長蕩湖圍網養殖區長時序時空演變遙感監測

時燕，蘇濤，陸莉蓉

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

0 前言

湖泊圍網養殖可以帶來經濟效益，促進經濟發展[1]。但高密度的圍網養殖會打破湖泊的生態平衡，破壞水生植物資源。一方面，圍網養殖剩余的餌料及魚、蟹排泄物會使水體中氮、磷的濃度增加，導致湖泊內源污染；另一方面，由于圍網養殖區內水生植物遭到破壞，使湖泊自凈能力降低，導致湖泊富營養化加劇和水質惡化，最終影響湖泊生態環境[2-9]。1982—2020年，長蕩湖的水質由Ⅲ類變為劣Ⅴ類，水體污染越來越嚴重[10-12]，其水質治理與生態保護迫在眉睫[13-14]。及時掌握湖泊圍網養殖區的分布和時空變化，對湖泊水質治理、水環境修復和可持續發展至關重要。

依靠傳統的人工測量湖泊圍網養殖區面積的方法(主要是農戶統計或通過帶GPS的船只沿圍網現場測量)耗時耗力，且很難掌握其分布動態變化。與傳統的人工測量方法相比，遙感監測具有大范圍、連續、快速的優點[15]。目前已有研究利用遙感影像開展湖泊圍網提取和動態變化監測。在圍網區提取方法研究方面，大多是通過高分辨率遙感數據實現。黃帥等[16]利用資源三號衛星影像，采用梯度變換法，提取了陽澄湖的圍網養殖區；劉曉宏[17]利用資源三號衛星影像，采用多特征分析法，提取了丹江口庫區的圍網養殖區。在圍網區動態監測方面，大多是通過長時序的Landsat數據實現。楊英寶等[18]利用6景TM影像和3期衛星航片，分析了1984—2003年東太湖湖泊面積和圍網養殖的動態變化；范亞民等[19]利用5景遙感影像，通過目視解譯和實地考察驗證，分析了1979—2008年太湖圍湖利用和網圍養殖的動態變化；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)圍網養殖區邊界，分析了1988—2015年的變化特征和影響因素。綜上，圍網養殖區的動態監測大多是每隔3—5年選取1景影像，通過5或8年的數據來開展幾十年的長時序變化趨勢分析，該方法缺乏代表性，且時間上不連續，使其不能準確識別圍網養殖區變化的關鍵或準確年份。

現以長蕩湖為研究區域，以Landsat TM/OLI影像為主要數據源，以HJ-CCD影像為輔助，根據遙感影像的光譜信息和圍網養殖區的紋理信息，借助 ENVI和ArcGIS軟件，通過人機交互目視解譯的方法，提取了長蕩湖1983—2020年的圍網養殖區，研究和分析了38 a來的連續時空動態變化，以期為湖泊水質治理和圍網規劃提供科學依據，促進湖泊水環境健康和可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

長蕩湖(31°33′— 31°40′N，119°30′— 119°37′E)位于常州市金壇區東南部，跨金壇、溧陽兩地，北連長江、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13.6 km，東西寬9.3 km，現有水域面積約85 km2，平均水深1.1～1.2 m，是集泄洪、灌溉、漁業養殖等多功能于一體的典型過水性、淺水草型湖泊，水產資源豐富。長蕩湖地理位置及Landsat-8影像見圖1(Landsat-8影像波段組合方式為紅：波段6，綠：波段5，藍：波段4)。

圖1 長蕩湖地理位置及Landsat-8影像

1.2 數據源時間及數據預處理

選用2種數據源，分別是Landsat(http://www.gscloud.cn/)系列衛星和HJ-1B衛星數據(http://www.cresda.com/)，下載了1983—2020年共38景無云覆蓋的高質量影像。由于Landsat-5 在2011年停止服務，Landsat-8在2013年發射，導致2012年無影像數據，而環境衛星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。為了保持數據的連續性，2012年選用HJ-1B衛星采集的遙感影像作為數據源，獲取的影像信息見表1。

表1 獲取影像信息

1.3 網圍養殖解譯方法

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

圖2 2015和2016年長蕩湖Landsat-8假彩色影像

由圖2可見，長蕩湖圍網養殖區域比較集中，圍網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)顯示的基礎上，根據圍網的形狀、紋理特征，對長蕩湖圍網養殖面積時空分布和動態變化進行人機交互目視解譯。圍網提取的主要思路如下：首先根據研究區的矢量邊界對預處理之后的影像進行裁剪，然后通過假彩色合成的方式得到圍網養殖區域清晰的形狀、紋理信息，最后根據形狀、紋理特征對長蕩湖圍網養殖區進行人機交互目視解譯。

