飲用水源地天－空－地一體化環境監管的實踐應用研究

宋小晴 章佩麗 王昱 古兵華 宋亮楚

摘要：為了系統地進行飲用水水源地“天－空－地一體化”環境監管，文章以里墩水庫為捌，使用衛星遙感技術進行水域面積遙感監測和植被覆蓋度監測；利用衛星遙感技術結合無人機遙感技術進行土地利用現狀監管廈土地裸露分析；使用無人機遙感技術結合人工復核進行工業點源分布分析；并利用地面監測站點的水質信息結合衛星遙感技術進行水質反漬。誼案例通過多種監管手段的協同配合，充分發揮不同時空維度的功能，切實有效地開展了里墩水庫環境監管工作。

關鍵詞：遙感監測；飲用水水源地；生態環境監管

中圖分類號：X87 文獻標志碼：A

前言

飲用水水源地的傳統監管方式主要包括地方生態環境主管部門自查、上級生態環境主管部門檢查、社會監督等。在監管過程中，巡查效率較低，需耗費大量人力、物力和財力，且部分地段難以巡查到位，無法達到目標區域全覆蓋的效果。

天－空－地一體化監管是綜合運用衛星遙感監測、航空遙感監測和地面站點（或人工核查）等監測手段建立的立體生態環境監管感知體系。該監管理念需要整合不同手段信息，在空間、時間尺度等方面取長補短、互相補充，2021年5月，崔凡等以遙感宏觀監測判別為主，并依據實際情況采用無人機巡航、定點監測并行開展粵港澳大灣區重要飲用水水源地精細化監測。但目前形成天－空－地一體化監管的實踐案例較少，且沒有針對飲用水源地形成完整的應用體系，更沒有形成可推廣的應用示范。

文章圍繞里墩水庫飲用水水源地監管，充分發揮衛星遙感解譯一重點區域無人機航拍一人工現場復核的新型監管模式在不同時、空監管的優勢，構建包括監視水源保護區內水域面積、監測水質參數、掌握植被覆蓋現狀、明確土地利用格局、進行裸露地塊監管及強化污染源綜合整治在內的飲用水水源地監管框架體系。該案例將“天－空－地一體化”監管體系中各監管手段結合方式及其工作內容進行了明確，使其真正在飲用水源保護的六項重要監管工作中得到實際應用，為后續推進水源地生態環境管理工作精準化、信息化提供借鑒。

1研究區概況及數據源

1.1研究區概況

里墩水庫（N：28°06′38″－28°07′47″，E：121°09′09″－121°10′30″）位于臺州玉環大麥嶼街道，流域面積11.20 km2，是玉環最大的縣級飲用水水源地。

1.2數據源

文章使用的2021年8月8日國產高分二號原始影像由某衛星公司提供。原始的衛星遙感多光譜影像經過正射校正、輻射定標、大氣校正、幾何精校正等預處理后，使用里墩水庫矢量數據裁剪得到研究區的影像圖。

采用無人機航拍技術作為衛星遙感監管的補充及驗證，于2021年9月24日使用經緯M300 RTK針對重點區域和容易誤判的地物類型進行無人機航拍。航拍過程中飛行高度150 m，每航次飛行時間約5-10 min，航拍完成后，對航片進行拼接、修正、配準，最后生成正射影像。

2研究模式

水源地環境保護是一項復雜的系統工程。如圖1所示，衛星影像覆蓋范圍廣，適合大尺度監管水源地。文章利用衛星遙感技術進行里墩水庫水域面積遙感監測和植被覆蓋度監測。無人機影像分辨率較衛星高，但其覆蓋面積窄，土地利用現狀監管及土地裸露分析需要結合衛星遙感技術和無人機遙感技術，即先利用衛星遙感技術識別不同類型的土地，并針對易錯類型或不確定類型進行無人機遙感驗證，綜合兩種監管手段進行完整準確的土地利用現狀監管及土地裸露分析。無人機遙感技術結合人工復核進行工業點源分布分析，地面監測站點的水質信息結合衛星遙感技術進行水質反演，由點到面，完整的展示水源地水質分布狀況。水質分布狀況結合土地利用現狀及工業點源分布情況，進行初步的污染溯源，為水源地環保監管工作提供一定的技術支持。

