環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)在巢湖藍(lán)藻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陳春波，周寶同，田永中，陳正龍，高 凡

1．西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715

2．安徽省淮南市國(guó)土資源局，安徽 淮南 232007

環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座A、B星(HJ1A/1B)的主要任務(wù)是對(duì)災(zāi)害、生態(tài)破壞、環(huán)境污染進(jìn)行大范圍、全天候、全天時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為緊急救援、災(zāi)害救助及恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)［1-2］。在HJ1A/1B星的對(duì)地監(jiān)測(cè)中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)表達(dá)了植被吸收光和有效輻射的比例，對(duì)植被的生長(zhǎng)勢(shì)、生長(zhǎng)量非常敏感，可以反映地表植被的繁茂，一定程度上能夠代表地面植被覆蓋變化［3］。藍(lán)藻在光譜上具有明顯的植被特征，因此可以用植被指數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)藍(lán)藻暴發(fā)情況。該研究采用2012年5月10日至2012年6月20日HJ1A/1B的多光譜(CCD)數(shù)據(jù)(HJ1A/1BCCD數(shù)據(jù))提取巢湖湖域藍(lán)藻的歸一化植被指數(shù)，開(kāi)展巢湖藍(lán)藻的遙感監(jiān)測(cè)研究。

1 研究區(qū)概況

巢湖是我國(guó)著名的五大淡水湖之一，位于安徽中部(117°16'54″E ～ 117°51'46″E、31°25'28″N ～31°43'28″N)，長(zhǎng)江流域下游左岸［4］。在多年平均水位8.37 m時(shí)，巢湖湖盆長(zhǎng)61.7 km，寬1 247 km，水面769.55 km2，平均水深289 m。以忠廟-姥山-新河口為界分東、西2個(gè)半湖，湖泊半封閉，水體為中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，加上面積大、流速慢、水體稀釋擴(kuò)散自凈能力差，尤其在夏秋季，極易出現(xiàn)藻類暴發(fā)生長(zhǎng)［5］。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)選擇

研究采用的遙感影像數(shù)據(jù)為中國(guó)資源衛(wèi)星運(yùn)用中心提供的二級(jí)產(chǎn)品。相對(duì)于其他中高分辨率衛(wèi)星傳感器，HJ1-CCD具有幅度大、時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合藍(lán)藻信息的提取、監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)。USGS提供的 landsat 7數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率低、且?guī)в袟l帶，增加了數(shù)據(jù)處理的難度。其他數(shù)據(jù)(如 GB、SPOT、IKONOS等)雖然分辨率高，但是價(jià)格高。在研究時(shí)段考慮到巢湖天氣尤其整塊厚云的影響，最終選用的數(shù)據(jù)為6景。

2.2 影像預(yù)處理

2.2.1 輻射校正

輻射校正可以提高遙感系統(tǒng)獲取的地物表面光譜反射率、輻射率或者后向散射測(cè)量值的精度。輻射校正包括輻射定標(biāo)和大氣校正，對(duì)HJ1A/1BCCD數(shù)據(jù)首先進(jìn)行從DN值到Radiance值的定標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行Layer stacking(波段合成)。以中國(guó)資源衛(wèi)星運(yùn)用中心發(fā)布的影像元數(shù)據(jù)和HJ1A/1B-CCD數(shù)據(jù)的波普響應(yīng)函數(shù)為依據(jù)進(jìn)行大氣校正［6-7］，反演地物真實(shí)反射率。圖1(a)為中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的原始數(shù)據(jù)，圖1(b)為輻射校正后遙感數(shù)據(jù)。

2.2.2 幾何精校正

中國(guó)資源衛(wèi)星運(yùn)用中心提供的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量雖為“Level 2”，但要與其他的數(shù)據(jù)聯(lián)合使用，還要進(jìn)行幾何精校正。在ENVI中，采用Registration(Select GCPs：Image to Map)進(jìn)行校正［8］，數(shù)據(jù)坐標(biāo)主要來(lái)自Google Earth Pro專業(yè)版，重采樣方法為雙線性內(nèi)插，校正精度控制在10 m之內(nèi)，即等于1/3個(gè)像元。

2.2.3 數(shù)據(jù)裁剪

從已進(jìn)行了輻射校正、幾何精校正的影像數(shù)據(jù)中依次提取巢湖湖區(qū)，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。如圖2所示，其中5月10日、5月16日、5月28日的數(shù)據(jù)為自然真彩(波段3、2、1的組合)，6月12日、6月13日、6月20日的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)假彩(波段4、3、2 的組合)。

圖2 HJ1A、B-CCD影像數(shù)據(jù)——巢湖湖區(qū)

