基于GF-5的滇池蓝藻水华空间分布特征研究

胡 琳,甘 淑,2,袁希平,李绕波,毕 瑞

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650093；2.云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心,云南 昆明 650093；3.滇西应用技术大学,云南 大理 671000)

1 引 言

近年来,湖泊水体富营养化问题引起了我国政府的高度重视,“九五”期间,国家将太湖、巢湖、滇池列为水污染防治的重点[1]。湖泊水体的富营养化导致蓝藻异常增殖形成水华,破坏了水体的生态系统,严重影响了人类的生存健康和社会经济发展[2-4]。云贵高原湖泊滇池尽管是“三湖”中最易发生蓝藻水华且持续时间最长的湖泊,但目前有关滇池蓝藻水华的研究却最少[5]。因此,加强对滇池蓝藻水华的研究显得尤为重要。结合滇池生态环境异质性的特征,对滇池蓝藻水华进行空间分布特征研究[6-7],以因地制宜进行治理提供切实帮助。

遥感技术在湖泊治理保护工作中起到重要作用,目前,通过遥感技术对蓝藻水华爆发进行监测得到普遍重视。基于光谱特征分析可发现,在近红外波段的陡坡效应是蓝藻水华的最明显特征,并且富集度越大的水华陡坡效应越明显[2]。国内外学者提出了NDVI[8-9]、浮游藻类指数(Floating Algae Index,FAI)[10]、归一化水体指数(Normalized Difference Water Index,NDWI)[11]、增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index,EVI)[12]、归一化蓝藻指数(Normalized Difference Indexof Cyanobaeteria Bloom,NDICB)[13]等算法,其中,NDVI是现在运用最广泛的遥感指数方法,其定义为红光和近红外波段的归一化比值,可以较好地反应陡坡效应且提高监测效率,故文章选用NDVI作为蓝藻水华监测的基本指数。

现今用于蓝藻水华研究的卫星数据较多,如最常用又易于获取的是美国的Landsat卫星数据,但其重访周期期长,时间分辨率低[14]；其次是MODIS卫星数据,但其空间分辨率低[6]；我国的珠海一号卫星数据,其空间和时间分辨率均较高,但所获取影像仅有32个波段,波段设置偏少,光谱分辨率较低。相较之下国产GF-5卫星兼备了高光谱、短重访周期、高空间分辨率的优势,为大面域湖泊水生态环境状况的监测提供了全新的遥感数据源。文章将基于GF-5影像数据,通过NDVI值域分类以识别滇池蓝藻水华状况,并分别以构成滇池水域整体的草海和外海为空间对象,对滇池蓝藻水华的空间分布特征展开对比分析研究。研究旨在认识滇池蓝藻水华的空间分布特征,以此检验GF-5用于实时监测蓝藻水华空间分布情况的技术方法可行性,为今后动态跟踪滇池蓝藻水华时空变化检测、甄别入湖污染源等提供技术试验支撑,丰富滇池水质监测方法。最终有望为建立蓝藻水华实时监测和预警系统,促进滇池水资源的治理和开发利用提供科学依据。

2 研究数据与研究方法

2.1 数据源及预处理

高分五号(GF-5)AHSI高光谱遥感卫星于2018年5月9日成功发射,空间分辨率为30 m。该高光谱数据集依据光谱分辨率不同而分为可见光近红外(VNIR)子集和短波红外(SWIR)子集两部分。其中,VNIR有150个波段,SWIR有180个波段,总共330个。VNIR波段范围在0.39～1.03 μm,分辨率间隔为5 nm。SWIR为1.0～2.5 μm,间隔为10 nm[15]。该数据源具有的高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率[16]可较好地满足试验需要。

文章中使用的研究数据源是2019年12月16日所获取的滇池流域影像,该影像为L1A级标准数据,通过对影像进行预处理再运用于后续试验分析,预处理过程包括辐射定标、大气校正、正射校正、图像裁剪,具体预处理流程如图1所示。

图1 GF-5预处理流程图

2.2 研究区及方案设计

研究区所在位置如图2所示。滇池(24.40°～25.02°N,106°2.3～102.47°E)位于滇中高原的昆明市城区,湖面面积330 km2,是中国第六大淡水湖[17]。目前因一湖堤,滇池水域被划分为南北两部分,即北部为内海,又名草海,水面仅占滇池面积的3.4 %,水深1～3 m,水草丰茂,天然成塘；南部为外海,为滇池水域主体,平均深度约5 m[5]。

