您的当前位置:首页正文

饮用水水源保护区高尔夫球场卫星遥感监察技术研究

来源:一二三四网
环境与可持续发展 2016年第6期 ENVIRONMENT AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT No.6.2016 饮用水水源保护区高尔夫球场 卫星遥感监察技术研究 姚延娟刘思含高彦华王展 100094) (环境保护部卫星环境应用中心,北京【摘要】饮用水安全是影响经济发展、社会稳定和人体健康的重要因素。快速准确地确定饮用水水源保护区内的高尔 夫球场空间分布信息,以信息化手段辅助水源地安全现场检查以提高监查效能,是饮用水源地保护区环境监察的关 键。本文基于高空间分辨率卫星遥感数据。首次提出了高尔夫球场遥感监测分类体系,并构建高尔夫球场遥感监测 技术体系.实现基于卫星遥感的水源保护区内高尔夫球场分布信息提取,以及对球场各组成要素的空间定位和面积 计算。基于水源地保护区现场执法系统。实现了卫星监测的高尔夫球场空间分布信息、水源地保护区边界信息、行 走路线等现场数据采集等多源信息的现场业务集成与显示,可为水源地保护区高尔夫球场现场监察提供有效的数据 与技术支持。 【关键词】饮用水源;水源保护区;高尔夫球场;卫星遥感 中图分类号:X81 文献标识码:A 文章编号:1673-288X(2016)06-0052-05 1引 言 饮用水安全是影响经济发展、社会稳定和人体健康 口。禁止在饮用水水源一级保护区内新建、改建、扩建 与供水设施和保护水源无关的建设项目:禁止在饮用水 水源二级保护区内新建、改建、扩建排放污染物的建设 的重要因素。保障饮用水安全是维护广大人民群众根本 利益的基本要求。党中央、国务院高度重视饮用水安全 保障工作。提供给千家万户的自来水质量与水源地提供 项目:禁止在饮用水水源准保护区内新建、扩建对水体 污染严重的建设项目。2015年4月发布的“水污染防 治行动计划(水十条)”第(二十四)款要求“保障饮用 水水源安全。要求依法清理饮用水水源保护区内违法建 筑和排污口”。可能向饮用水水源地释放有毒有害物质. 造成饮用水水源水质恶化的污染源称为水源地风险 源_1,2]。《集中式饮用水水源环境保护指南(试行)》要 的原水水质紧密相关。原水保护具有极佳的经济效益和 较小的生态风险.是饮水安全保障的基础和关键所在, 水源地保护对于保障饮用水安全具有重要意义。《全国 地下水污染防治规划》、《水污染防治行动计划》等都 将饮用水水源保护作为重点,对水源地环境管理工作明 确了具体任务和要求。 水源地环境保护是一项复杂的系统工程,为从源头 上加大饮用水安全的保障水平。防治饮用水水源地污 染、保证水源地环境质量,各级政府对为人民群众生活 供水水源的水源地划定特殊保护的一定面积的水域和陆 域即水源保护区。集中式饮用水水源地(包括备用的和 规划的)都应设置饮用水水源保护区;饮用水水源保护 区一般划分为一级保护区和二级保护区,必要时可增设 准保护区。我国对于水源保护区范围实施严格的环境监 求对饮用水源地的风险源进行控制与管理,这就需要对 水源保护区内的所有风险源进行全面调查.并将识别出 的风险源建档立案,一源一档,实施分级分类动态管 理,并及时更新有关信息。 高尔夫(GOLF)运动在20世纪传人我国。高尔夫球 是一项与大自然亲密接触的运动。随着我国经济的高速 发展和改革开放的不断深入.高尔夫球运动在我国迅速 普及和发展。大量建设高尔夫球场有许多弊端,除了需 巨额投资和占用大量宝贵土地之外,日常维护管理需要 大量浇水,消耗宝贵的水资源,高尔夫球场绿化区(特 管。水源保护区的划定为水源地水质保护提供了基本保 障。如何真正落实水源保护区内各项环保要求已成为水 源地水质保护的工作重点。 别是草坪)在天气干旱的季节需要大量水补充,生长期 长、叶面积大、生长速度快、根系发达的草坪绿地,需 水量更大:对北方缺水地区。高尔夫球场对水资源的消 耗严重[3]。