3研究方法

3.1水域面積遙感監測

歸一化差分水體指數（NDWI）可以最大程度地抑制植被信息，突出水體信息，公式如（1）：

3.2植被覆蓋度監測

利用植被指數（NDVI）使用像元二分模型近似估算植被覆蓋度（VFC）。

其中，NDVI為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，NDVl則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。在沒有實測數據的情況下，通常取直方圖累計頻率為5%與95%的NDVI值作為NDVI和NDVleS的值。

3.3土地利用現狀監管

采用隨機森林自動分類和人機交互解譯相結合的方法，提取土地利用現狀圖斑。利用高分衛星遙感影像特有的光譜、紋理、層次和形狀特征，對遙感影像進行多尺度分割，生成影像多邊形對象，基于影像對象特征使用隨機森林自動提取林地、耕地、草地、城鎮與工礦用地、水域、交通用地及裸地的圖斑。

通過衛星影像的光譜特征判讀一級地類的容易誤判的地方，主要有未成林造林地，農用地中暫未利用地，可調整的未成林造林地，部分旱地、未利用地中的季節性的河流。針對此現象，需對疑難圖斑進行野外驗證，根據無人機野外驗證的結果對土地利用現狀圖斑進行修改和完善。

3.4土地裸露分析

針對土地利用現狀中獲得的非植被覆蓋區使用無人機進行航拍。土地裸露遙感分析使用面向對象特征提取方法進行，充分利用高分辨率航拍數據的空間、紋理和光譜信息來分割。將正射影像分割成不同的對象單元（50×50 pixel），每個對象單元中包含相同語義的像素集。在影像中選取具有典型性的土地裸露樣本，通過e Cognition 9.0中模板匹配分類功能初次標識土地裸露區域，最后通過人機交互解譯進一步確認目標，剔除非目標。

3.5工業源分布分析

在城鎮與工礦用地范圍內使用無人機進行航拍，將正射影像的分割單元設置為20×20 pixel，使用ENVI 5.3中Feature Extraction模塊，從高分辨率全色影像中提取工業源。室內解譯工作完成后，需對解譯結果進行實地調研，避免出現誤判。

3.6水質指標分布分析

參考馬方凱、譚小琴等的研究，利用地面監測站點（E121°10′35.5″，N128°07′48.4″）對應的衛星影像光譜值及站點監測數據進行水源地水域總磷、總氮的質量濃度參數反演。由點到面，獲得水域面的水質監測結果，全面展示水體現狀。具體模型公式如（4）-（5）：

4里墩水庫飲用水源地實踐應用

4.1水域面積遙感監測

如圖2所示，為里墩水庫2021年8月水域提取的結果，統計面積約為0. 370 3 km2。采用人機交互的方式進行準確度計算，主體水域部分準確度達到100%，其他零星水體根據目視判別，其準確度也達到較高級別。在飲用水源地使用衛星遙感技術可以準確監測水域面積，并進行動態監測。

4.2植被覆蓋度監測

使用ENVI軟件統計像元值，得到頻率直方圖累計頻率為5%與95%的NDVI值分別為0.074 5和0. 858 8，按照3.1.2的方法帶人到公式（3）計算植被覆蓋度。

如圖3所示，VFC的遙感監測圖用來分析植被的空間變化。數值越大，代表植被覆蓋度越高；數值越小，代表植被覆蓋度越低。其中二級保護區福山村、準保護區高升村等居民區多位于道路附近，交通便利，植被覆蓋度低。各級保護區的植被覆蓋度稍有不同，1級保護區的植被覆蓋度較高，均值為0.803 5；準保護區的植被覆蓋度較低，均值為0.714 8。夏北成等的研究將VFC分為5級，其中若VFC≥0.7，則視為該區域植被覆蓋良好，林木茂密。研究中，里墩水庫準保護區VFC≥0.7，視為高植被覆蓋區。

