饮用水源地天－空－地一体化环境监管的实践应用研究

宋小晴 章佩丽 王昱 古兵华 宋亮楚

摘要：为了系统地进行饮用水水源地“天－空－地一体化”环境监管，文章以里墩水库为捌，使用卫星遥感技术进行水域面积遥感监测和植被覆盖度监测；利用卫星遥感技术结合无人机遥感技术进行土地利用现状监管厦土地裸露分析；使用无人机遥感技术结合人工复核进行工业点源分布分析；并利用地面监测站点的水质信息结合卫星遥感技术进行水质反渍。谊案例通过多种监管手段的协同配合，充分发挥不同时空维度的功能，切实有效地开展了里墩水库环境监管工作。

关键词：遥感监测；饮用水水源地；生态环境监管

中图分类号：X87 文献标志码：A

前言

饮用水水源地的传统监管方式主要包括地方生态环境主管部门自查、上级生态环境主管部门检查、社会监督等。在监管过程中，巡查效率较低，需耗费大量人力、物力和财力，且部分地段难以巡查到位，无法达到目标区域全覆盖的效果。

天－空－地一体化监管是综合运用卫星遥感监测、航空遥感监测和地面站点（或人工核查）等监测手段建立的立体生态环境监管感知体系。该监管理念需要整合不同手段信息，在空间、时间尺度等方面取长补短、互相补充，2021年5月，崔凡等以遥感宏观监测判别为主，并依据实际情况采用无人机巡航、定点监测并行开展粤港澳大湾区重要饮用水水源地精细化监测。但目前形成天－空－地一体化监管的实践案例较少，且没有针对饮用水源地形成完整的应用体系，更没有形成可推广的应用示范。

文章围绕里墩水库饮用水水源地监管，充分发挥卫星遥感解译一重点区域无人机航拍一人工现场复核的新型监管模式在不同时、空监管的优势，构建包括监视水源保护区内水域面积、监测水质参数、掌握植被覆盖现状、明确土地利用格局、进行裸露地块监管及强化污染源综合整治在内的饮用水水源地监管框架体系。该案例将“天－空－地一体化”监管体系中各监管手段结合方式及其工作内容进行了明确，使其真正在饮用水源保护的六项重要监管工作中得到实际应用，为后续推进水源地生态环境管理工作精准化、信息化提供借鉴。

1研究区概况及数据源

1.1研究区概况

里墩水库（N：28°06′38″－28°07′47″，E：121°09′09″－121°10′30″）位于台州玉环大麦屿街道，流域面积11.20 km2，是玉环最大的县级饮用水水源地。

1.2数据源

文章使用的2021年8月8日国产高分二号原始影像由某卫星公司提供。原始的卫星遥感多光谱影像经过正射校正、辐射定标、大气校正、几何精校正等预处理后，使用里墩水库矢量数据裁剪得到研究区的影像图。

采用无人机航拍技术作为卫星遥感监管的补充及验证，于2021年9月24日使用经纬M300 RTK针对重点区域和容易误判的地物类型进行无人机航拍。航拍过程中飞行高度150 m，每航次飞行时间约5-10 min，航拍完成后，对航片进行拼接、修正、配准，最后生成正射影像。

2研究模式

水源地环境保护是一项复杂的系统工程。如图1所示，卫星影像覆盖范围广，适合大尺度监管水源地。文章利用卫星遥感技术进行里墩水库水域面积遥感监测和植被覆盖度监测。无人机影像分辨率较卫星高，但其覆盖面积窄，土地利用现状监管及土地裸露分析需要结合卫星遥感技术和无人机遥感技术，即先利用卫星遥感技术识别不同类型的土地，并针对易错类型或不确定类型进行无人机遥感验证，综合两种监管手段进行完整准确的土地利用现状监管及土地裸露分析。无人机遥感技术结合人工复核进行工业点源分布分析，地面监测站点的水质信息结合卫星遥感技术进行水质反演，由点到面，完整的展示水源地水质分布状况。水质分布状况结合土地利用现状及工业点源分布情况，进行初步的污染溯源，为水源地环保监管工作提供一定的技术支持。