高尔夫球场对果岭、发球台场地的草种、草 色要求极为严格,为使人工种植的草坪保持新绿,不长 《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国水污染 防治法》都规定:禁止在饮用水水源保护区内设置排污 项目资助:国家自然科学基- ̄(41271349);高分辨率对地观测系统重大专项(民用部分)(05一Y20A33—9001—15/17)等课题资助 作者简介:姚延娟。正高级工程师,研究为饮用水源地环境安全遥感监测与评价 通讯作者:王晨,博士,工程师,主要从事流域生态环境遥感方面研究 引用文献格式:姚延娟等.饮用水水源保护区高尔夫球场卫星遥感监察技术研究[J].环境与可持续发展,2016,41(6):52—56 姚延娟 等:饮用水水源保护区高尔夫球场卫星遥感监察技术研究 杂草,不生病虫害,必须施用较多数量的化肥、农药, 所需化学药品可多达5O种 4 J。通常一个标准的高尔夫 球场草坪和树木占整个球场面积的70%左右.所有的草 坪和树木都要人工进行养护,其中氮肥和磷肥。以及球 场常用的多菌灵、百菌清、五氯硝基苯和吠喃丹等化肥 相机 类型 .53・ 的基础上.进行专题信息提取。 表1 GF一1卫星有效载荷技术指标 光谱范 空间分辨 围/p.m 0.45—0.52 60 幅宽 /km 重访周 期/d 率/m 2 全色 0.45~0.90 多光谱 8O.52~0.59 和农药通过球场的排水口流人附近的河流、水库等水体 中造成污染。大量施肥,喷洒杀虫剂、杀菌剂、除草剂 等化学药品,严重污染土壤,污染地表和地下水源。球 0.63~0.69 O.77~0.89 2 (2台相 机组合) 侧摆4天, 不侧摆4l天 场开业年限越长,其影响或者潜在威胁周边水体环境的 可能性越大_6]。此外,高尔夫球场同时存在破坏生态平 衡、影响生物多样性、降低生态承载力、影响城镇生态 系统的稳定等生态风险。 水源保护区范围大且具有空间分布的特点.完全基 2.2高尔夫球场遥感监测分类体系构建 高尔夫球场分布示意图如下,通常由发球台、球 道、果岭、障碍区(沙坑、水池、河流、树丛)、标志树 及其它功能性场所构成。 l一发球区 2一河川 3一深草区 4一界外 5一沙坑 6一水塘 7—球道 于地面调查手段对影响水质的风险源进行详查的工作量 巨大,而环境管理所需的动态持续更新则更为困难。占 地面积大是高尔夫运动最基本的特点,目前有些高尔夫 球场使用农药杀虫剂超标,有些球场建设在水源上游. 对饮用水造成一定影响,高尔夫球场属于高风险污染行 业,环境安全隐患较大。准确、及时掌握饮用水源保护 区内的占地面积巨大的高尔夫球场分布及动态变化是开 展环境监察的基础,本文首先创建高尔夫球场的国产高 分卫星遥感监测技术体系,其次提出并开发基于移动端 的水源地现场执法技术支持系统_2].为水源保护区内高 尔夫球场的现场生态监察提供技术支持.提高水源地高 尔夫球场现场环境监察效率。 8一果岭 9一旗竿 l 球洞 图1高尔夫球场分布示意图 发球台形状多种多样.以长方形.正方形、椭圆形 为常见,另外还多用半圆形、圆形、S形、L形等。一 般面积为3O~150平方米,较周围高0.3~1.0米,以利 2饮用水水源保护区高尔夫球场遥感监测技术 体系构建 由于高尔夫球场各组成要素空间尺度较小.开展高 于排水并增加击球者的可见性.表面为修剪过的短草。 球道一般长为90~550米,宽30~55米不等,南北方面 是较理想的方向。果岭是高尔大球场的关键区域.每个 果岭的大小、造型、轮廓和周边的沙坑都各具特色,果 岭草坪高度要求在5.0—6.4毫米之间,表面均匀,光 滑。障碍区一般由沙坑、水池,树丛组成,其目的是用 来惩罚运动员的不准确击球.沙坑一般占地面积为140 —尔夫球场卫星监测需要基于高空间分辨率卫星数据进 行。在构建球场各组分遥感分类体系的基础上.采用面 向对象的信息提取方法,对高尔夫球场空间分布及动态 变化进行卫星遥感监测;并通过移动端的水源地现场执 法技术支持系统,将球场空间遥感监测结果应用于高尔 夫球场现场环境监察。 2.1遥感数据源 380平方米,有的沙坑可高达2400平方米左右,大多 数18洞高尔夫球场有40—80个沙坑.根据打球需要和 设计师的设计思想来确定;水池不仅是击球的障碍,同 时还可起到很好的造景作用。