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
随着党的十八大提出生态文明建设战略，中央和地方政府对生态环境的保护越来越重视，人们对美好物质生活的向往也日益强烈。水体作为自然存在的土地覆盖类型，一直是人们利用自然资源的途径，也是一些人的收入来源。然而，水产养殖也有其弊端，水产养殖会引起水体溶解氧含量下降、氮磷总量增加、水体污染等问题，影响水环境[1]。由于自然地理条件的原因，大多数自然水体分布在植被茂密、树木繁茂的地区，由于其特殊的地理分布，对自然水体中的非法围垦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、时效性强的特点，可以为内陆和沿海地区水产养殖空间信息调查提供有效、快捷的手段[2]。
近年来遥感技术在畜牧业领域得到广泛应用，特别是在水产养殖时空分布研究中取得较大进展，例如文献[3]利用8幅数据提取了山东桑沟湾和福建三都澳养殖区养殖面积；文献[4]基于SPOT影像提取了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]利用波段操作方法提取了烟台市邻近海域的水产养殖面积；文献[6]利用卫星序列遥感数据分析了东山湾网箱养殖和延绳养殖两种海水养殖类型的时空变化。由于以上研究大多采用分辨率低于5m的卫星影像，只能得到养殖区域的大致范围，调查结果不够细致，在分析养殖时空分布方面存在一定的空间局限性，且多集中于近海区域养殖区域的空间分布及变化。因此，本文结合遥感与GIS技术，以GF-2卫星遥感影像为数据源，对湖南省十大水库等内陆水域网箱养殖空间分布进行研究，为贯彻落实湖南省委、省政府《关于规范水库渔业利用加强水库水质保护的意见》等部署提供基础数据和技术支持。
1 研究区概况
根据湖南省第一次水利普查结果，湖南省有大大小小的水库1.4万余座。本文以《全省部分大型水库养殖污染防治专项工作实施方案》中纳入养殖污染防治的10座大型水库为代表作为研究区域，包括水府寺水库、铁山水库、官庄水库等3座饮用水水源水库，柘溪水库、五强溪水库、皂市水库、芒塘溪水库、沱口水库、江垭水库、黄石水库等7座非饮用水水源水库。由于这10座水库中有3座下游为饮用水水源地，养殖过程中施肥、饲料对水质产生了严重影响。湖南省政府决定在这些重点水库水域退出网箱围网养殖，并给予一定补贴，因此有必要对上述水域网箱养殖数量、面积进行调查。
2 数据源
高分二号卫星于2015年发射，是我国高分辨率对地观测系统重大项目为满足应用急需和替代进口而规划的一颗遥感卫星，是迄今为止我国研制的空间分辨率最高的民用低轨遥感卫星，多光谱影像分辨率达3.2 m，全色影像分辨率达0.8 m[7]。由于其分辨率优于1 m且在一定范围内免费使用，高分二号卫星自发射以来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]等方面发挥了重要作用。由于仅提取了水库网箱分布数量和占地面积，因此对影像获取时间没有特殊要求，影像获取时间为2018年1月至2018年7月，共涉及20景高分二号影像数据。
3 研究方法
3.1 图像数据处理
本研究利用ENVI 5.2对GF-2数据进行预处理，包括正射校正、影像配准、影像融合等。正射校正的参照图像为湖南省不动产统一登记基础数据库建设中的1:2000 0.2m正射影像，误差控制在1个像素以内。影像按R（3个波段）、G（2个波段）、B（1个波段）进行真彩色合成。
3.2 网箱养殖信息提取
由于制作围栏的材料比较薄，宽度不足20cm，一般情况下，单个笼子长度和宽度分别在10m和10m左右。单个笼子的效率较低，笼子分散也增加了管理难度。实际操作中，往往将多个单笼组合、连接起来，形成笼组，显示为“筛格”（如图1所示），长度从40到500m不等。在优于1m的高分辨率遥感影像上，可以清晰分辨出每个笼组中间或边缘搭建的用于储存饲料或临时照料的小棚。一个笼组中，有的只有一个小棚，有的有多个小棚，还有的则是连在一起的小棚，面积从4到20m2不等。
图 1 遥感图像中互联网框阴影图案