图2 研究区位置

20世纪60年代滇池水域为Ⅱ类水质、70年代为Ⅲ类水质、80年代草海为Ⅴ类水质、外海为Ⅳ类水质,90年代水质更劣于往昔,草海为超Ⅴ类水质、外海为Ⅴ类水质[18-19]。近年来,滇池通过一系列治理工作的实施,草海与外海的水质有所改善,2019年滇池草海符合Ⅳ类标准、外海符合Ⅴ类标准,但仍然存在较严重的污染情况。

为利用遥感技术而科学地分析认识滇池蓝藻水华空间分布特征,设计本研究的试验技术方案如下:首先选择波段构建并计算滇池水域的高光谱精化NDVI值。因所用影像数据为高光谱数据,共有330个波段,且红色波段为620～760 nm,近红外波段为760～3000 nm。为保证准确度,在研究中,参与NDVI值构建的红色波段是选用了第57波段(630 nm)、第64波段(659 nm)、第71波段(689 nm)、第78波段(719 nm)、第85波段(749 nm)这5个高光谱波段取均值而为红色波段值；同理,参与NDVI值构建的近红外波段,则选用第110波段(856 nm)、第132波段(950 nm)、第170波段(1164 nm)、第210波段(1502 nm)、第270波段(2007 nm)这5个高光谱波段取均值作为近红外波段值；基于以上,利用NDVI指数方法,解算红光和近红外波段的归一化比值,得到滇池水域的高光谱精化NDVI值。

其次,为了开展草海与外海的对比分析研究,分别提取草海与外海空间对象的高光谱精化NDVI专题图层,开展草海和外海各自空间对象中的像元频数直方图及NDVI均值等相关统计参数测算,并对草海和外海的蓝藻水华情况进行NDVI数量统计对比分析,以获得对滇池草海和外海的蓝藻水华的基本情况一般差异认识。

最后,对草海和外海蓝藻水华空间分布情况进行分类分级评价分析及对比研究探讨。具体基于草海和外海的NDVI值,对其精化NDVI所对应的蓝藻水华状况,进行等级划分并绘制分级图,以此对蓝藻水华进行分级分类,进一步研究了基于遥感识别技术的NDVI表征下的滇池蓝藻水华空间分布特征。这其中特别需要说明的是,本研究中NDVI阈值划分蓝藻水华等级,采用了引用量达高频次的文献方法[20],其具体划分规则如表1所示。

表1 NDVI阈值划分蓝藻水华等级表

3 草海与外海蓝藻水华分布状况统计特征分析

对草海水域的NDVI值进行统计,绘制直方图如3所示。进行初步的数量统计分析可知,草海NDVI均值约为-0.350(图3虚线处)、最小值为-0.962、最大值为0.546、标准差为0.216；从直方图的峰形分析,由于草海本身为湖泊水域湿地,其像元NDVI值集中分布在[-1,0]的绝对像元大量峰值是符合NDVI的指示特性的,但特别的是,草海也分布有一定数量的正值NDVI像元统计数量,大于0的像元数据为938、比例是11.05 %。

图3 草海NDVI值的像元频数直方图

同理,对外海水域的NDVI值进行统计,绘制直方图如4所示。进行初步的数量统计分析后可知,外海NDVI均值约为-0.708(图4虚线处)、最小值为-0.954、最大值为0.980、标准差为0.126；从直方图的峰形分析,由于外海本身为湖泊水域湿地,其像元NDVI值集中分布在[-1,0]的绝对像元大量峰值是符合NDVI的指示特性的,但特别的是,外海也分布有一定数量的正值NDVI像元统计数量,大于0的像元数据为2210、比例是0.94 %。外海大于0的像元数较草海更多,但所占比例却较少。

图4 外海NDVI值的像元频数直方图

为了进一步了解草海和外海中各自的蓝藻水华空间分布情况,将NDVI值依据NDVI阈值划分蓝藻水华等级表(表1)分为4类,并绘制草海和外海的蓝藻水华空间分布图,可以更加直观的了解滇池蓝藻水华的空间分布特征及其密度分布情况。

4 草海与外海蓝藻水华分布状况制图特征分析

4.1 草 海

读草海的蓝藻水华空间分布图(图5)可知,草海以轻度蓝藻水华区域为主,面积占草海总面积的73.36 %,此区域像元内蓝藻水华覆盖度占0～30 %；中度蓝藻水华区域次之,多分布在草海的西北部及湖岸线(除海埂大坝沿线)附近,中度蓝藻水华区域占草海总面积的5.87 %,此区域像元内蓝藻水华覆盖度占31 %～80 %；较少部分出现有重度蓝藻水华区域,主要集中于杨家村1号桥和高海辅路附近,此区域的富营养化程度较重、水质较差,占草海总面积的1.12 %,此区域像元内蓝藻水华覆盖度占81 %～100 %。通过计算可知,草海的蓝藻水华覆盖密度为80.45 %。

