基于高分二号数据的湖南省十大水库网箱围栏养殖分布遥感调查

贺秋华，邹 娟，余姝辰，李长安，余德清

(1.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074；2.湖南省遥感中心，湖南 长沙 410007；3.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410007)

随着十八大提出生态文明建设战略，从中央到地方越来越重视生态环境的保护，人们越来越向往美好物质生活。水域作为一种天然存在的地表覆盖类型，在水域中进行围网养殖曾是人们利用自然资源的一种方式和途径，也是部分民众的生活经济来源。但其也存在不利的一面，水产养殖会造成水体中溶解氧含量下降、氮磷总量增加、水质污染等影响水域环境的问题[1]。由于自然地理条件的原因，大部分天然水域都分布在植被树木茂盛的区域，也由于其特殊的地理分布，导致对天然水域中的非法围网养殖缺乏有效的监管。遥感信息具有覆盖面积大、重访周期短、数据丰富、现势性强等特点，可为内陆和沿海等水产养殖空间信息的调查提供有效、快捷的手段[2]。

近年来，遥感技术在畜牧部门特别是水产养殖的时空分布研究方面得到了广泛的应用。如文献[3]利用Landsat 8数据提取山东桑沟湾养殖海域和福建三都澳养殖海域养殖区；文献[4]基于SPOT影像提取山东省荣成市黑泥湾及其北部海域筏式养殖区空间分布；文献[5]运用波段运算方法提取烟台市的邻近海域的水产养殖区；文献[6]运用Landsat卫星序列遥感数据分析了东山湾网箱养殖和延绳式养殖两种海水养殖类型的时空变化。由于上述研究中多采用低于5 m分辨率的卫星影像，仅能获取养殖区的大致范围且调查结果不够精细，从而在分析水产养殖的时空分布规律时有一定的空间局限性，且大多集中在近海域的养殖区的空间分布和变化研究。因此，本文结合遥感与GIS技术，以高分二号卫星遥感影像为数据源，开展湖南省十大水库等内陆水域的网箱养殖的空间分布，为湖南省委省政府《关于规范水库渔业利用加强水库水质保护意见》等方案的实施提供基础数据和技术支持。

1 研究区域概况

根据湖南省第一次水利普查成果，湖南省境内有大大小小水库14 000多个。本文以《全省部分大型水库养殖污染治理专项工作实施方案》中纳入养殖污染治理的10座大型水库为代表作为研究区域，具体包括水府庙水库、铁山水库、官庄水库等3座饮用型水源水库和柘溪水库、五强溪水库、皂市水库、蟒塘溪水库、托口水库、江垭水库、黄石水库等7座非饮用型水源水库。由于这10个水库中有3座为下游的饮用水水源，投肥投饵养殖对水质产生了严重的影响，湖南省政府决定对这些重点库区水域内的网箱围栏养殖进行退出，并给予一定的补助资金。因此需对上述水域范围内的网箱养殖的数量和占地面积开展摸底调查。

2 数据来源

2015年发射的高分二号卫星是高分辨率对地观测系统重大专项中为满足应用亟需和替代进口而规划的遥感卫星，是迄今为止中国研制的空间分辨率最高的民用低轨遥感卫星，多光谱影像分辨率为3.2 m，全色影像分辨率为0.8 m[7]。由于其具有优于1 m的分辨率及在一定范围内的免费使用的优势，高分二号卫星自发射以来，已在土地利用动态监测[8-11]、生态环境保护[12-14]、地质灾害研究[15,16]等方面发挥了重要的作用。由于只提取水库中分布的网箱的数量和占用的面积，因此对影像获取的时间不作特殊要求，影像获取时间为2018年1月—2018年7月，共涉及20景高分二号影像数据。

3 研究方法

3.1 影像数据处理

研究中利用ENVI 5.2对高分二号数据进行预处理，包括正射校正、影像配准、影像融合等。正射校正利用的参考影像为湖南省不动产统一登记基础数据库建设中1∶2000的0.2 m正射影像，误差控制在1个像素以内。影像按照R(3波段)、G(2波段)、B(1波段)进行真彩色合成。

3.2 网箱养殖信息提取

由于制作围箱的材料比较细，不到20 cm宽，一般情况下，单独的一个网箱长和宽分别为10 m左右。单个的网箱效益低，且分散的网箱也增加了管理的难度，在实际中，往往由许多单个的网箱组合连接在一起形成网箱群，影像显示为“筛子网格”(如图1所示)，长度从40至500 m不等。在优于1 m的高分辨率遥感影像上可以很清楚地分辨出在每个网箱群中间或边缘建造的用于存放饲料或临时看护的小蓬房。在一个网箱群里，有的只有一处小蓬房，有的有好几处小蓬房，也有的是小蓬房连接在一起，面积从4～20 m2不等。