网箱养殖背景水体在真彩色多光谱影像上呈现蓝绿色，在全彩色影像上呈现黑色或深灰色，与周围水域色调一致。网箱的空间特征十分显著，轮廓清晰、纹理均匀、边界明显。在经过影像融合处理的图像上，根据地物的颜色、大小、形状、纹理等特征建立网箱解译标记。采用人机交互的目视解译方法提取网箱，利用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 前十位水库网箱养殖数量
根据遥感影像反映的网箱养殖区域自然分布情况，影像获取期内十大主要水库水面共有养殖网箱1117个，养殖面积1.53km2（如图2所示）。
图2 2018年全国十大水库网箱养殖数量
从数量上看，图像采集期间，柘溪水库的网箱数量最多，达到515个，其次是江垭水库和五强溪水库。官庄水库的网箱数量最少，没有网箱养殖。与之相对应的是，柘溪水库的网箱面积也是最大的，占前十水库的37.78%。
从面积上看，网箱数量越多，对应的网箱面积越大。根据湖南省第一次水利普查的水库面积（正常水位下），网箱面积占水库面积比重最高的是江垭水库，达1.06%，其次是芒塘溪水库，为0.55%。
4.2 十大水库网箱养殖空间分布特征
（1）大部分网箱距离水库边缘有一定距离（如图3所示），只有少数水库将网箱布置在水库中心，如铁山水库的2个网箱。这种网箱分布布局一方面是为了便于管理，另一方面是为了在水位下降时保证一定的水深。
图3 距水库边缘一定距离的网箱分布
（2）从十座水库网箱养殖数量与规模来看，与沿海网箱养殖相比[17-19]，内陆水域网箱养殖数量和规模较低，且占用面积较小。
（3）与河流相连的水库养殖网箱多顺着河流走向分布，沿河的网箱群呈长而窄的形状，如芒塘溪水库养殖网箱分布（如图4所示）；河流弯道处的养殖网箱则分布在水流较慢的背侧水域。
图4为保持架表面的长条形分布
（4）除沿河道分布外，部分养殖网箱也有分布在水库周边的港湾中，如五强溪水库养殖网箱分布（如图5所示）。
图5：港口网箱分布
（5）养殖网箱分布也体现了当地养殖业的经营状况和社会经济发展水平，如水府寺地区，双峰县境内水域网箱分布较多，而湘乡市境内水域网箱分布较为分散（如图6所示）。
图6 不同县域笼养分布差异示意图
4.3 水库网箱养殖氮、磷排放量估算
从遥感影像中看到的饲料储存小棚和水库周围的交通情况可以看出，网箱养殖主要依靠饲料的投放，因此可以视为氮、磷的排放源。总氮（TN）和总磷（TP）排放量按以下公式估算[6]
（1）
（2）
式中，TNd、TPd分别代表网箱养殖年氮、磷排放量，单位为t·年；Ai为网箱养殖面积，单位为km2；fN、fP分别代表网箱养殖单位面积年氮、磷排放量，单位为t·km-2·年。
参考文献[20]研究了南方典型山区水库网箱养殖周期内养殖废弃物排放量，半年内3个12m×12m网箱共收集养殖废弃物2.7t，其中总磷占0.29%，总氮占0.47%。由于本文研究的水库与研究对象环境相似，因此可利用上述研究结果计算氮、磷排放量。根据公式（1）和公式（2）估算网箱养殖单位面积年氮、磷排放量分别为58.75和36.25t·km-2·a-1。由此可计算出各水库年氮、磷排放量及总量。
影像获取期间，前十座水库年氮、磷排放量分别约为90.13吨、55.61吨。其中，柘溪水库年氮、磷排放量最大，分别约为34.05吨、21.01吨；其次是江垭水库，年氮、磷排放量分别约为22.21吨、13.71吨。
5 结论与讨论
网箱养殖在高分辨率遥感影像上具有明显的阴影图案特征和突出的解译标志，可利用遥感技术辅助水产养殖监测和生态环境保护行动。通过利用GF-2遥感影像对湖南省十大水库网箱养殖情况进行调查，获悉2018年影像获取期十大水库水面共有养殖网箱1117个，养殖面积1.53km2。其中，柘溪水库养殖网箱数量和面积最多，官庄水库没有养殖网箱。影像获取期十大水库年氮、磷排放总量分别约为90.13和55.61t。其中，柘溪水库年氮、磷排放量最大，分别约为34.05吨和21.01吨。
水库网箱养殖氮磷排放量估算，依据闫军等对南方典型水库氮磷排放量试验的相关结论，在未进行实测的情况下进行计算。本次调查成果已为畜牧部门应用，为贯彻落实《关于规范水库渔业利用加强水库水质保护的意见》及湖南省委、省政府等部署提供了基础数据和技术支持。
何秋华, 邹娟, 余淑晨, 等. 基于GF-2数据的湖南省十大水库网箱养殖分布遥感调查. 测绘通报, 2019(10): 8-11, 159. DOI: 10.13474/ki.11-2246.2019.0309.