高光谱遥感技术对水产养殖污染预防治理中的应用

摘 要：水产畜禽养殖所造成的水体环境防治工作，一直为中国各大省市实现水体质治理，增大生态效益的重要举措之一，高光谱遥感技术（HRS）及成像光谱技术通过建立地面原位成像平台，无人驾驶和载人飞行器以及卫星平台收集光谱成像，有效实现水体成分分析，检测预防治理水产养殖所产生的污染。本文就国内尤其是广东地区的水产养殖污染情况做以简要分析，并针对遥感技术在该方面的防治作以详细介绍，并以HRS 对水体悬浮物与叶绿素-a的检测为例，对其原理做以阐述。

关键词：水产养殖；高光谱遥感技术（HRS）；水体污染；防治监测；成像光谱技术

中图分类号：X87 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0005-02

1 水体污染重要来源之一——水体养殖

近两年间，《国务院关于印发土壤污染防治行动计划的通知》（国发〔2016〕31号）、《广东省人民政府关于印发广东省土壤污染防治行动计划实施方案的通知》（粤府〔2016〕145号）先后将“防治畜禽养殖污染，推进农业农村污染防治”列为主要污水治理措施之一，2018年1月，《广东珠海土壤污染治理与修复规划（2017-2020）（送审稿）》也将严管督查排检监督禁养区畜禽养殖厂清理整顿，减少畜禽养殖对水体土壤污染的影响，排在珠海市水体土壤污染防治的四大措施之列。

我国目前主要采取三种方式进行水产养殖，分别是工厂化、淡水池塘以及网箱。对于内部水体更新，养殖废水外排的工厂化养殖，外排污水中含有大量的氮磷等富营养化物质，造成周边水域大量污染，赤潮等现象；对于内部水体整体稳定性及自身净化能力较差的淡水池塘养殖，由于水体缺氧，以及残饵及水下生物粪便所造成的水体富营养化，都会造成短期浮游植物生长，从而引起大量水体物产且养殖失败；对于鱼饵鱼苗网箱投放水域养殖方式，极易造成整个水域的污染及富营养化。对此，由于无法及时科学应养殖水体污染，饲养员频繁更换内部水域污水，肆意外排排放养殖污水，造成的大面积水体富营养化，已成为水体污染的主要原因之一。如何实时监控饲养员行为，检测水体健康状况，约束饲养员科学绿色养殖，针对养殖区内外水域污染状况有针对性的净化处理，是水体养殖污水处理的重中之重。

2 遥感技术应用于水体污染防治

2.1 水体检测指标与高光谱遥感技术

确定水体的化学、物理和生物特征以及确定可能降低水质的污染源是水体污染防治的首当要务。废水排放，农药，重金属，养分，微生物和沉积物可能导致水资源质量下降。遥感技术对于地表水质参数进行空间和时间观察，更有效地监测水体，并量化水质问题。遥感技术对光学活性变量上的研究已经较为成熟，例如叶绿素-a（Chl-a），总悬浮固体（TSS）和浊度。但对于水质变量，如pH，总氮（TN），氨氮（NH3-N），硝态氮（NO3-N）和溶解磷（DP），以往普通遥感技术对其的检测效益较低，主要原因在于水质变量的光学特性较弱，信噪比较低。常用的水体检测指标包括叶绿素a（Chl-a），有色溶解有机物（CDOM），Secchi圆盘深度（SDD），浊度，总悬浮沉积物（TSS），水温（WT），总磷（TP），海表盐度（SSS），溶解氧（DO），生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）。

对此，随着卫星大数据物联网时代的到来，高光谱遥感（HRS）和成像光谱技术通过对水中不同元素及其化合物所具备的不同光谱的捕捉识别，在精准农业、水污染防治、中央环境督察、生态环境监管、大气污染防治以及生态污染应急发挥着不可替代的作用。卫星搭载的传感器可以探测到超出人眼感受范围的电磁波，极大丰富了遥感数据的信息量。HRS通过建立地面原位成像平台，无人驾驶和载人飞行器以及卫星平台，收集特定区域遥感数据，分析高光谱遥感影像，其不间断拍摄，多方位光谱特征等特点。为海洋水域监测、城市污水检测、农业污水检测、河道水体检测、污水源头追踪、养殖区域水质量评估等方面提供实时数据影像支持，有利于当地政府实时监控、及时治理、准确追责与规范水体养殖企业及个人行为，建立文明健康水体养殖体系。图1为2017年12月珠海高新区污染水域遥感提取分布图，由图中所示，城市内部河道污水分布较沿海地区较为严重。

2.2 水体悬浮物检测与高光谱遙感技术

相比于传统的水体检测系统HRS所带来的高效率、广范围、更实时、更经济等特点都是此技术在水体防治方面占着重要位置。而水厂养殖不当引起的水体污染现象，如果不及时监控，很有可能演化为严重的黑臭水现象。自2015年开始，中科院遥感与地球研究所水环境遥感研究团队支撑环保部卫星环境应用中心构建“遥感筛查——实地核查——过程监督——成效评价”城市黑臭水体遥感监管体系。有效的将HRS应用于水体检测治理过程中。由图2所示，HRS通过对污染水体与普通水体不同的悬浮物和浓度所反映的遥感反射光谱分析，识别水域污染情况。悬浮物浓度较大的水体在可见光谱500nm至700nm范围内的曲线走势较为平缓，没有明显的反射峰。而正常水体则是有明显的波动变化。

2.3 高光谱遥感在对赤潮现象的防治与监测

藻类大量繁殖通常源于淡水中的富营养化，与Chl-a浓度直接相关。Chl-a用于含氧光合作用，存在于植物，藻类和蓝细菌中。Chl-a作为营养物浓度，是营养状态的主要指标，尤其标志着水体磷的含量和藻类再生水平。Chl-a从紫蓝色和橙红色光的波长吸收大部分能量，其反射率导致叶绿素呈现绿色。显然，除了Chl-a之外添加Chl-b可以扩展光谱吸收。低光条件往往有利于Chl-b与Chl-a分子的产生，从而提高光合作用产量。许多研究表明，当下先进的HRS技术在富营养化程度高的情况下，尽管悬浮沉积物的光谱信号较高，宽带传感器所获得的数据显示，对Chl-a和Chl-b的监测结果仍然是十分可观的。图3为Chl-a和Chl-b吸收光谱值反应图，由此，HRS通过对水体短波长光谱响应的检测，从而确定二者浓度大小。例如，高光谱遥感技术通过检测蓝色波段[86，87，88，89，90，91]的降低，从而确定Chl-a浓度的增加。如图4所示，HRS对水体Chl-a和TSS的检测图，实现实时广范围的检测与评估。

3 结语

随着遥感大数据时代的到来，遥感技术所体现出来的覆盖平面内范围广、空间多维度、时间连续性、经济成本低廉等特点使其在区域性水体含量分析与监控发挥着重要作用。而水产养殖不当所造成的水体污染已逐渐成为城镇水体污染的主要来源之一。在当下及不久的将来，不断进步的HRS技术将广泛应用于大中小型水产养殖的监测与防治，所提供的光谱成像信息将更高清、更全面、更实时，应用范围更广泛，从而为监管文明养殖，区域水体防治全程提供监管预警保障体系。

参考文献

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