長蕩湖圍網養殖典型樣區示例及光譜特征見圖3(a)(b)(示例影像為假彩色影像)。

由圖3可見，圍網養殖區形狀為規則的圍合四邊形，在空間上為鋪疊式分布，留有允許劃船進入的維護通道。圍網的樁和邊附近常附著、滯留浮葉類水生植物，在光譜上呈現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 長蕩湖圍網養殖典型樣區示例及光譜特征

2 結果與分析

2.1 圍網養殖區空間分布

1983—2020年長蕩湖圍網養殖區空間分布見圖4。由圖4可見，1983年無圍網養殖區，1984—1986年長蕩湖圍網養殖區范圍很小，都是無規則的零星分布；1987年開始圍網養殖區范圍持續增加，從西部開始，逐漸擴展到南部、東部和北部；1999年圍網養殖區范圍達到最大，2000—2003年圍網養殖區范圍基本保持不變，此時遍布湖泊的周圍，只有湖中心沒有圍網養殖區。

圖4 1983—2020年長蕩湖圍網養殖區空間分布

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

2.2 圍網養殖區面積變化

1983—2020年長蕩湖圍網養殖區面積年變化見圖5。由圖5可見，圍網養殖區面積變化可以分為7個階段。(1)無圍網期：1983—1986年，圍網養殖區面積<1 km2。(2)增長期：1987—1999年，圍網養殖區面積持續增加，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，是圍網養殖區面積增加最快的時期；1995—1999年增加了16.29 km2，1999年圍網養殖區面積達到頂峰，為64.84 km2，占整個湖泊面積的76.3%。(3)巔峰期：2000—2004年，圍網養殖區面積處于平穩狀態，維持在62 km2左右。(4)下降期：2005—2011年，圍網養殖區面積持續減少，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)增長期：2012—2013年，圍網養殖區面積共增加了12.65 km2，增幅為14.8%。(6)下降期：2014—2017年，圍網養殖區面積持續減少，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, 是長蕩湖圍網養殖區面積減少最快的時期。(7)穩定期：2018—2020年，圍網養殖區面積基本保持穩定，約為8.5 km2。

圖5 1983—2020年長蕩湖圍網養殖區面積變化

3 討論

(1)長蕩湖圍網養殖區的時序變化與當地政府出臺的政策息息相關。長蕩湖在20世紀80年代率先推行圍網養殖，1983—2020年，當地政府共對長蕩湖進行了4次圍網整治活動，2004和2014年分別進行了小規模的圍網整治活動，2009和2016年分別進行了大范圍的圍網整治活動[21-22]。

2003—2005年，圍網養殖區面積減少可能與2004年的網圍整治有關，期間拆除圍網4.07 km2，這與解譯結果大致吻合。2008—2011年，圍網養殖區面積驟減，可能與金壇區政府2009年出臺的《2009年長蕩湖網圍整治實施方案》有關，但2011—2013年，圍網養殖區面積增加，說明后期網圍整治不到位。2014—2015年，圍網養殖區面積減少與2014年開展的“長蕩湖水源地保護網圍整治拆網清障工作”有關，長蕩湖東北安置區的圍網全部拆除，與解譯結果相吻合。2015—2017年，長蕩湖圍網養殖區面積驟減，與金壇區政府2016年出臺的《2016年長蕩湖網圍(捕撈)整治實施方案》有關。截至2017年，長蕩湖東南部、西部的圍網全部拆除，這與《常州市金壇區長蕩湖網圍(捕撈)整治實施方案》中的整治范圍相吻合。2017—2020年，長蕩湖圍網養殖區面積趨于穩定，說明2016年的圍網整治是富有成效的。2017年后，湖中心又多了幾個小圍網，未來長蕩湖圍網養殖區的變化情況還須進行繼續研究。

(2)長蕩湖圍網養殖區面積與湖泊水質有著密不可分的關系。根據江蘇省水資源公報和常州市水資源公報等文獻記載，1983—2020年，長蕩湖水質經歷了“Ⅲ類→劣Ⅴ類→Ⅲ類”的變化過程[23]。長蕩湖圍網養殖區面積的總體變化趨勢大致分為3個階段：①1983—1999年，圍網養殖區面積持續增加，17年內共增加64.84 km2，增幅為99.7%；②2000—2004年，圍網養殖區面積相對穩定，為60.88～64.84 km2；③2005—2020年，圍網養殖區面積波動減少，16年內共減少51.26 km2。由此可見，高密度的圍網養殖可能是造成湖泊水質惡化的重要原因之一。

(3)由于長蕩湖圍網養殖區域集中分布且圍網的形狀、紋理信息在假彩色圖像上比較明顯。對于圍網養殖區集中分布的單個小型湖泊來說，自動解譯的復雜程度較高，因此采用目視解譯法更加快速、準確。但若需要研究多個湖泊的圍網養殖變化情況，還須進一步研究更加智能化的圍網養殖區提取方法。