集中，圍網(wǎng)的紋理信息在假彩色圖像上比較明顯。因此，在假彩色(近紅外波段、紅波段、綠波段)顯示的基礎(chǔ)上，根據(jù)圍網(wǎng)的形狀、紋理特征，對(duì)長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積時(shí)空分布和動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯。圍網(wǎng)提取的主要思路如下：首先根據(jù)研究區(qū)的矢量邊界對(duì)預(yù)處理之后的影像進(jìn)行裁剪，然后通過(guò)假彩色合成的方式得到圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域清晰的形狀、紋理信息，最后根據(jù)形狀、紋理特征對(duì)長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯。

長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖典型樣區(qū)示例及光譜特征見(jiàn)圖3(a)(b)(示例影像為假彩色影像)。

由圖3可見(jiàn)，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)形狀為規(guī)則的圍合四邊形，在空間上為鋪疊式分布，留有允許劃船進(jìn)入的維護(hù)通道。圍網(wǎng)的樁和邊附近常附著、滯留浮葉類(lèi)水生植物，在光譜上呈現(xiàn)出典型的植被光譜特征(紅波段B3反射率較低，近紅外波段B4反射率有明顯的抬升)，在假彩色影像上顯示為紅色的線狀地物。

圖3 長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖典型樣區(qū)示例及光譜特征

2 結(jié)果與分析

2.1 圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)空間分布

1983—2020年長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)空間分布見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，1983年無(wú)圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)，1984—1986年長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)范圍很小，都是無(wú)規(guī)則的零星分布；1987年開(kāi)始圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)范圍持續(xù)增加，從西部開(kāi)始，逐漸擴(kuò)展到南部、東部和北部；1999年圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)范圍達(dá)到最大，2000—2003年圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)范圍基本保持不變，此時(shí)遍布湖泊的周?chē)挥泻行臎](méi)有圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)。

圖4 1983—2020年長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)空間分布

2004年開(kāi)始拆除湖泊西北部的小部分圍網(wǎng)；2007年開(kāi)始拆除湖泊西部、中部的部分圍網(wǎng)；2009年開(kāi)始拆除湖泊西南部、東南部、東部的部分圍網(wǎng)；2016年湖泊北部的圍網(wǎng)全部拆除；2017年湖泊東南部、西部的圍網(wǎng)全部拆除，只剩下南部的圍網(wǎng)；2018—2020年長(zhǎng)蕩湖中心又多了幾個(gè)小圍網(wǎng)。

2.2 圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積變化

1983—2020年長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積年變化見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積變化可以分為7個(gè)階段。(1)無(wú)圍網(wǎng)期：1983—1986年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積<1 km2。(2)增長(zhǎng)期：1987—1999年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積持續(xù)增加，共增加64.19 km2，增幅為75.6%，年平均增加4.94 km2。其中，1987—1991年增加了17.26 km2；1992—1994年僅3年就增加了30.64 km2，是圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積增加最快的時(shí)期；1995—1999年增加了16.29 km2，1999年圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積達(dá)到頂峰，為64.84 km2，占整個(gè)湖泊面積的76.3%。(3)巔峰期：2000—2004年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積處于平穩(wěn)狀態(tài)，維持在62 km2左右。(4)下降期：2005—2011年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積持續(xù)減少，共減少32.33 km2,減幅為38%，年平均減少4.62 km2。其中，2005—2006年減少9.40 km2；2007—2008年減少2.21 km2；2009—2011年僅3年就減少了20.72 km2。(5)增長(zhǎng)期：2012—2013年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積共增加了12.65 km2，增幅為14.8%。(6)下降期：2014—2017年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積持續(xù)減少，共減少33.3 km2，減幅為39%。其中，2014—2015年減少了5.84 km2；2016—2017年僅2年就減少了27.46 km2, 是長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積減少最快的時(shí)期。(7)穩(wěn)定期：2018—2020年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積基本保持穩(wěn)定，約為8.5 km2。

圖5 1983—2020年長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積變化

3 討論

(1)長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)的時(shí)序變化與當(dāng)?shù)卣雠_(tái)的政策息息相關(guān)。長(zhǎng)蕩湖在20世紀(jì)80年代率先推行圍網(wǎng)養(yǎng)殖，1983—2020年，當(dāng)?shù)卣矊?duì)長(zhǎng)蕩湖進(jìn)行了4次圍網(wǎng)整治活動(dòng)，2004和2014年分別進(jìn)行了小規(guī)模的圍網(wǎng)整治活動(dòng)，2009和2016年分別進(jìn)行了大范圍的圍網(wǎng)整治活動(dòng)[21-22]。

2003—2005年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積減少可能與2004年的網(wǎng)圍整治有關(guān)，期間拆除圍網(wǎng)4.07 km2，這與解譯結(jié)果大致吻合。2008—2011年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積驟減，可能與金壇區(qū)政府2009年出臺(tái)的《2009年長(zhǎng)蕩湖網(wǎng)圍整治實(shí)施方案》有關(guān)，但2011—2013年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積增加，說(shuō)明后期網(wǎng)圍整治不到位。2014—2015年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積減少與2014年開(kāi)展的“長(zhǎng)蕩湖水源地保護(hù)網(wǎng)圍整治拆網(wǎng)清障工作”有關(guān)，長(zhǎng)蕩湖東北安置區(qū)的圍網(wǎng)全部拆除，與解譯結(jié)果相吻合。2015—2017年，長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積驟減，與金壇區(qū)政府2016年出臺(tái)的《2016年長(zhǎng)蕩湖網(wǎng)圍(捕撈)整治實(shí)施方案》有關(guān)。截至2017年，長(zhǎng)蕩湖東南部、西部的圍網(wǎng)全部拆除，這與《常州市金壇區(qū)長(zhǎng)蕩湖網(wǎng)圍(捕撈)整治實(shí)施方案》中的整治范圍相吻合。2017—2020年，長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積趨于穩(wěn)定，說(shuō)明2016年的圍網(wǎng)整治是富有成效的。2017年后，湖中心又多了幾個(gè)小圍網(wǎng)，未來(lái)長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)的變化情況還須進(jìn)行繼續(xù)研究。

(2)長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積與湖泊水質(zhì)有著密不可分的關(guān)系。根據(jù)江蘇省水資源公報(bào)和常州市水資源公報(bào)等文獻(xiàn)記載，1983—2020年，長(zhǎng)蕩湖水質(zhì)經(jīng)歷了“Ⅲ類(lèi)→劣Ⅴ類(lèi)→Ⅲ類(lèi)”的變化過(guò)程[23]。長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積的總體變化趨勢(shì)大致分為3個(gè)階段：①1983—1999年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積持續(xù)增加，17年內(nèi)共增加64.84 km2，增幅為99.7%；②2000—2004年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積相對(duì)穩(wěn)定，為60.88～64.84 km2；③2005—2020年，圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積波動(dòng)減少，16年內(nèi)共減少51.26 km2。由此可見(jiàn)，高密度的圍網(wǎng)養(yǎng)殖可能是造成湖泊水質(zhì)惡化的重要原因之一。

(3)由于長(zhǎng)蕩湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域集中分布且圍網(wǎng)的形狀、紋理信息在假彩色圖像上比較明顯。對(duì)于圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)集中分布的單個(gè)小型湖泊來(lái)說(shuō)，自動(dòng)解譯的復(fù)雜程度較高，因此采用目視解譯法更加快速、準(zhǔn)確。但若需要研究多個(gè)湖泊的圍網(wǎng)養(yǎng)殖變化情況，還須進(jìn)一步研究更加智能化的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)提取方法。