空间分布频率分析法在太湖水华遥感监测中的应用

姜 晟，李旭文，牛志春，金 焰，茅晶晶

1．江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036

2．江苏省生态环境监控中心，江苏 南京 210036

太湖地处长江中下游平原，属大型浅水湖泊，大部分位于江苏境内，南部沿岸毗邻浙江。90年代以来伴随流域经济迅速发展，湖泊富营养化问题逐渐凸显，2007年因水华暴发造成饮用水危机［1］。在国家和省市各级政府的高度关注下，环保［2-8］、水利［9］、气象［10］等行业部门以及中科院等高校院所［11-12］开展了大量的研究和治理工作，尤其是遥感等新兴监测技术的广泛应用，为全面掌握太湖水环境质量现状、了解水华变化规律、解决湖泊富营养化问题积累了宝贵的数据基础和实践经验［13］。

根据2012年江苏省环境状况公报，太湖仍处于轻度富营养化状态。针对太湖水华空间分布变化的研究工作已取得了很大进展，并且利用大量数据归纳总结了一些基本规律，但在空间分析方法方面研究尚不充分，大都选择通过传统数值统计法加以分析评价，不能完全发挥出卫星遥感高时间分辨率、大范围连续监测的技术优势，难以直观表达中长时间尺度上太湖水华的分布格局，对于明确下一阶段太湖治理重点范围也存在一定影响。基于上述原因，该研究利用目前普遍使用的MODIS卫星遥感数据，提出一种简单有效的空间分析技术方法，针对2009—2012年太湖水华变化规律进行分析总结，并结合常规监测结果，探讨湖体营养盐浓度与水华分布的响应关系。

1 空间分布频率指数与计算方法

利用MODIS影像进行太湖水华分布提取的技术方法已较为成熟［14］，其中以归一化植被指数(NDVI)法应用最为广泛，基本原理是通过水华暴发水域与正常水体在近红外及红光波段反射信息的强弱不同而加以区分，具体在MODIS数据中表现为

式中ρband1为MODIS影像1波段反射率，ρband2为影像2波段反射率。

一般情况下，水华暴发水域NDVI＞0，且随藻类聚集程度增加而升高，正常水域NDVI＜0。实际研究过程中则根据每景影像结合专家经验适当调整判读阈值(图1)，并去除云层和水生植被覆盖区域，利用栅格重分类方法得到太湖水华分布解译二值图(即在重分类后将正常水体区域赋值为0，水华分布区域赋值为1)。

图1 太湖MODIS影像与NDVI图

确定研究周期后，即可通过空间分布频率指数(SDFI)法，计算得到不同区域的水华分布频率差异，具体公式：

式中Ri为第i日水华分布解译二值图中的栅格像元值，n为影像数，t为整个研究周期的总天数。

SDFI代表了某一时段某一区域内重复监测到水华分布的天数占总天数的百分比，SDFI越高表明该区域内重复观测到的水华次数越多，藻类聚集程度越高。与NDVI或其他基于单景影像计算得到指标相比，SDFI可以更好地表征一段时期内水华空间分布的总体特征，并且能够进一步计算得到同一研究区域水华空间分布的同比、环比变化趋势;而与NDVI相比，则受单个数据样本计算结果的影响较小，且指标意义更明确，与环境管理联系更紧密。

2 太湖蓝藻水华年度变化分析

利用SDFI法，将2009—2012年水华发生最为频繁的4—10月作为研究周期，针对MODIS卫星遥感解译结果进行计算并加以统计后发现：

1)2009—2012年，太湖水华频发区域主要集中在西部沿岸，其次为梅梁湖和竺山湖，再次为湖心区和贡湖，东太湖较少监测到水华发生现象，4年中主要暴发区域未发生明显变化(图2)。

图2 2009—2012年4—10月太湖蓝藻水华空间分布频率

2)根据SDFI范围将太湖水华分布情况划分为4级，SDFI=0为正常水体，0＜SDFI≤5%为水华偶发区域，5% ＜SDFI≤10%为水华多发区域，SDFI＞10%为水华频发区域。统计各类水域占太湖湖体总面积的比例结果(表1)表明，2009—2012年未监测到水华分布的正常水域面积有所上升，至2012年达到太湖总面积的一半，反映出太湖水华大范围暴发状况略有缓解;在水华分布水域中，大部分属于偶发区域，约占全湖总面积的40% ～50%，变化程度并不显著;水华多发区域约占全湖总面积的10%左右，频发区域则低于3%，4年中基本处于波动起伏。

表1 2009—2012年4—10月不同水华分布区域占太湖总面积比例统计 %

3)2010年水华分布范围最大，约有63%的湖体曾监测到水华现象;2011年水华聚集程度相对最高，约有3%的频发区域和10%的多发区域;2012年水华分布范围相对最小，且聚集程度也相对较低。

3 湖体营养盐浓度与水华分布关系

根据已有研究经验和数据分析结果，多数学者认同影响太湖水华分布的主要因素包括藻类自身生理特点、营养盐、湖流、风向及其他动力因子［10，15］，其中营养盐浓度水平不仅与水华分布密切相关［16］，而且直接影响湖体水质状况［7］。通过对2009—2012年太湖湖体浮标自动监测站点数据插值运算后发现，高锰酸盐指数、总氮、总磷3项主要水质富营养化指标的4年浓度均值高值区均集中在太湖西部沿岸，其次为梅梁湖和竺山湖，贡湖、湖心区和东太湖相对较低，与同期SDFI计算结果在空间分布上具有良好的一致性(图3)。

图3 2009—2012年太湖湖体富营养化指标浓度均值与SDFI空间分布比较

进一步按年度分析比较后发现，2009—2012年太湖湖体高锰酸盐指数、总氮、总磷各年度的年均浓度最大值也主要集中于西太湖沿岸，而最小值则基本出现在东太湖，与SDFI的统计结果十分接近(表2)。这一方面说明了太湖水华的暴发频率与湖体营养盐浓度水平密切相关，另一方面也间接反映出SDFI可以较好地表征水华分布与营养盐浓度的内在关联。

表2 2009—2012年太湖湖体富营养化指标浓度最值与SDFI空间分布比较

4 结论

以MODIS为代表的高时间分辨率遥感影像在太湖蓝藻水华监测方面已经得到了广泛应用，而通过研究发现，基于中长时间尺度多时相数据解译结果的空间分布频率指数SDFI在表征水华空间分布格局方面效果较好，可以作为太湖水华分布综合评价的重要指标之一;另一方面，经与2009—2012年太湖湖体自动监测数据比较发现，高锰酸盐指数、总氮、总磷等富营养化指标的4年浓度均值与SDFI同期结果具有良好的空间分布一致性。分析结果表明，太湖西部沿岸是过去4年中水华暴发频率与营养盐浓度水平最高的区域，其次为梅梁湖和竺山湖。

考虑到太湖湖体的富营养化状态和风向、湖流等动力因子在短时间内不会发生明显变化，因此，未来数年中太湖水环境保护工作的重点仍应放在西部沿岸、梅梁湖、竺山湖等重要区域。

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