2.3 研究方法

2.3.1 計(jì)算并修正歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計(jì)算公式［9］：式中為近紅外波段，為紅色波段。針對(duì)巢湖藍(lán)藻的變化，研究還采用增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)對(duì)NDVI進(jìn)行修正。根據(jù)巢湖的實(shí)際情況，研究對(duì)EVI的算法進(jìn)行了改進(jìn)，公式［10］：

式中：C1、C2為2 個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別為 6.0、7.5，增益系數(shù)G為2.5為藍(lán)色波段。該算法增強(qiáng)了對(duì)高生物量區(qū)域的敏感性，并降低大氣的影響以提高對(duì)植被的檢測(cè)能力，計(jì)算并修正歸一化植被指數(shù)結(jié)果如圖3所示。

圖3 巢湖藍(lán)藻的歸一化植被指數(shù)

2.3.2 研究時(shí)段藍(lán)藻分布情況

式中i=1、2、3分別代表時(shí)間點(diǎn)。為反映巢湖湖域藍(lán)藻NDVI的平均分布狀態(tài)，特劃分為5個(gè)等級(jí)［11］：當(dāng)NDVI≤0.1 時(shí)，為極低密度區(qū);0.1 ＜NDVI≤0.25時(shí)，為低密度區(qū);0.25＜NDVI≤0.4時(shí)，為中密度區(qū);0.4＜NDVI≤0.6時(shí)，為較高密度區(qū);NDVI＞0.6時(shí)，為極高密度區(qū)。

2.3.3 研究時(shí)段藍(lán)藻變化程度

式中NDVIcij為第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)的NDVI，NDVIi和NDVIj分別為第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)和第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)的NDVI。為反映NDVI變化的程度，劃分為如下的級(jí)別［13］：當(dāng)NDVI＞0.25時(shí)，為嚴(yán)重退化;當(dāng) 0.15＜NDVI≤0.25時(shí)，為中度退化;當(dāng)0.05＜NDVI≤0.15時(shí)，為輕微退化;當(dāng) －0.05＜NDVI≤0.05時(shí)，為無(wú)變化;當(dāng) －0.15＜NDVI≤－0.05時(shí)，為輕微改善;當(dāng) －0.25＜NDVI≤－0.15時(shí)，為中度改善;當(dāng)NDVI≤ －0.25時(shí)，為高度改善。

2.3.4 研究時(shí)段藍(lán)藻變化速度

為了更加直觀地反映巢湖藍(lán)藻的變化速度，這里引入土地利用動(dòng)態(tài)變化速度分析算法［14］，結(jié)合研究實(shí)際對(duì)其中的變量進(jìn)行了重新定義，規(guī)定動(dòng)態(tài)度的大小為藍(lán)藻在該水域的平均變化情況及變化速度，計(jì)算公式［15］：

采用差值法量化2個(gè)時(shí)間點(diǎn)NDVI的變化，疊加各時(shí)間段的變化，得出該時(shí)段巢湖湖域藍(lán)藻的變化程度，計(jì)算公式［12］：

式中：K為藍(lán)藻的變化動(dòng)態(tài)度;At1為藍(lán)藻在某位置初期的水域面積，km2;At2為藍(lán)藻在某位置末期的水域面積，km2;t1為變化初期，a;t2為變化末期，a。

3 結(jié)果與分析

3.1 巢湖藍(lán)藻NDVI的空間變化分析

按式(1)計(jì)算出巢湖湖域藍(lán)藻NDVI的平均空間分布(如圖4)，以此劃分巢湖為東、西2個(gè)湖區(qū)，鑒于西區(qū)較東區(qū)復(fù)雜，遂分為西一區(qū)、西二區(qū)、西三區(qū)、東一區(qū)、東二區(qū)。在該研究時(shí)段，藍(lán)藻極高密度區(qū)主要為片狀分布于西一區(qū)沿岸，高密度區(qū)主要分布在西一區(qū)、西二區(qū)及東二區(qū)沿岸，中密度區(qū)主要分布在西二區(qū)、西三區(qū)和東二區(qū);極低密度區(qū)呈大面積團(tuán)狀，重點(diǎn)位于東一區(qū)、低密度區(qū)位于東一區(qū)、西三區(qū)。其中極高密度區(qū)面積54.17 km2，占巢湖的 6.89%;高密度區(qū)面積 116.51 km2，比例15.10%;中密度區(qū)面積為196.52 km2，比例25.47%;低密度區(qū)面積為327.43 km2，比例42.43%;極低密度區(qū)面積為 78.04 km2，比例10.11%。

