太湖蓝藻水华的日动态遥感监测

严 飞，张 敏

（1.江苏省无锡环境监测中心，江苏 无锡 214000；2.江苏沙钢集团有限公司，江苏 张家港 215600）

富营养化水体生态脆弱，如果出现较为适宜的水文气象条件，蓝藻很容易大量增殖，并于水面聚集形成水华。20世纪90年代以来，太湖频繁暴发蓝藻水华，特别是2007年蓝藻水华导致的太湖饮用水危机，由于其有害藻毒素严重影响人体健康而受到广泛关注。要对太湖蓝藻水华进行有效治理，必须对其发生、发展的整个过程有清晰的把握，而太湖蓝藻水华具有暴发面积大、时空变化剧烈等特点，因此实现太湖蓝藻水华时空动态监测成为急需解决的问题。

传统的蓝藻水华和富营养化指数监测需要耗费大量人力物力，且只能给出样点处的数据，难以实现区域性的蓝藻水华监测和富营养化指数评价。遥感技术监测范围广、成本低，可以快速、实时地监测水体表面的长期动态变化。遥感作为一种对地观测的综合性技术，在湖泊蓝藻水华监测中发挥了巨大作用。当前，我国主要采用MODIS 数据作为太湖蓝藻水华监测的卫星数据源，它是Terra 卫星和Aqua 卫星上携带的重要传感器，可每日对太湖进行两次观测（观测时段10:00—11:30、12:30—14:00）。其间通过这两次观测数据进行太湖水华面积提取，并选取其中面积较大的值作为当日蓝藻水华预警监测的最终结果。然而，蓝藻水华在一天中存在动态变化，在春夏季太湖蓝藻水华暴发时，几个小时以内就可发生急剧变化，所以传统遥感传感器无法对蓝藻水华在一天内的变化进行持续观测。

地球静止海洋水色卫星COMS 是世界上第一颗面向海洋水色观测的静止卫星，其搭载的GOCI 水色遥感传感器可获取8 个通道的数据，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1 h，每天提供8 次观测数据（观测时段08:15—15:15），可实时监测包括太湖水域在内的2 500 km×2 500 km 的目标区域。本研究在对GOCI 影像进行瑞利散射校正的基础上，使用归一化植被覆盖指数（）开展太湖蓝藻水华的提取和动态变化的逐时分析，从而更好地服务太湖夏季蓝藻水华预警监测。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太湖位于长江三角洲南部，横跨江苏和浙江两省，是我国五大淡水湖泊之一。太湖面积约为2 338 km，湖岸线全长约为393 km，气候属于亚热带季风气候，年平均气温介于16 ～18 ℃，北部有梅梁湖、竺山湖、贡湖三个主要湖湾。最大水深为3 m，平均水深仅为1.89 m，湖泊动力比（）高达25.6，且富营养化水平较高，太湖属于典型的浑浊二类水体。夏秋季节经常有大范围的蓝藻水华暴发，较容易导致湖泛的发生，从而对太湖饮用水安全造成威胁。湖泊动力比的计算公式为：

式中：为湖泊面积，km；为平均水深，m。

1.2 GOCI 遥感数据

地球静止海洋水色卫星COMS 可满足高频次水色参数与蓝藻水华动态变化的监测需求。笔者通过韩国海洋卫星中心数据服务平台下载了蓝藻水华现象较为典型、云量影响较小的5 d GOCI-L1B 级数据。GOCI 的L1B 级数据使用专用软件，即GOCI数据处理系统（GDPS）进行处理，可获取表观辐射亮度值和瑞利散射校正反射率。在瑞利散射的基础上，对太湖进行分时蓝藻水华监测，日期分别为2018-11-09、2019-07-14、2019-08-16、2020-05-11 和2020-06-30。GOCI 具体的波段参数如表1所示。

表1 GOCI 波段及参数信息

1.3 基于NDVI 指数的GOCI 蓝藻水华提取方法

当蓝藻水华发生时，聚集于水面的水华会使该水域表现出与植被光谱相似的特征。本文使用指数设定阈值的方法提取蓝藻分布信息，这也是当前大部分蓝藻水华监测部门所使用的标准方法。基于GOCI 数据的计算公式为：

式中：、分别为GOCI 中心波长680 nm、745 nm 处波段的遥感反射率。

2 结果与分析

光照等气象因素会使蓝藻做水平和垂直方向的迁移，受卫星过境时间的限制，MODIS 等遥感数据仅能反映蓝藻水华的日度时序变化，由于GOCI 具备一日8 景的高时间分辨率，这就为监测蓝藻水华单日内的动态变化提供了可能。指数能部分消除大气程辐射和太阳-目标-卫星三者相对位置的影响，具备简单、易操作的优点，其反映了植被光谱的典型特征，而蓝藻水华又有和植被相似的光谱，所以被很多研究者和蓝藻水华监测部门所使用。提取结果如表2所示。

从表2 可见，蓝藻水华在一天中存在较为明显的变化规律。为更直观地比较不同日期各时间点的蓝藻水华聚集情况，将每个时间点的水华面积除以当日各时间点水华面积之和，得到蓝藻水华聚集面积的分时占比情况，如图1所示。

表2 GOCI 影像提取蓝藻水华的分时面积

项斯端等人对浅水型富营养湖泊分层取样，得出藻量呈双峰分布，即日出后湖体表层藻量逐步上升，10:00 左右达到峰值，12:00—14:00 表层水体的藻量又大量下降，达到谷值，之后藻量又开始上升，18:00—20:00 出现第二次峰值，随后藻量持续下降。从图1 的08:00—15:00 蓝藻面积变化情况来看，蓝藻水华聚集面积普遍存在08:00—11:00 显著增加，10:00—11:00 达到当日最高峰，12:00 之后开始明显下降，15:00 达到当日最低谷的规律。由于GOCI 最晚成像时间为15:00，因此无法监测日落后的峰值。总体来说，该变化趋势符合蓝藻型富营养湖泊藻量昼变化规律。

图1 蓝藻水华聚集面积分时占比

下面分析蓝藻水华出现日动态变化的原因。根据气泡调节浮力机制，蓝藻的垂直位移受气泡控制。日出后，藻体接收太阳光照进行光合作用，由于小气泡的作用，细胞的浮力增加，到10:00 时形成上层藻量高峰。中午强日照下生成的光合产物使得细胞内部膨压增高，导致气泡崩溃大于新的聚集，致使细胞失去浮力，造成藻量下降。14:00 以后，日照减弱，日落后2 h 左右再次形成上层藻体数量的峰值。

3 结论

本文使用GOCI 地球静止卫星影像，通过指数对5 d、40 景影像进行了蓝藻水华提取。研究结果表明，基于GOCI 数据的蓝藻水华提取，所使用的指数取得了较好的效果；太湖蓝藻水华的日动态变化符合蓝藻型富营养湖泊藻量昼变化规律；相比于MODIS 等极轨卫星，GOCI 数据具有高时间分辨率的优势，可反映蓝藻水华在一天内的动态迁移和变化过程，在湖泊蓝藻水华监测预警中具有重大应用潜力。