3研究方法

3.1水域面积遥感监测

归一化差分水体指数（NDWI）可以最大程度地抑制植被信息，突出水体信息，公式如（1）：

3.2植被覆盖度监测

利用植被指数（NDVI）使用像元二分模型近似估算植被覆盖度（VFC）。

其中，NDVI为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，NDVl则代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。在没有实测数据的情况下，通常取直方图累计频率为5%与95%的NDVI值作为NDVI和NDVleS的值。

3.3土地利用现状监管

采用随机森林自动分类和人机交互解译相结合的方法，提取土地利用现状图斑。利用高分卫星遥感影像特有的光谱、纹理、层次和形状特征，对遥感影像进行多尺度分割，生成影像多边形对象，基于影像对象特征使用随机森林自动提取林地、耕地、草地、城镇与工矿用地、水域、交通用地及裸地的图斑。

通过卫星影像的光谱特征判读一级地类的容易误判的地方，主要有未成林造林地，农用地中暂未利用地，可调整的未成林造林地，部分旱地、未利用地中的季节性的河流。针对此现象，需对疑难图斑进行野外验证，根据无人机野外验证的结果对土地利用现状图斑进行修改和完善。

3.4土地裸露分析

针对土地利用现状中获得的非植被覆盖区使用无人机进行航拍。土地裸露遥感分析使用面向对象特征提取方法进行，充分利用高分辨率航拍数据的空间、纹理和光谱信息来分割。将正射影像分割成不同的对象单元（50×50 pixel），每个对象单元中包含相同语义的像素集。在影像中选取具有典型性的土地裸露样本，通过e Cognition 9.0中模板匹配分类功能初次标识土地裸露区域，最后通过人机交互解译进一步确认目标，剔除非目标。

3.5工业源分布分析

在城镇与工矿用地范围内使用无人机进行航拍，将正射影像的分割单元设置为20×20 pixel，使用ENVI 5.3中Feature Extraction模块，从高分辨率全色影像中提取工业源。室内解译工作完成后，需对解译结果进行实地调研，避免出现误判。

3.6水质指标分布分析

参考马方凯、谭小琴等的研究，利用地面监测站点（E121°10′35.5″，N128°07′48.4″）对应的卫星影像光谱值及站点监测数据进行水源地水域总磷、总氮的质量浓度参数反演。由点到面，获得水域面的水质监测结果，全面展示水体现状。具体模型公式如（4）-（5）：

4里墩水库饮用水源地实践应用

4.1水域面积遥感监测

如图2所示，为里墩水库2021年8月水域提取的结果，统计面积约为0. 370 3 km2。采用人机交互的方式进行准确度计算，主体水域部分准确度达到100%，其他零星水体根据目视判别，其准确度也达到较高级别。在饮用水源地使用卫星遥感技术可以准确监测水域面积，并进行动态监测。

4.2植被覆盖度监测

使用ENVI软件统计像元值，得到频率直方图累计频率为5%与95%的NDVI值分别为0.074 5和0. 858 8，按照3.1.2的方法带人到公式（3）计算植被覆盖度。

如图3所示，VFC的遥感监测图用来分析植被的空间变化。数值越大，代表植被覆盖度越高；数值越小，代表植被覆盖度越低。其中二级保护区福山村、准保护区高升村等居民区多位于道路附近，交通便利，植被覆盖度低。各级保护区的植被覆盖度稍有不同，1级保护区的植被覆盖度较高，均值为0.803 5；准保护区的植被覆盖度较低，均值为0.714 8。夏北成等的研究将VFC分为5级，其中若VFC≥0.7，则视为该区域植被覆盖良好，林木茂密。研究中，里墩水库准保护区VFC≥0.7，视为高植被覆盖区。

