高光譜遙感技術(shù)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖污染預(yù)防治理中的應(yīng)用

王涵　閆駿

摘 要：水產(chǎn)畜禽養(yǎng)殖所造成的水體環(huán)境防治工作，一直為中國(guó)各大省市實(shí)現(xiàn)水體質(zhì)治理，增大生態(tài)效益的重要舉措之一，高光譜遙感技術(shù)（HRS）及成像光譜技術(shù)通過建立地面原位成像平臺(tái)，無(wú)人駕駛和載人飛行器以及衛(wèi)星平臺(tái)收集光譜成像，有效實(shí)現(xiàn)水體成分分析，檢測(cè)預(yù)防治理水產(chǎn)養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染。本文就國(guó)內(nèi)尤其是廣東地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖污染情況做以簡(jiǎn)要分析，并針對(duì)遙感技術(shù)在該方面的防治作以詳細(xì)介紹，并以HRS 對(duì)水體懸浮物與葉綠素-a的檢測(cè)為例，對(duì)其原理做以闡述。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；高光譜遙感技術(shù)（HRS）；水體污染；防治監(jiān)測(cè)；成像光譜技術(shù)

中圖分類號(hào)：X87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）23-0005-02

1 水體污染重要來(lái)源之一——水體養(yǎng)殖

近兩年間，《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》（國(guó)發(fā)〔2016〕31號(hào)）、《廣東省人民政府關(guān)于印發(fā)廣東省土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案的通知》（粵府〔2016〕145號(hào)）先后將“防治畜禽養(yǎng)殖污染，推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染防治”列為主要污水治理措施之一，2018年1月，《廣東珠海土壤污染治理與修復(fù)規(guī)劃（2017-2020）（送審稿）》也將嚴(yán)管督查排檢監(jiān)督禁養(yǎng)區(qū)畜禽養(yǎng)殖廠清理整頓，減少畜禽養(yǎng)殖對(duì)水體土壤污染的影響，排在珠海市水體土壤污染防治的四大措施之列。

我國(guó)目前主要采取三種方式進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，分別是工廠化、淡水池塘以及網(wǎng)箱。對(duì)于內(nèi)部水體更新，養(yǎng)殖廢水外排的工廠化養(yǎng)殖，外排污水中含有大量的氮磷等富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)，造成周邊水域大量污染，赤潮等現(xiàn)象；對(duì)于內(nèi)部水體整體穩(wěn)定性及自身凈化能力較差的淡水池塘養(yǎng)殖，由于水體缺氧，以及殘餌及水下生物糞便所造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化，都會(huì)造成短期浮游植物生長(zhǎng)，從而引起大量水體物產(chǎn)且養(yǎng)殖失敗；對(duì)于魚餌魚苗網(wǎng)箱投放水域養(yǎng)殖方式，極易造成整個(gè)水域的污染及富營(yíng)養(yǎng)化。對(duì)此，由于無(wú)法及時(shí)科學(xué)應(yīng)養(yǎng)殖水體污染，飼養(yǎng)員頻繁更換內(nèi)部水域污水，肆意外排排放養(yǎng)殖污水，造成的大面積水體富營(yíng)養(yǎng)化，已成為水體污染的主要原因之一。如何實(shí)時(shí)監(jiān)控飼養(yǎng)員行為，檢測(cè)水體健康狀況，約束飼養(yǎng)員科學(xué)綠色養(yǎng)殖，針對(duì)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)外水域污染狀況有針對(duì)性的凈化處理，是水體養(yǎng)殖污水處理的重中之重。

2 遙感技術(shù)應(yīng)用于水體污染防治

2.1 水體檢測(cè)指標(biāo)與高光譜遙感技術(shù)

確定水體的化學(xué)、物理和生物特征以及確定可能降低水質(zhì)的污染源是水體污染防治的首當(dāng)要?jiǎng)?wù)。廢水排放，農(nóng)藥，重金屬，養(yǎng)分，微生物和沉積物可能導(dǎo)致水資源質(zhì)量下降。遙感技術(shù)對(duì)于地表水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行空間和時(shí)間觀察，更有效地監(jiān)測(cè)水體，并量化水質(zhì)問題。遙感技術(shù)對(duì)光學(xué)活性變量上的研究已經(jīng)較為成熟，例如葉綠素-a（Chl-a），總懸浮固體（TSS）和濁度。但對(duì)于水質(zhì)變量，如pH，總氮（TN），氨氮（NH3-N），硝態(tài)氮（NO3-N）和溶解磷（DP），以往普通遙感技術(shù)對(duì)其的檢測(cè)效益較低，主要原因在于水質(zhì)變量的光學(xué)特性較弱，信噪比較低。常用的水體檢測(cè)指標(biāo)包括葉綠素a（Chl-a），有色溶解有機(jī)物（CDOM），Secchi圓盤深度（SDD），濁度，總懸浮沉積物（TSS），水溫（WT），總磷（TP），海表鹽度（SSS），溶解氧（DO），生化需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）。

