利用多源遥感数据预警太湖沉水植物与藻类水华过程的实例研究*

宋 挺 刘军志 顾征帆 徐 超 江 岚

(1.无锡市环境监测中心站,江苏 无锡 214121；2.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏 南京 210023；3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,江苏 南京 210023)

水生植物通常被称为水草，根据其在水中的生长状态可以分为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物[1]。水生植物常被视为湖泊环境变化的指示物，是湖泊生态系统的重要组成部分，也是保持水生生态系统良性运行的关键种群[2-3]。水生植物具有显著的初级生产功能和保护生物多样性的生态功能[4-7]，其对内陆水体的物理和化学环境有明显的改善作用[8-9]，水生植物生长密集的地方水质状况一般较好。在太湖北部水域，随着近年来水质逐年转好，水生植物密度明显增高，有从藻型湖泊向草型湖泊转化的趋势。但是这也引发了一个新的环境风险，即在春夏季蓝藻开始繁殖之际，水华高发地带水生植物的密集生长对蓝藻的迁移造成阻隔[10]，使大量蓝藻堆积在局部范围内。在藻类与水生植物死亡后，很容易造成局部区域水质迅速恶化，水体发黑发臭形成湖泛[11]。

1 研究背景

太湖为我国第三大淡水湖，湖泊面积2 338.1 km2，平均水深1.9 m，最大水深2.6 m。太湖是存在严重蓝藻水华的典型内陆浅水湖泊，列为国务院重点治理的富营养化水域之一。

注：圆圈内为藻类聚集区域，图2、图3、图5同。图1 太湖2015年4月23日至28日MODIS影像Fig.1 The MODIS images of Tai Lake from April 23 to 28,2015

在利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)卫星遥感数据(空间分辨率250 m，每天过境4次)进行太湖蓝藻水华预警监测工作中，发现2015年4月23日至4月28日宜兴西部沿岸与竺山湖交界处有2 km2左右的蓝藻水华聚集现象(见图1)，通过卫星图片观察，蓝藻聚集区域固定且聚集面积稳定，正常情况下，在风力、光照等影响下，藻类聚集区域一般具有动态变化，长时间在相同区域的小规模藻类聚集现象较为少见，因此有必要对这一现象展开进一步的观测与研究。

2 蓝藻聚集的遥感解析与实地验证

针对MODIS卫星遥感数据在宜兴西部沿岸与竺山湖交界处观测到的蓝藻聚集现象，使用空间分辨率较高的环境一号卫星电荷耦合元件传感器(CCD)数据(空间分辨率30 m，每3天过境2次)对此现象做进一步分析。从2015年4月25日至4月28日的环境一号卫星伪彩色(近红外、红、绿通道，下同)影像上(见图2)可以看到，该水域连续多日水色较周边其他水域深，且掺杂有蓝藻水华特征的红色，推测该水域有较高密度的沉水植物，并有藻类富集其中。从MODIS影像上观察到的蓝藻聚集现象可能与沉水植物密集生长阻碍藻类迁移有关。

为验证遥感影像对该水域情况的判断，研究人员于2015年4月28日赴该水域进行现场观测，现场观测情况如图3所示。由图3可见，水域现场情况与之前判断基本一致，即该水域有较高密度的沉水植物，并对蓝藻起到了一定的阻隔与富集作用，经鉴定，沉水植物为眼子菜属Potamogeton，群落类型为单优群落，群丛优势种为菹草Potamogetoncrispus。

图2 2015年4月25日至28日环境一号卫星伪彩色影像Fig.2 The pseudocolor images of HJ-1 satellite from April 25 to 28,2015

图3 水域现场巡视照片Fig.3 Photos of the field observation

使用环境一号卫星CCD数据对该水域的情况进行追溯，从4月22日的伪彩色影像(见图4)来看，该水域呈现出红色絮状分布情况，可以推断该水域发生过一次蓝藻聚集，之后连续多日出现的小规模蓝藻聚集，可能与此次水华的蓝藻被菹草阻隔有关。从图5可以看到，4月10日该水域水色相对正常，与周边水域没有很明显的颜色差别，而到4月17日，该水域的水色较周边明显加深。依此推断，该水域的菹草在4月10日至4月17日间开始长出水面。

图4 2015年4月22日环境一号卫星的伪彩色影像Fig.4 The pseudocolor image of HJ-1 satellite on April 22,2015

图5 2015年4月10日与4月17日环境一号卫星的伪彩色影像Fig.5 The pseudocolor images of HJ-1 satellite on April 10 and 17,2015

3 沉水植物生长区域的光谱分析与范围提取

3.1 典型样本区域的遥感光谱特征分析

使用2015年4月26日的环境一号卫星CCD数据对沉水植物区域进行光谱特征分析。首先，对环境一号卫星CCD数据进行辐射定标、几何校正、大气校正等预处理，然后根据实地观测结合环境卫星影像，分别选取沉水植物区、藻草混合区、湖体周边陆地植被区和水体对照区等4类样本区域进行统计，各类样本区域在4个通道中心波长(475、560、660、830 nm)处的平均反射率光谱如图6所示。

图6 2015年4月26日不同类型地物的反射率光谱Fig.6 The reflectance spectra of different land features on April 26,2015

