空間分布頻率分析法在太湖水華遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

姜 晟，李旭文，牛志春，金 焰，茅晶晶

1．江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036

2．江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，江蘇 南京 210036

太湖地處長(zhǎng)江中下游平原，屬大型淺水湖泊，大部分位于江蘇境內(nèi)，南部沿岸毗鄰浙江。90年代以來(lái)伴隨流域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題逐漸凸顯，2007年因水華暴發(fā)造成飲用水危機(jī)［1］。在國(guó)家和省市各級(jí)政府的高度關(guān)注下，環(huán)保［2-8］、水利［9］、氣象［10］等行業(yè)部門以及中科院等高校院所［11-12］開(kāi)展了大量的研究和治理工作，尤其是遙感等新興監(jiān)測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為全面掌握太湖水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、了解水華變化規(guī)律、解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題積累了寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［13］。

根據(jù)2012年江蘇省環(huán)境狀況公報(bào)，太湖仍處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。針對(duì)太湖水華空間分布變化的研究工作已取得了很大進(jìn)展，并且利用大量數(shù)據(jù)歸納總結(jié)了一些基本規(guī)律，但在空間分析方法方面研究尚不充分，大都選擇通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)值統(tǒng)計(jì)法加以分析評(píng)價(jià)，不能完全發(fā)揮出衛(wèi)星遙感高時(shí)間分辨率、大范圍連續(xù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，難以直觀表達(dá)中長(zhǎng)時(shí)間尺度上太湖水華的分布格局，對(duì)于明確下一階段太湖治理重點(diǎn)范圍也存在一定影響?；谏鲜鲈颍撗芯坷媚壳捌毡槭褂玫腗ODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提出一種簡(jiǎn)單有效的空間分析技術(shù)方法，針對(duì)2009—2012年太湖水華變化規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)，并結(jié)合常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果，探討湖體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與水華分布的響應(yīng)關(guān)系。

1 空間分布頻率指數(shù)與計(jì)算方法

利用MODIS影像進(jìn)行太湖水華分布提取的技術(shù)方法已較為成熟［14］，其中以歸一化植被指數(shù)(NDVI)法應(yīng)用最為廣泛，基本原理是通過(guò)水華暴發(fā)水域與正常水體在近紅外及紅光波段反射信息的強(qiáng)弱不同而加以區(qū)分，具體在MODIS數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為

式中ρband1為MODIS影像1波段反射率，ρband2為影像2波段反射率。

一般情況下，水華暴發(fā)水域NDVI＞0，且隨藻類聚集程度增加而升高，正常水域NDVI＜0。實(shí)際研究過(guò)程中則根據(jù)每景影像結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整判讀閾值(圖1)，并去除云層和水生植被覆蓋區(qū)域，利用柵格重分類方法得到太湖水華分布解譯二值圖(即在重分類后將正常水體區(qū)域賦值為0，水華分布區(qū)域賦值為1)。

圖1 太湖MODIS影像與NDVI圖

確定研究周期后，即可通過(guò)空間分布頻率指數(shù)(SDFI)法，計(jì)算得到不同區(qū)域的水華分布頻率差異，具體公式：

式中Ri為第i日水華分布解譯二值圖中的柵格像元值，n為影像數(shù)，t為整個(gè)研究周期的總天數(shù)。

SDFI代表了某一時(shí)段某一區(qū)域內(nèi)重復(fù)監(jiān)測(cè)到水華分布的天數(shù)占總天數(shù)的百分比，SDFI越高表明該區(qū)域內(nèi)重復(fù)觀測(cè)到的水華次數(shù)越多，藻類聚集程度越高。與NDVI或其他基于單景影像計(jì)算得到指標(biāo)相比，SDFI可以更好地表征一段時(shí)期內(nèi)水華空間分布的總體特征，并且能夠進(jìn)一步計(jì)算得到同一研究區(qū)域水華空間分布的同比、環(huán)比變化趨勢(shì);而與NDVI相比，則受單個(gè)數(shù)據(jù)樣本計(jì)算結(jié)果的影響較小，且指標(biāo)意義更明確，與環(huán)境管理聯(lián)系更緊密。

2 太湖藍(lán)藻水華年度變化分析

利用SDFI法，將2009—2012年水華發(fā)生最為頻繁的4—10月作為研究周期，針對(duì)MODIS衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果進(jìn)行計(jì)算并加以統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)：

1)2009—2012年，太湖水華頻發(fā)區(qū)域主要集中在西部沿岸，其次為梅梁湖和竺山湖，再次為湖心區(qū)和貢湖，東太湖較少監(jiān)測(cè)到水華發(fā)生現(xiàn)象，4年中主要暴發(fā)區(qū)域未發(fā)生明顯變化(圖2)。

圖2 2009—2012年4—10月太湖藍(lán)藻水華空間分布頻率

2)根據(jù)SDFI范圍將太湖水華分布情況劃分為4級(jí)，SDFI=0為正常水體，0＜SDFI≤5%為水華偶發(fā)區(qū)域，5% ＜SDFI≤10%為水華多發(fā)區(qū)域，SDFI＞10%為水華頻發(fā)區(qū)域。統(tǒng)計(jì)各類水域占太湖湖體總面積的比例結(jié)果(表1)表明，2009—2012年未監(jiān)測(cè)到水華分布的正常水域面積有所上升，至2012年達(dá)到太湖總面積的一半，反映出太湖水華大范圍暴發(fā)狀況略有緩解;在水華分布水域中，大部分屬于偶發(fā)區(qū)域，約占全湖總面積的40% ～50%，變化程度并不顯著;水華多發(fā)區(qū)域約占全湖總面積的10%左右，頻發(fā)區(qū)域則低于3%，4年中基本處于波動(dòng)起伏。