4.3土地利用现状监管

基于影像对象特征使用随机森林自动提取土地利用图斑，并对易误判图版进行野外验证。文章针对裸地进行野外验证，证实部分图斑并非裸地（如表1所示）。裸地图斑中大部分为农用地中暂未利用地，土地上已种植果树幼苗，由于分辨率的原因，使得其与裸露土地的光谱、纹理、形状等特征类似而造成混淆；很小部分为未利用地中的季节性河流，因季节原因水面降低而裸露。另外，由于部分土地裸露面积较小，其像元与植被混合形成混合像元导致未被提取。

监管结果表明，保护区内土地现状以林地为主，占全部的57.5%；其次为耕地，占全部的27.7%；城镇及工矿用地占全部的7.4%；水域面积占全部的3.3%；交通用地、草地及裸地分别占全部的1.8%、1.7%及0.6%。

4.4土地裸露分析

库区共发现9处由于人类活动开发利用后导致的裸露地块。如图4所示里墩水库部分裸地的现场航拍照片。实地调研发现保护区内土地裸露面积较小，其中2处位于一级保护区，6处位于二级保护区，1处位于准保护区。

4.5工业源分布分析

室内工作初步解译出34处工业企业疑似点位，针对这34个点位进行实地调研复核，确认其中4处疑似点位为居民房，居民房房顶覆盖蓝色遮雨顶棚，其与工业点源的厂棚在无人机影像中有相似的颜色、纹理等，造成了计算机误判。

结合无人机航拍和人工复核结果发现，里墩水库保护区范围共涉及工业企业30家，其中6处位于二级保护区、24处位于准保护区。其中二级保护区内2处在产，另外4处酿酒厂目前已断电停产，厂房处于搬迁状态，主要涉及黄酒酿造行业。准保护区内24处企业均在产，行业类型主要为阀门和旋塞制造，基本不涉及生产用水，生活污水均纳人污水处理厂。部分工业企业由于墙角渗水、屋顶漏水等原因，导致油污随雨水冲刷进入雨水管网。

4.6水质指标分布分析

根据光谱值计算得到总磷浓度0.004 5 mg／L（站点实测0.005 mg／L），总氮浓度0.50 mg／L（站点实测0.52 mg/L），其误差较小，可根据该模型进行总磷及总氮的反演。

里墩水库总氮和总磷浓度及水质类别空间分布图如图5所示。总磷浓度值分布在0.002 0-0.498 0mg/L，均值浓度接近于0，其分布较离散，浅滩处浓度较高，达到0.4 mg/L；总氮浓度值分布在0.005 9-1.493 9 mg/L，均值浓度0.221 5 mg/L，浅滩处浓度值略有增高。

根据地表水环境质量标准，除浅滩外，里墩水库基本为Ⅱ类水，浅滩处为V类水，其中水质较差主要原因是总磷超标。里墩水库浅滩处的浓度高于主库区，且高于Ⅱ类水水质标准值。调研发现，水库一级保护区陆域内存在大量的经济作物种植，在每年的农业施肥期及上游果业采摘后的施肥期，部分含磷农药、肥料等随地表径流进人水库；另一方面，浅滩处较主库区更为曲折狭窄，其水量较小，磷等污染物在此聚集，使得总磷在浅滩处超标。

5结论

文章以里墩水库为例，在一级、二级和准保护区的矢量基础上，利用卫星遥感、无人机遥感和人工复核相结合的方式，发挥不同手段的优势，对饮用水水源地进行环境监管，结果表明，水域面积、植被覆盖、土地利用现状等宏观监管准确率较高，效果良好；水库库区共发现了9处裸露地块，需进行人工治理；共发现30处工业企业，其中二级保护区的2处在产工业企业需重点关注；另外，水库浅滩处水质较差，总磷超标，需进行进一步的污染治理，使其水质达标。该案例切实结合“玉环市里墩水库饮用水水源地一源一策治理方案”编制项目，真正在饮用水源保护尤其是较小型水源地的六项重要监管工作中得到实际应用，有较大的借鉴和推广价值。