高尔夫球场中的标志树是 为使高乐夫球手在击球时能够计算出球落点的位置,常 在距发球台50、100、150、200码(1码=0.9144米)的 高尔夫球场空间分布遥感信息提取以2米空间分辨 率的卫星数据为基础数据源,本研究以GF一1卫星数据 为主,辅以SPOT5、ZYI一02C和ZY一3等卫星数据.参 考Google Earth影像数据,所有空间数据的投影及后续 制图均采用Albers—Krasovsky等面积投影。高分一号卫 位置上栽植,可在50、150码处栽植单棵大树或小树, 在100、200码处栽植两棵大树或小树,使击球手容易 星(GF一1)是一颗高分辨率对地观测应用卫星,是高分 辨率对地观测系统国家科技重大专项的首发星.配置了 2台2米分辨率全色/8米分辨率多光谱相机和.4台16 判断球落地的距离。除去上述涉及的方面以外,高尔夫 球场一般还要包括练习场、会馆以及休息亭等等。 米分辨率多光谱宽幅相机。高尔夫球场识别应用2米全 色与8米多光谱相机数据,相机具体指标见表1所示. 在对全色与多光谱数据大气纠正、几何纠正、影像融合 根据高尔夫球场的构成及高空间分辨率遥感数据可 识别地表目标类别.构建高尔夫球场遥感监测分类体系 如表2所示 ・54・ 环境与可持续发展 2016年第6期 表2高尔夫球场遥感监测分类体系 序号 名称 说明 包括发球台、球道、果岭,其独特植 1 眯场主标志区 被光谱有别于其它植被 沙坑以高反射光谱使得其在卫星影像 2 障碍区一沙坑 上为近白色区域 水体的低反射使得其在卫星影像上为 3 障碍区一水体 “黑色”区域.包括水池、河流等水体 包括~会馆、休息亭、停车场、相关房 4 功能性场所 地产开发等,功能性场所以其特有纹理 (a)球场主标志区 及光谱使得在卫星影像上可以被识别 2.3高尔夫球场卫星遥感监测技术 不同空间分辨率遥感数据具有不同的光谱特征与空 间纹理特征 ].需要采用合适的分类方法才能达到需要 的分类效果,传统的基于统计模式的方法与面向对象的 分类方法及人T目视解译方法都有各自的适用范 嗣[8-15】。本研究根据高尔夫球场分布遥感监测所用卫星 (b)障碍区一沙坑 数据特点,采用面向对象的分类方法,在软件分类的基 础上.加人人丁判读,开展研究区的高尔夫球场分布遥 感监测。 高空间分辨率遥感影像解译结果具有较高可信度, 常常是用来做实地验证的替代方案。本研究基于高分辨 率卫星数据开展高尔夫球场分布信息提取T作,从理论 上讲,精度是得以保证,此外,我们针对随机选择几类 地物开展了分类算法精度验证,从上述地表类型分类结 果的实地验证结果(见图2)来看,解译结果与实地情况 致,可以确定该研究的解译结果真实可信。 一_  一2.4水源保护区现场监察技术 一水源地环境监察是在水源保护区现场进行的执法活 动.旨在督促和检查相关法律法规以及管理制度措施的 落实情况,与宏观生态环境管理相比,饮用水源保护区 环境监察更为微观、具体.强调“现场”和“处理” 两个概念。水源地生态环境监察工作覆盖范围广,存在 专职监察人员少以及监察装备落后等问题,严重制约了 水源地生态环境监察T作的深入开展,总体来看,我国 水源地生态环境监察仍处于起步阶段.迫切需要利用高 新技术提高现场执法监查效率。 现场执法呈现显著的“移动性”特征,移动执法终 一 一 一 (d)功能性场所 注:左图为全包与多光谱融合高分影像 空间分辨率为2m.右图为实地照片 图2高空间分辨率遥感影像与实地情况对比 信息。该平台集成遥感技术、地理信息技术和定位技 术.基于Android操作系统的平板电脑,将GPS导航定 位功能、数码相机拍照功能以及野外现场数据采集录入 等功能有机整合,为水源地现场执法监查提供了全新技 术手段 。 总体来看,基于平板电脑的饮JI=}=j水源地现场执法系 统实现了现场数据的快速采集和“网属”一体化的业 端无疑是各级环境监察执法人员的理想执法.[具,目前 硬件技术的发展为移动执法提供了条件。为提高水源保 护区现场执法监查工作效率,我们开展了面向水源保护 区现场环境执法的任务要求和卫星遥感应用需求分析. 在此基础上开发了水源保护 现场执法监查系统平台. 该系统平台在利用卫星影像提取饮用水源地保护区高尔 夫球场空间分布的基础上.