圖4 巢湖藍(lán)藻平均空間分布

3.2 巢湖藍(lán)藻NDVI的動(dòng)態(tài)變化程度

根據(jù)式(2)計(jì)算巢湖藍(lán)藻在研究時(shí)段的變化程度(如圖5)，分為7個(gè)級(jí)別，其中嚴(yán)重退化區(qū)的面積為35.01 km2，占總面積的4.54%，主要分布在西一區(qū);中度退化區(qū)面積為 21.19 km2，占2.76%，在東一區(qū)單獨(dú)分布，其余各區(qū)均圍繞嚴(yán)重退化區(qū)成條帶形環(huán)狀分布;輕微退化區(qū)面積為55.98 km2，比例 7.25%;無(wú)變化區(qū)的面積為115.53 km2，比例 14.97%，輕微改善的面積為159.29 km2，比例20.64%，無(wú)變化區(qū)和輕微改善區(qū)“成團(tuán)”或“零星”分布在東一湖區(qū)中、西部以及以此鄰接的西三湖區(qū)的東、中部;中度改善的面積為145.70 km2，比例18.88%，呈零星的條帶狀圍繞高度改善區(qū)分布;高度改善區(qū)的面積為238.97 km2，比例30.97%，主要呈片狀分布在西三區(qū)、西二區(qū)、西一區(qū)，東一區(qū)、東二區(qū)則是零星塊狀分布，西一區(qū)、西二區(qū)呈整塊片狀分布。

圖5 巢湖藍(lán)藻動(dòng)態(tài)變化程度

3.3 巢湖藍(lán)藻NDVI的動(dòng)態(tài)變化速度

依據(jù)式(3)計(jì)算藍(lán)藻的變化速度(見(jiàn)圖6)，整個(gè)研究時(shí)段變化速度最快(即得到改善)主要分布在東一區(qū)的中、西部，西三區(qū)的東北部、西北部;變化速度快的湖域主要圍繞變化速度最快的區(qū)域呈條帶或零星的環(huán)狀分布，集中在東一區(qū)大部、西三區(qū)東北部、西北部和西二區(qū)西南部沿岸及西三區(qū)的東南沿岸，東一、二區(qū)的南部沿岸;無(wú)變化區(qū)同變化速度快的分布大體一致;改善速度最慢的湖域主要呈片狀集中在西一區(qū)、西二區(qū)、西三區(qū)的中部及南部，東二區(qū)東北部則呈小面積的團(tuán)狀;變化速度慢的湖域在巢湖均有分布，在西一區(qū)、西二區(qū)、西三區(qū)南部、東二區(qū)東北部呈環(huán)狀分布。

圖6 巢湖藍(lán)藻動(dòng)態(tài)變化速度

4 討論

計(jì)算研究時(shí)段巢湖湖域的NDVI空間分布，在此基礎(chǔ)上劃分巢湖湖區(qū)，可以得到：藍(lán)藻極低密度區(qū)及低密度區(qū)分布主要集中在東湖區(qū)(東一區(qū))、西三湖區(qū)，兩者面積為405.47 km2，占巢湖湖域總面積的52.54%;藍(lán)藻暴發(fā)的區(qū)域主要集中在西湖區(qū)(西一區(qū)、西二區(qū))、東湖區(qū)有小面積的條帶沿岸分布。

研究時(shí)段內(nèi)，巢湖湖域改善(包括高度改善、中度改善及輕微改善湖域)的面積約為543.96 km2，占 70.49%，加上無(wú)變化的湖域面積約659.50 km2，比例為85.46%。西湖區(qū)改善的程度高于東湖區(qū)，西一區(qū)、西二區(qū)改善后呈大面積的片狀分布;無(wú)變化區(qū)則主要分布在東一區(qū)中西部及西三區(qū)東、中部;雖然西湖區(qū)改善的區(qū)域比例大，但是部分區(qū)域也呈嚴(yán)重退化的程度。

綜合分析表明，西湖區(qū)應(yīng)以治理為主，東湖區(qū)則著重監(jiān)測(cè)、預(yù)防。西湖區(qū)重點(diǎn)治理的湖域?yàn)槲饕粎^(qū)沿岸及向湖中延伸的區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域是藍(lán)藻分布的極高密度區(qū)，不僅呈嚴(yán)重退化趨勢(shì)，而且改善的速度慢。東湖區(qū)應(yīng)以監(jiān)測(cè)預(yù)防為主，開(kāi)展小區(qū)域治理：在東一區(qū)中部以監(jiān)測(cè)預(yù)防為主，因?yàn)樵搮^(qū)藍(lán)藻為極低密度區(qū)，有輕微退化趨勢(shì);東二區(qū)的東、中、南為高密度區(qū)，中度退化程度，并且更新速度較慢，應(yīng)在治理的基礎(chǔ)上加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

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