从图6可以看出，相对于陆地植被区，沉水植物区与藻草混合区在红光660 nm处的吸收谷不明显，说明两者在可见光下的植被特征不明显，整体上与水体对照区类似，但沉水植物区与藻草混合区在反射率上均低于水体对照区。沉水植物区的反射率在水体对照区、沉水植物区、藻草混合区中最低，因此在实际影像上表现出水色较其他水体更深；在近红外波段(830 nm)处，水体对照区反射率小幅下降，而沉水植物区和藻草混合区的反射率均出现抬升，但均远低于陆地植被区的抬升幅度，其中沉水植物区的抬升幅度在沉水植物区、藻草混合区、陆地植被区中最小，在伪彩色影像上沉水植物区主要表现为黑色但有略微的发红。

3.2 现场实测光谱反射率特征分析

实测光谱数据是水生植物和水华遥感识别方法建立和验证的基础[12]，对于发展遥感信息处理的新方法、提高遥感分类水平起着十分重要的作用[13]。本研究使用美国ASD公司生产的便携式ASD地物光谱仪，现场实测了不同类型地物的光谱反射率，测试波段为350～1 050 nm，光谱分辨率为2 nm。仪器观测平面与太阳入射平面的夹角为135°左右(背向太阳方向)，仪器与水面法线的夹角在40°左右，以尽量避免绝大部分的太阳直射反射，同时减少船舶阴影的影响。分别对标准灰板、水面和天空测量辐亮度，每次测量采集10条光谱，进行遥感反射率计算前，先对异常数据进行剔除，再对剩余的光谱曲线进行平均，然后使用平均处理后的数据计算遥感反射率(见式(1))。

(1)

式中：Rrs为遥感反射率；Lw为离水辐亮度，W/(cm2·nm)；Ed(0+)为水面总入射辐照度，W/(cm2·nm)。Lw和Ed(0+)可以通过以下公式计算得到：

Lw=Lsw-r×Lsky

(2)

(3)

式中：Lsw为总辐亮度，W/(cm2·nm)；r为气-水界面对天空光的反射率，根据唐军武等[14]的经验，平静水面r可取0.022，在5 m/s左右风速下r可取0.025，10 m/s左右风速下r可取0.026～0.028，本研究依据当日风速情况，r取值为0.025；Lsky为天空漫反射光辐亮度，W/(cm2·nm)；Lp为标准灰板的辐亮度，W/(cm2·nm)；ρp为标准灰板的反射率。其中，Lsw、Lsky、Lp均通过ASD地物光谱仪实测获得。

使用ASD地物光谱仪分别测量了沉水植物和周边对照水体共3条光谱，其中沉水植物测量1个点，对照水体测量2个点，两处对照水体测点的浊度经现场测量为11、87 NTU，分别计为水体1和水体2。数据经相关处理后，得到的反射率光谱如图7所示(为减少噪声的影响，仅使用350～850 nm的反射率数据)。

从图7可以看出，水体2的光谱反射率较另两条光谱要高，这可能与水体2的悬浮物含量较多有关。蓝藻中含有藻蓝蛋白，藻蓝蛋白在625 nm附近有一个吸收峰[15]，在反射率光谱上表现为谷值，3条反射率光谱在625 nm处均有不明显的反射谷，说明在3个测量区内的水体中均含有蓝藻，但密度相对不高。3条反射率光谱在675 nm处均出现反射谷，在700 nm处也都出现反射峰(荧光峰)，其中沉水植物表现最明显，是较典型的叶绿素特征，说明沉水植物的叶绿素信息较对照水体表现的更为强烈。在700 nm后的近红外波段区域，由于水体对近红外光的强吸收，两组对照水体的光谱反射率均呈明显的下降趋势；对于沉水植物而言，由于叶绿素细胞在近红外的强烈反射导致反射率在700 nm后下降缓慢。

图7 2015年4月28日现场采集反射率光谱Fig.7 Field reflectance spectra of different land features on April 28,2015

图8 2015年4月17日至28日沉水植物生长区域提取结果Fig.8 Extraction results of submerged vegetation regions from April 17 to 28,2015

3.3 沉水植物生长区域的提取

本研究采用监督分类的方法实现了沉水植物生长区域的提取和分析。首先，通过目视判读和现场调查，选取了沉水植物生长区域、藻草混合区域和水体等训练样本，然后利用ENVI软件对2015年4月17日、4月26日、4月27日、4月28日的环境一号卫星伪彩色影像进行监督分类，提取出该水域的沉水植物生长区域与藻草混合区域。沉水植物生长区域随时间的变化情况如图8所示，其面积变化见图9。经核算，2015年4月17日、4月26日、4月27日、4月28日沉水植物生长区域的面积分别为1.85、3.67、3.72、3.94 km2，呈缓慢增加的趋势。

图9 2015年4月17日至28日沉水植物生长区域的提取面积Fig.9 The area of submerged vegetation regions from April 17 to 28,2015

4 结论与建议

(1) 传统地面手段对沉水植物生长趋势和区域的监测费时费力，本研究综合利用多源遥感数据进行了一次大型湖泊的沉水植物预警和分析。首先利用时间分辨率高的MODIS数据进行连续监测，发现太湖宜兴西部沿岸与竺山湖水域交界处有连续多日相似面积的蓝藻聚集现象，然后利用较高空间分辨率的环境一号卫星CCD数据结合实地观测进行蓝藻聚集原因分析，并对沉水植物生长区域进行了提取与面积统计，验证了利用多源遥感数据进行沉水植物与水华预警的可行性和便捷性，所采用的技术方法可为相关部门提供借鉴。

(2) 沉水植物快速生长所引起的藻类富集对湖泊水质有很大的潜在威胁，对于蓝藻水华高发区尤其如此。建议相关部门利用多源遥感数据实时关注水草蔓延水域，并及时采取清理打捞等措施，以避免沉水植物及藻类死亡腐烂所引起的水质恶化，切实改善水生态环境。

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