结合平板电脑的出色便携 性,能够迅速展现水源地保护区现场执法所需要的空间 务集成,将卫星数据提取的高尔夫球场分布信息及水源 地保护区边界l 信息有机融合、应用于水源保护区现 l场监查,同时采集现场信息信息,解决了以往水源保护 区现场监查目标性不强和目标位置不易确定等问题 姚延娟等:饮用水水源保护区高尔夫球场卫星遥感监察技术研究 ・55・ ■■■■ll  ●}=  ■■■ 水源地现场执法系统可以在现场巡查时,根据具体 术支持。 目前,该系统平台已经开始应用在环保部门开展的 水源保护区高尔夫球场空间分布现场监查工作中,系列 应用实践证明该平台系统性能稳定,解译精度准确,获 取执法信息快速可靠,为执法人员提供了准确及时的信 息服务.切实提高了水源地现场执法的工作效率,可成 为未来水源地保护区现场执法必备的技术支撑平台。 情况.进行位置信息、图片信息及音频信息的现场采 集.该功能可以解决应急状态的信息采集,对于现场执 法是非常必要的功能,图3为水源地保护区高尔夫球场 现场监查信息采集工作界面。 3饮用水水源保护区高尔夫球场遥感监测应用 示范 本文以某饮用水源地保护区为应用示范区,通过对 水源地保护区内高尔夫球场进行卫星遥感监测,并通过 水源保护现场监察执法系统,为环保部门高尔夫球场现 场检查提供数据与技术支持。图5为高尔夫球场分布遥 图3水源地保护区高尔夫球场现场监查 信息采集工作界面 感监测结果 从图上可以看出,基于高分卫星影像,球 场主标志区、障碍区一沙坑、障碍区一水体、功能性场所 一会所等球场空间分布均可以通过遥感解译进行识别和 水源地现场执法系统可以对现场巡查路线进行自动 记录.图4就是现场行走路线记录界面,通过固定时间 间隔与确定距离两种方式.对现场行走的路线进行记 监测.获取球场各区域的空间分布可以有效引导环境执 法人员的高尔夫球场现场检查工作。图6为高尔夫球场 分布与饮用水源保护区空间关系示意图.由图可以看 录.后期可以对巡查路线进行导 分析等处理。 出.球场全部区域分布于饮用水源二级保护区范围内, 且距离水源地水体较近。图7为水源保护区现场监察技 术的具体应用情况.首先基于高分卫星影像获取高尔夫 球场空间分布信息,通过水源地现场执法系统,将室内 监测信息带到检查现场,采集现场行走路线数据等新的 信息,辅以水源地保护区边界等进行多信息协同的综合 分析,为水源保护区范围内的球场现场监察提供有效的 数据及技术支持。 图5高尔夫球场分布遥感监测图 4结论与展望 图4水源地风险源现场执法轨迹示意图 饮用水源地现场监察工作中,除排污VI等固定源类 另外.该系统还可以在移动端查看基于卫星数据提 取的风险源信息,提前确定高尔夫球场现场检查目的 地,并且,现场巡查时,可以依据GPS定位,直观明确 的确定高尔夫球场分布与水源地保护区位置关系,进而 对球场对水源地影响进行定性判断,为现场决策提供技 风险有“据”可查外,高尔夫球场等其它风险源常因为 目标与位置不明确而使得对其开展环境监察工作的可操 作性差。本文探索了基于高空间分辨率卫星数据提取水 源保护区内高尔夫球场信息的技术方法,对球场主标志 区、沙坑和水体等障碍区、会馆和停车场等功能性场所 ・56・ 岛尔夫坤蟠与水湮保护区美最示枣期 环境与可持续发展 2016年第6期 界内”等问题提供了方法与思路。该系统平台有效解决 了水源地现场环境监察目标不明确及不易操作的难题, 成为水源地及相关领域现场环境监察不可缺少的技术支 撑.对于巩固水源地生态建设成果,促进水源地生态环 境质量改善具有重要的现实意义。此外。该成果也可为 其他领域的生态环境监察提供思路与方法借鉴。 参考文献: 1]《集中式饮用水水源地环境保护状况评估技术规范)(HJ774—2015). 图6高尔夫球场与水源保护区关系示意图 :2]姚延娟.吴传庆,吴迪,王雪蕾,殷守敬,马万栋.饮用水源地生态环境现 场监察技术研究,生态与农村环境学报.2013,29(5):657-661.[3]江 夏保养草坪用水多播}i!{农药污染重.环球时搬,2002—08—0I. :4]US EPA.Background Report on Fertilizer Use.Contaminants and Regulations. 