网箱养殖背景水体在真彩色多光谱影像上，呈现蓝绿色，在全色影像上，则呈现黑色或深灰色，与周边水域的色调一致。网箱的空间特征十分显著，其轮廓清晰、纹理均匀，网箱的边界也很明显。在经图像融合等处理后的影像上，根据地物的色调、大小、形状和纹理等特征建立网箱解译标志，采用人机交互目视解译的方法对网箱进行提取，利用ArcGIS 10.2软件进行统计分析，制作网箱分布专题图。

4 结果与分析

4.1 十大水库网箱养殖数量

根据遥感影像反映的网箱养殖区自然分布状态，影像获取时间段内十大水库的水面共有养殖网箱1117处，养殖面积为1.53 km2(如图2所示)。

从数量上来看，影像获取时间段内柘溪水库中网箱数量最多，达515处，其次是江垭水库和五强溪水库，最少的为官庄水库，水库中无网箱养殖。相对应的，柘溪水库中网箱的面积也是最大的，占到十大水库中的37.78%。

从面积上来看，网箱数量多，相应的网箱的面积也较大。根据湖南省第一次水利普查的水库面积(常水位下)，网箱面积占水库面积的比重最高的为江垭水库，达1.06%；其次是蟒塘溪水库，为0.55%。

4.2 十大水库网箱养殖空间分布特征

(1)绝大部分网箱沿距水库边缘一定距离分布(如图3所示)，只有极个别水库，如铁山水库中的两处网箱养殖位于水库中央。这种网箱分布布局，一方面是为了便于管理，另一方面也是为了保证在水位降低时有一定的水深。

(2)从十个水库的网箱数量规模来看，相对于沿海区域的网箱养殖[17-19]，内陆水域中网箱养殖的数量规模低，占用面积少。

(3)与河流相连通的水库中的养殖网箱大都顺着河道走向分布，且顺着河道走向的网箱群呈长条形，如蟒塘溪水库中的养殖网箱分布(如图4所示)；河道转弯处的养殖网箱则分布在水流较缓背水一侧的水域。

(4)除顺着河道方向分布外，还有部分养殖网箱分布在水库周边的港汊里，如五强溪水库养殖网箱分布(如图5所示)。

(5)养殖网箱的分布也从侧面反映了水产养殖的管理和当地社会经济的发展。如水府庙，位于双峰县境内的水域中则集中分布较多的网箱，而位于湘乡市境内的水域中的养殖网箱则处于零散分布状态(如图6所示)。

4.3 水库网箱养殖氮、磷排放量估算

从遥感影像上看到的存放饲料的小蓬房和水库周边交通状况可知，网箱养殖主要靠投放饵料，因此可以视为氮源与磷源，按如下公式来估算总氮(TN)和总磷(TP)排放量[6]

TNd=Ai×fN

(1)

TPd=Ai×fP

(2)

式中,TNd和TPd分别表示网箱养殖的氮、磷年排放量，单位为t·a-1；Ai为网箱养殖面积，单位为km2；fN和fP分别表示网箱养殖的氮、磷单位面积年排放量，单位为t·km-2·a-1。

文献[20]对南方典型山区水库网箱养殖周期过程中养殖废物排放量进行了研究。半年时间内3口12 m×12 m的网箱共收集到2.7 t的养殖废物，其中总磷占0.29%，总氮占0.47%。由于本文研究的水库对象与其研究对象的环境类似，因此可采用上述研究结果来计算氮、磷排放量。根据式(1)和式(2)估算网箱养殖的氮、磷单位面积年排放量分别为58.75和36.25 t·km-2·a-1，由此可以计算每个水库及总的氮、磷年排放量。

影像获取时间段内十大水库氮、磷年排放总量分别约为90.13和55.61 t。其中柘溪水库氮、磷年排放量最多，分别约为34.05和21.01 t；其次是江垭水库，氮、磷年排放量分别约为22.21和13.71 t。

5 结论和讨论

网箱养殖在高分辨率遥感影像上影纹特征明显，解译标志突出，可以借助遥感技术辅助开展水产养殖监测和生态环境保护行动。通过利用高分二号遥感影像开展湖南省十大水库网箱养殖调查可知，2018年影像获取时间段内十大水库水面共有养殖网箱1117处，养殖面积为1.53 km2。其中养殖网箱数量和面积最多的是柘溪水库，官庄水库无养殖网箱。影像获取时间段内十大水库氮、磷年排放总量分别约为90.13和55.61 t。其中柘溪水库氮、磷年排放量最多，分别约为34.05和21.01 t。

对于水库中网箱养殖的氮磷排放量的估算是根据晏军针对南方典型水库中氮磷排放的试验中的有关结论计算得出，未进行实际的测算。本文调查成果得到了畜牧部门的应用，为湖南省委省政府《关于规范水库渔业利用加强水库水质保护意见》等方案的实施提供了基础数据和技术支持。