4.3土地利用現狀監管

基于影像對象特征使用隨機森林自動提取土地利用圖斑，并對易誤判圖版進行野外驗證。文章針對裸地進行野外驗證，證實部分圖斑并非裸地（如表1所示）。裸地圖斑中大部分為農用地中暫未利用地，土地上已種植果樹幼苗，由于分辨率的原因，使得其與裸露土地的光譜、紋理、形狀等特征類似而造成混淆；很小部分為未利用地中的季節性河流，因季節原因水面降低而裸露。另外，由于部分土地裸露面積較小，其像元與植被混合形成混合像元導致未被提取。

監管結果表明，保護區內土地現狀以林地為主，占全部的57.5%；其次為耕地，占全部的27.7%；城鎮及工礦用地占全部的7.4%；水域面積占全部的3.3%；交通用地、草地及裸地分別占全部的1.8%、1.7%及0.6%。

4.4土地裸露分析

庫區共發現9處由于人類活動開發利用后導致的裸露地塊。如圖4所示里墩水庫部分裸地的現場航拍照片。實地調研發現保護區內土地裸露面積較小，其中2處位于一級保護區，6處位于二級保護區，1處位于準保護區。

4.5工業源分布分析

室內工作初步解譯出34處工業企業疑似點位，針對這34個點位進行實地調研復核，確認其中4處疑似點位為居民房，居民房房頂覆蓋藍色遮雨頂棚，其與工業點源的廠棚在無人機影像中有相似的顏色、紋理等，造成了計算機誤判。

結合無人機航拍和人工復核結果發現，里墩水庫保護區范圍共涉及工業企業30家，其中6處位于二級保護區、24處位于準保護區。其中二級保護區內2處在產，另外4處釀酒廠目前已斷電停產，廠房處于搬遷狀態，主要涉及黃酒釀造行業。準保護區內24處企業均在產，行業類型主要為閥門和旋塞制造，基本不涉及生產用水，生活污水均納人污水處理廠。部分工業企業由于墻角滲水、屋頂漏水等原因，導致油污隨雨水沖刷進入雨水管網。

4.6水質指標分布分析

根據光譜值計算得到總磷濃度0.004 5 mg／L（站點實測0.005 mg／L），總氮濃度0.50 mg／L（站點實測0.52 mg/L），其誤差較小，可根據該模型進行總磷及總氮的反演。

里墩水庫總氮和總磷濃度及水質類別空間分布圖如圖5所示。總磷濃度值分布在0.002 0-0.498 0mg/L，均值濃度接近于0，其分布較離散，淺灘處濃度較高，達到0.4 mg/L；總氮濃度值分布在0.005 9-1.493 9 mg/L，均值濃度0.221 5 mg/L，淺灘處濃度值略有增高。

根據地表水環境質量標準，除淺灘外，里墩水庫基本為Ⅱ類水，淺灘處為V類水，其中水質較差主要原因是總磷超標。里墩水庫淺灘處的濃度高于主庫區，且高于Ⅱ類水水質標準值。調研發現，水庫一級保護區陸域內存在大量的經濟作物種植，在每年的農業施肥期及上游果業采摘后的施肥期，部分含磷農藥、肥料等隨地表徑流進人水庫；另一方面，淺灘處較主庫區更為曲折狹窄，其水量較小，磷等污染物在此聚集，使得總磷在淺灘處超標。

5結論

文章以里墩水庫為例，在一級、二級和準保護區的矢量基礎上，利用衛星遙感、無人機遙感和人工復核相結合的方式，發揮不同手段的優勢，對飲用水水源地進行環境監管，結果表明，水域面積、植被覆蓋、土地利用現狀等宏觀監管準確率較高，效果良好；水庫庫區共發現了9處裸露地塊，需進行人工治理；共發現30處工業企業，其中二級保護區的2處在產工業企業需重點關注；另外，水庫淺灘處水質較差，總磷超標，需進行進一步的污染治理，使其水質達標。該案例切實結合“玉環市里墩水庫飲用水水源地一源一策治理方案”編制項目，真正在飲用水源保護尤其是較小型水源地的六項重要監管工作中得到實際應用，有較大的借鑒和推廣價值。