對(duì)此，隨著衛(wèi)星大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，高光譜遙感（HRS）和成像光譜技術(shù)通過對(duì)水中不同元素及其化合物所具備的不同光譜的捕捉識(shí)別，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、水污染防治、中央環(huán)境督察、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、大氣污染防治以及生態(tài)污染應(yīng)急發(fā)揮著不可替代的作用。衛(wèi)星搭載的傳感器可以探測(cè)到超出人眼感受范圍的電磁波，極大豐富了遙感數(shù)據(jù)的信息量。HRS通過建立地面原位成像平臺(tái)，無(wú)人駕駛和載人飛行器以及衛(wèi)星平臺(tái)，收集特定區(qū)域遙感數(shù)據(jù)，分析高光譜遙感影像，其不間斷拍攝，多方位光譜特征等特點(diǎn)。為海洋水域監(jiān)測(cè)、城市污水檢測(cè)、農(nóng)業(yè)污水檢測(cè)、河道水體檢測(cè)、污水源頭追蹤、養(yǎng)殖區(qū)域水質(zhì)量評(píng)估等方面提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)影像支持，有利于當(dāng)?shù)卣畬?shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)治理、準(zhǔn)確追責(zé)與規(guī)范水體養(yǎng)殖企業(yè)及個(gè)人行為，建立文明健康水體養(yǎng)殖體系。圖1為2017年12月珠海高新區(qū)污染水域遙感提取分布圖，由圖中所示，城市內(nèi)部河道污水分布較沿海地區(qū)較為嚴(yán)重。

2.2 水體懸浮物檢測(cè)與高光譜遙感技術(shù)

相比于傳統(tǒng)的水體檢測(cè)系統(tǒng)HRS所帶來(lái)的高效率、廣范圍、更實(shí)時(shí)、更經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)都是此技術(shù)在水體防治方面占著重要位置。而水廠養(yǎng)殖不當(dāng)引起的水體污染現(xiàn)象，如果不及時(shí)監(jiān)控，很有可能演化為嚴(yán)重的黑臭水現(xiàn)象。自2015年開始，中科院遙感與地球研究所水環(huán)境遙感研究團(tuán)隊(duì)支撐環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心構(gòu)建“遙感篩查——實(shí)地核查——過程監(jiān)督——成效評(píng)價(jià)”城市黑臭水體遙感監(jiān)管體系。有效的將HRS應(yīng)用于水體檢測(cè)治理過程中。由圖2所示，HRS通過對(duì)污染水體與普通水體不同的懸浮物和濃度所反映的遙感反射光譜分析，識(shí)別水域污染情況。懸浮物濃度較大的水體在可見光譜500nm至700nm范圍內(nèi)的曲線走勢(shì)較為平緩，沒有明顯的反射峰。而正常水體則是有明顯的波動(dòng)變化。

2.3 高光譜遙感在對(duì)赤潮現(xiàn)象的防治與監(jiān)測(cè)

藻類大量繁殖通常源于淡水中的富營(yíng)養(yǎng)化，與Chl-a濃度直接相關(guān)。Chl-a用于含氧光合作用，存在于植物，藻類和藍(lán)細(xì)菌中。Chl-a作為營(yíng)養(yǎng)物濃度，是營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的主要指標(biāo)，尤其標(biāo)志著水體磷的含量和藻類再生水平。Chl-a從紫藍(lán)色和橙紅色光的波長(zhǎng)吸收大部分能量，其反射率導(dǎo)致葉綠素呈現(xiàn)綠色。顯然，除了Chl-a之外添加Chl-b可以擴(kuò)展光譜吸收。低光條件往往有利于Chl-b與Chl-a分子的產(chǎn)生，從而提高光合作用產(chǎn)量。許多研究表明，當(dāng)下先進(jìn)的HRS技術(shù)在富營(yíng)養(yǎng)化程度高的情況下，盡管懸浮沉積物的光譜信號(hào)較高，寬帶傳感器所獲得的數(shù)據(jù)顯示，對(duì)Chl-a和Chl-b的監(jiān)測(cè)結(jié)果仍然是十分可觀的。圖3為Chl-a和Chl-b吸收光譜值反應(yīng)圖，由此，HRS通過對(duì)水體短波長(zhǎng)光譜響應(yīng)的檢測(cè)，從而確定二者濃度大小。例如，高光譜遙感技術(shù)通過檢測(cè)藍(lán)色波段[86，87，88，89，90，91]的降低，從而確定Chl-a濃度的增加。如圖4所示，HRS對(duì)水體Chl-a和TSS的檢測(cè)圖，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)廣范圍的檢測(cè)與評(píng)估。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著遙感大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，遙感技術(shù)所體現(xiàn)出來(lái)的覆蓋平面內(nèi)范圍廣、空間多維度、時(shí)間連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)成本低廉等特點(diǎn)使其在區(qū)域性水體含量分析與監(jiān)控發(fā)揮著重要作用。而水產(chǎn)養(yǎng)殖不當(dāng)所造成的水體污染已逐漸成為城鎮(zhèn)水體污染的主要來(lái)源之一。在當(dāng)下及不久的將來(lái)，不斷進(jìn)步的HRS技術(shù)將廣泛應(yīng)用于大中小型水產(chǎn)養(yǎng)殖的監(jiān)測(cè)與防治，所提供的光譜成像信息將更高清、更全面、更實(shí)時(shí)，應(yīng)用范圍更廣泛，從而為監(jiān)管文明養(yǎng)殖，區(qū)域水體防治全程提供監(jiān)管預(yù)警保障體系。

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