賀秋華，鄒 娟，余姝辰，李長(zhǎng)安，余德清

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074；2.湖南省遙感中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

隨著十八大提出生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略，從中央到地方越來(lái)越重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，人們?cè)絹?lái)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(lèi)型，在水域中進(jìn)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(jì)來(lái)源。但其也存在不利的一面，水產(chǎn)養(yǎng)殖會(huì)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(wèn)題[1]。由于自然地理?xiàng)l件的原因，大部分天然水域都分布在植被樹(shù)木茂盛的區(qū)域，也由于其特殊的地理分布，導(dǎo)致對(duì)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(shì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(lái)，遙感技術(shù)在畜牧部門(mén)特別是水產(chǎn)養(yǎng)殖的時(shí)空分布研究方面得到了廣泛的應(yīng)用。如文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(xiàn)[5]運(yùn)用波段運(yùn)算方法提取煙臺(tái)市的鄰近海域的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)；文獻(xiàn)[6]運(yùn)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(lèi)型的時(shí)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(xì)，從而在分析水產(chǎn)養(yǎng)殖的時(shí)空分布規(guī)律時(shí)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(hào)衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源，開(kāi)展湖南省十大水庫(kù)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(kù)漁業(yè)利用加強(qiáng)水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)意見(jiàn)》等方案的實(shí)施提供基礎(chǔ)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(kù)14 000多個(gè)。本文以《全省部分大型水庫(kù)養(yǎng)殖污染治理專(zhuān)項(xiàng)工作實(shí)施方案》中納入養(yǎng)殖污染治理的10座大型水庫(kù)為代表作為研究區(qū)域，具體包括水府廟水庫(kù)、鐵山水庫(kù)、官莊水庫(kù)等3座飲用型水源水庫(kù)和柘溪水庫(kù)、五強(qiáng)溪水庫(kù)、皂市水庫(kù)、蟒塘溪水庫(kù)、托口水庫(kù)、江埡水庫(kù)、黃石水庫(kù)等7座非飲用型水源水庫(kù)。由于這10個(gè)水庫(kù)中有3座為下游的飲用水水源，投肥投餌養(yǎng)殖對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，湖南省政府決定對(duì)這些重點(diǎn)庫(kù)區(qū)水域內(nèi)的網(wǎng)箱圍欄養(yǎng)殖進(jìn)行退出，并給予一定的補(bǔ)助資金。因此需對(duì)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(kāi)展摸底調(diào)查。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2015年發(fā)射的高分二號(hào)衛(wèi)星是高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)中為滿足應(yīng)用亟需和替代進(jìn)口而規(guī)劃的遙感衛(wèi)星，是迄今為止中國(guó)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(fèi)使用的優(yōu)勢(shì)，高分二號(hào)衛(wèi)星自發(fā)射以來(lái)，已在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[8-11]、生態(tài)環(huán)境保護(hù)[12-14]、地質(zhì)災(zāi)害研究[15,16]等方面發(fā)揮了重要的作用。由于只提取水庫(kù)中分布的網(wǎng)箱的數(shù)量和占用的面積，因此對(duì)影像獲取的時(shí)間不作特殊要求，影像獲取時(shí)間為2018年1月—2018年7月，共涉及20景高分二號(hào)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(duì)高分二號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括正射校正、影像配準(zhǔn)、影像融合等。正射校正利用的參考影像為湖南省不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中1∶2000的0.2 m正射影像，誤差控制在1個(gè)像素以內(nèi)。影像按照R(3波段)、G(2波段)、B(1波段)進(jìn)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(xì)，不到20 cm寬，一般情況下，單獨(dú)的一個(gè)網(wǎng)箱長(zhǎng)和寬分別為10 m左右。單個(gè)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(shí)際中，往往由許多單個(gè)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(zhǎng)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(gè)網(wǎng)箱群中間或邊緣建造的用于存放飼料或臨時(shí)看護(hù)的小蓬房。在一個(gè)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(lán)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(biāo)志，采用人機(jī)交互目視解譯的方法對(duì)網(wǎng)箱進(jìn)行提取，利用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制作網(wǎng)箱分布專(zhuān)題圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 十大水庫(kù)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(shí)間段內(nèi)十大水庫(kù)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(lái)看，影像獲取時(shí)間段內(nèi)柘溪水庫(kù)中網(wǎng)箱數(shù)量最多，達(dá)515處，其次是江埡水庫(kù)和五強(qiáng)溪水庫(kù)，最少的為官莊水庫(kù)，水庫(kù)中無(wú)網(wǎng)箱養(yǎng)殖。相對(duì)應(yīng)的，柘溪水庫(kù)中網(wǎng)箱的面積也是最大的，占到十大水庫(kù)中的37.78%。

從面積上來(lái)看，網(wǎng)箱數(shù)量多，相應(yīng)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(kù)面積(常水位下)，網(wǎng)箱面積占水庫(kù)面積的比重最高的為江埡水庫(kù)，達(dá)1.06%；其次是蟒塘溪水庫(kù)，為0.55%。

4.2 十大水庫(kù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖空間分布特征

(1)絕大部分網(wǎng)箱沿距水庫(kù)邊緣一定距離分布(如圖3所示)，只有極個(gè)別水庫(kù)，如鐵山水庫(kù)中的兩處網(wǎng)箱養(yǎng)殖位于水庫(kù)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(shí)有一定的水深。

(2)從十個(gè)水庫(kù)的網(wǎng)箱數(shù)量規(guī)模來(lái)看，相對(duì)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(kù)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(zhǎng)條形，如蟒塘溪水庫(kù)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(kù)周邊的港汊里，如五強(qiáng)溪水庫(kù)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(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)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(kù)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(kù)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(lái)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(xiàn)[20]對(duì)南方典型山區(qū)水庫(kù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖周期過(guò)程中養(yǎng)殖廢物排放量進(jìn)行了研究。半年時(shí)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(kù)對(duì)象與其研究對(duì)象的環(huán)境類(lèi)似，因此可采用上述研究結(jié)果來(lái)計(jì)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(jì)算每個(gè)水庫(kù)及總的氮、磷年排放量。

影像獲取時(shí)間段內(nèi)十大水庫(kù)氮、磷年排放總量分別約為90.13和55.61 t。其中柘溪水庫(kù)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(kù)，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(biāo)志突出，可以借助遙感技術(shù)輔助開(kāi)展水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)行動(dòng)。通過(guò)利用高分二號(hào)遙感影像開(kāi)展湖南省十大水庫(kù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖調(diào)查可知，2018年影像獲取時(shí)間段內(nèi)十大水庫(kù)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(kù)，官莊水庫(kù)無(wú)養(yǎng)殖網(wǎng)箱。影像獲取時(shí)間段內(nèi)十大水庫(kù)氮、磷年排放總量分別約為90.13和55.61 t。其中柘溪水庫(kù)氮、磷年排放量最多，分別約為34.05和21.01 t。

對(duì)于水庫(kù)中網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮磷排放量的估算是根據(jù)晏軍針對(duì)南方典型水庫(kù)中氮磷排放的試驗(yàn)中的有關(guān)結(jié)論計(jì)算得出，未進(jìn)行實(shí)際的測(cè)算。本文調(diào)查成果得到了畜牧部門(mén)的應(yīng)用，為湖南省委省政府《關(guān)于規(guī)范水庫(kù)漁業(yè)利用加強(qiáng)水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)意見(jiàn)》等方案的實(shí)施提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。