图5 草海蓝藻水华空间分布图

4.2 外 海

图6为外海的蓝藻水华空间分布图,如图所示:外海的蓝藻水华空间分布情况是以无蓝藻水华区域为主,占外海总面积的95.42 %；轻度蓝藻水华区域分布较为零散,主要分布于外海的南岸,在观音山东、断桥、海口处也均有分布,占外海总面积的3.96 %；中度和重度蓝藻水华区域主要集中在外海南岸,除此之外,海口、晖湾、部分湖岸线附近也均有零星分布,分别占外海总面积的0.52 %和0.11 %。通过计算可知,外海蓝藻水华覆盖密度为4.58 %。整体来看,外海东岸较西岸蓝藻水华覆盖度更高,南岸较北岸蓝藻水华覆盖度也更高一些。

在同一等级划分标准下,对比草海和外海的蓝藻水华空间分布图也可以发现,草海的蓝藻水华覆盖情况较外海更为严重,覆盖密度也更高。滇池蓝藻水华空间分布呈“北重南轻”的格局,并且草海蓝藻水华覆盖密度更高,较外海更易于蓝藻水华生长,因此草海较外海水质更差。

图6 外海蓝藻水华空间分布图

5 讨论与结论

5.1 讨 论

本研究基于GF-5影像数据,运用NDVI识别滇池蓝藻水华,并通过对NDVI值域进行分类,进一步研究滇池蓝藻水华的空间分布特征,所得到的研究结果和以往学者的相关研究[6,21-22]结论一致,因此表明文章的研究方法和研究结论具有一定的可行性。

滇池是云南“九湖”高原湖泊之一,高原湖泊的保护与治理工作一直备受关注,通过近年来政府采取的一系列护滇卫滇措施,可以看到现阶段滇池的蓝藻水华覆盖度较往年同月份[6]有所改善,水质也逐渐转好,但治理工作依旧任重道远。

虽然运用NDVI进行蓝藻水华的识别快速、高效,但也存在一定的局限性。NDVI在识别聚集程度中-高的蓝藻水华区域时效果较好,但对“藻-水”混悬状态的轻微蓝藻水华区域效果不佳,因此所得到的结果易出现扩大或者缩小了蓝藻水华的范围。为能更加精确、快捷识别蓝藻水华,未来可以通过精化研究方法、丰富数据源等方式以提高精度。并且注重多时段变化检测,由于GF-5为近年才发射的卫星,历史数据有限,待影像逐渐完善后,结合高光谱数据特征,不断优化研究方法,可实现内陆湖泊的水体污染预测预警,促进基于遥感技术的湖泊水质研究。

5.2 结 论

文章运用遥感技术和GIS空间分析技术,识别滇池蓝藻水华,并分别对草海、外海进行空间分布特征研究,通过以上试验和分析研究,得到以下结论:

(1)草海NDVI均值约为-0.350、外海NDVI均值约为-0.708,草海的NDVI均值大于外海,可知草海的蓝藻水华覆盖情况较外海更严重。

(2)草海以轻度蓝藻水华区域为主,面积占草海总面积的73.36 %；中度蓝藻水华区域次之,多分布在草海的西北部及湖岸线(除海埂大坝沿线)附近,占比为5.87 %；较少部分出现有重度蓝藻水华区域,主要集中于杨家村1号桥和高海辅路附近,占比为1.12 %。

(3)外海以无蓝藻水华区域为主,面积占外海总面积的95.42 %；轻度蓝藻水华区域分布较为零散,主要分布于外海的南岸,在观音山东、断桥、海口处也均有分布,占比为3.96 %；中度和重度蓝藻水华区域主要集中在外海南岸,除此之外,海口、晖湾、部分湖岸线附近也均有零星分布,占比分别为0.52 %和0.11 %。整体来看,外海东岸较西岸蓝藻水华覆盖度更高,南岸较北岸蓝藻水华覆盖度也更高一些。

(4)滇池蓝藻水华空间分布呈“北重南轻”的格局,草海蓝藻水华发生状况普遍严重与外海,覆盖密度为80.45 %,草海的蓝藻水华覆盖密度较外海更高,说明草海较外海更易于蓝藻水华生长,因此草海较外海水质更差。