表1 2009—2012年4—10月不同水華分布區(qū)域占太湖總面積比例統(tǒng)計(jì) %

3)2010年水華分布范圍最大，約有63%的湖體曾監(jiān)測(cè)到水華現(xiàn)象;2011年水華聚集程度相對(duì)最高，約有3%的頻發(fā)區(qū)域和10%的多發(fā)區(qū)域;2012年水華分布范圍相對(duì)最小，且聚集程度也相對(duì)較低。

3 湖體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與水華分布關(guān)系

根據(jù)已有研究經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，多數(shù)學(xué)者認(rèn)同影響太湖水華分布的主要因素包括藻類自身生理特點(diǎn)、營(yíng)養(yǎng)鹽、湖流、風(fēng)向及其他動(dòng)力因子［10，15］，其中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平不僅與水華分布密切相關(guān)［16］，而且直接影響湖體水質(zhì)狀況［7］。通過(guò)對(duì)2009—2012年太湖湖體浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值運(yùn)算后發(fā)現(xiàn)，高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷3項(xiàng)主要水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)的4年濃度均值高值區(qū)均集中在太湖西部沿岸，其次為梅梁湖和竺山湖，貢湖、湖心區(qū)和東太湖相對(duì)較低，與同期SDFI計(jì)算結(jié)果在空間分布上具有良好的一致性(圖3)。

圖3 2009—2012年太湖湖體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)濃度均值與SDFI空間分布比較

進(jìn)一步按年度分析比較后發(fā)現(xiàn)，2009—2012年太湖湖體高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷各年度的年均濃度最大值也主要集中于西太湖沿岸，而最小值則基本出現(xiàn)在東太湖，與SDFI的統(tǒng)計(jì)結(jié)果十分接近(表2)。這一方面說(shuō)明了太湖水華的暴發(fā)頻率與湖體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平密切相關(guān)，另一方面也間接反映出SDFI可以較好地表征水華分布與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

表2 2009—2012年太湖湖體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)濃度最值與SDFI空間分布比較

4 結(jié)論

以MODIS為代表的高時(shí)間分辨率遙感影像在太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，基于中長(zhǎng)時(shí)間尺度多時(shí)相數(shù)據(jù)解譯結(jié)果的空間分布頻率指數(shù)SDFI在表征水華空間分布格局方面效果較好，可以作為太湖水華分布綜合評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一;另一方面，經(jīng)與2009—2012年太湖湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷等富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)的4年濃度均值與SDFI同期結(jié)果具有良好的空間分布一致性。分析結(jié)果表明，太湖西部沿岸是過(guò)去4年中水華暴發(fā)頻率與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平最高的區(qū)域，其次為梅梁湖和竺山湖。

考慮到太湖湖體的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)和風(fēng)向、湖流等動(dòng)力因子在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生明顯變化，因此，未來(lái)數(shù)年中太湖水環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)仍應(yīng)放在西部沿岸、梅梁湖、竺山湖等重要區(qū)域。

［1］秦伯強(qiáng)，王小冬，湯祥明，等．太湖富營(yíng)養(yǎng)化與藍(lán)藻水華引起的飲用水危機(jī)——原因與對(duì)策［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2007，22(9)：896-906．

［2］李旭文，季耿善．太湖藻類的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)［J］．湖泊科學(xué)，1995，7(1)：65-68．

［3］蔡履冰．太湖流域水體富營(yíng)養(yǎng)化成因及防治對(duì)策的初步研究［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2003，19(3)：52-55．

［4］黃衛(wèi)，張祥志，朱澤華，等．江蘇省太湖流域入湖河流污染物入湖總量監(jiān)測(cè)［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005，21(2)：52-55．

［5］徐恒省，洪維民，王亞超，等．太湖藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的探討［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2008，24(2)：62-65．

［6］張寧紅，黎剛，郁建橋，等．太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)主要特征初析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009，25(1)：71-74．

［7］陳軍，權(quán)文婷，孫記紅，等．太湖氮磷濃度與水質(zhì)因子的關(guān)系［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2011，27(3)：79-83．

［8］楊曉紅，陳江，周李，等．南太湖入湖口藍(lán)藻水華時(shí)空分布規(guī)律及相關(guān)響應(yīng)因子分析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2011，27(2)：92-96．

［9］呂振霖．太湖水環(huán)境綜合治理的實(shí)踐與思考［J］．河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40(2)：123-128．

［10］武勝利，劉誠(chéng)，孫軍，等．衛(wèi)星遙感太湖藍(lán)藻水華分布及其氣象影響要素分析［J］．氣象，2009，35(1)：18-23．

［11］孔繁翔，馬榮華，高俊峰，等．太湖藍(lán)藻水華的預(yù)防、預(yù)測(cè)和預(yù)警的理論與實(shí)踐［J］．湖泊科學(xué)，2009，21(3)：314-328．

［12］王海君，李云梅．用ASTER數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)梅梁湖湖區(qū)藍(lán)藻分布的方法［J］．南京師大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，28(1)：103-106．

［13］馬榮華，孔繁翔，段洪濤，等．基于衛(wèi)星遙感的太湖藍(lán)藻水華時(shí)空分布規(guī)律認(rèn)識(shí)［J］．湖泊科學(xué)，2008，20(6)：687-694．

［14］段洪濤，張壽選，張淵智．太湖藍(lán)藻水華遙感監(jiān)測(cè)方法［J］．湖泊科學(xué)，2008，20(2)：145-152．

［15］孔繁翔，高光．大型淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻水華形成機(jī)理的思考［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25(3)：589-595．

［16］張曉晴，陳求穩(wěn)．太湖水質(zhì)時(shí)空特性及其與藍(lán)藻水華的關(guān)系［J］．湖泊科學(xué)，2011，23(3)：339-347．