1999. :5]劳秀荣.现代草坪营养与施肥.第1版北京:中国农业出版社,2002. 『61常智慧北京七家高尔夫球场地表水水环境状况调查川.草地学报,2007 (9):56-58. [7]Townshend J.Huang C,KaUurl S.Defiies R,el a1.Beware of per—pixel eharacterisation ofland cover[J].International Journal ofRemote Sensing.2000, 21(4):839—843 [8]陈忠高分辨率遥感图像分类技术研究[D].北京:中国科学院遥感应用研 究所.2006. [9]陈秋晓.高分辨率遥感图像分割方法研究[D].北京:中国科学院地理科学 Abstract:Safety of drinking water is an important factor that affects economic development,social stability and human health. There are two important issues for eco—environment supervision of the drinking water source protection.One is to determinate the spatial distribution of golf course in drinking water source protection area quickly and accurately.The other is to use the Information Technology for water source safety site inspection to improve the effectiveness of Off—site monitoring.Based on the high spatial resolution satellite data and golf course supervision classiifcation system of drinking water sources,the distirbution information of golf CouPe in the water source protection area and the spatial location and area of the variOUS components of the golf course were alSO determined.Based on the on—site inspection system for drinking water source,The multi source information integration and display are realized,such as the spatial distribution information of the golf course from the remote sensing data,the boundary information of the Water source protection areas,and the walking route.The proposed method and system provides effective data and technical support for the field monitoring of the golf course in the water source area. Keywords:drinking water source:Water source protection areas;golf course;remote sensing 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Top