基于Landsat 7影像的駱馬湖菹草時(shí)空分布研究

曹毅，王輝

(宿遷市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 宿遷 223800)

駱馬湖位于江蘇省徐州、宿遷兩市結(jié)合處，是集防洪、灌溉、航運(yùn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等于一體的大型平原水庫，也是中國南水北調(diào)東線第二個(gè)調(diào)蓄承轉(zhuǎn)的湖泊［1］。菹草又名麥黃草、蝦藻，為多年生沉水草本。生于池塘、水溝、水稻田、灌渠及緩流河水中［2］。每年3—5月，湖區(qū)菹草常暴發(fā)性繁殖成為湖區(qū)優(yōu)勢物種，優(yōu)勢度達(dá)95%～100%。隨后迅速腐爛、死亡，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，直接威脅市區(qū)飲水安全，同時(shí)對(duì)湖區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成重大影響。

1 材料與方法

1.1 Landsat衛(wèi)星概述

Landsat(陸地衛(wèi)星)系列是全球生態(tài)觀測研究最系統(tǒng)、數(shù)據(jù)連續(xù)性最好的遙感衛(wèi)星。截至目前，Landsat先后有7顆衛(wèi)星發(fā)射上天，最后一顆衛(wèi)星于1999年發(fā)射，星載TM/ETM等遙感儀器。在1999年—2003年3月，一直工作正常，但此后，因ETM的掃描行補(bǔ)償器(Scanline Corrector，SLC)裝置發(fā)生故障，掃描行在起掃和終掃部位缺少數(shù)據(jù)，而沿飛行軌道方向的掃描行中央部位(星下點(diǎn))數(shù)據(jù)質(zhì)量正常，導(dǎo)致約22%的圖像像元沒有數(shù)據(jù)。通過影像條帶的去除技術(shù)，可采取多影像局部自適應(yīng)回歸分析模型或多影像固定窗口回歸分析模型進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后可供生物監(jiān)測和生態(tài)監(jiān)測使用。

1.2 Landsat衛(wèi)星影響處理技術(shù)流程

太湖流域藍(lán)藻水華頻繁發(fā)生以來，江蘇省環(huán)保部門利用衛(wèi)星遙感資料對(duì)藍(lán)藻發(fā)生的面積、范圍進(jìn)行了解譯，具有很好的時(shí)效性，為各級(jí)政府綜合防控水污染及藍(lán)藻應(yīng)急處置提供了有力的遙感技術(shù)支持和監(jiān)測預(yù)警服務(wù)［3］。駱馬湖是過水性湖泊，年水體交換次數(shù)達(dá)10次以上，不利于藻類生長繁殖，而水草由于附著作用，可承受一定的水流沖擊，因此在湖區(qū)大量繁殖。每年3—5月，氣溫、水位適宜，菹草在湖區(qū)暴發(fā)性繁殖，優(yōu)勢度高，其較大的生物光反射特征可滿足遙感監(jiān)測要求。

將獲取的駱馬湖湖區(qū)遙感影像經(jīng)圖像篩選、幾何糾正、輻射定標(biāo)、去除條帶、圖像剪裁、大氣校正、獲取地表反射率等過程處理。選擇無云遮蓋、光照良好、信息完整的影像，利用ENVI去除條帶補(bǔ)丁，將4個(gè)時(shí)間段的影像分別進(jìn)行條帶去除，然后進(jìn)行幾何糾正，采用等經(jīng)緯度投影(Geo－graphic Lat/Lon)，基準(zhǔn)面 WGS－84，分辨率30 m，裁切后作為研究區(qū)域。

選擇2012年10月10日，11月27日，2013年3月3日，5月22日4景駱馬湖湖區(qū)遙感影像，分別作為秋季、冬季、春季、夏季典型影像，5月22日時(shí)，駱馬湖菹草正處于優(yōu)勢度最高的時(shí)期，可有效反映湖區(qū)菹草生長狀況。因此選用5月22日駱馬湖影像作為湖區(qū)菹草時(shí)空分布研究依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

通過研判駱馬湖典型時(shí)間段影像及實(shí)地勘察，可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)。

2.1 菹草分布的季節(jié)變化分析

2012年11月—2013年3月，冬季至春季。湖區(qū)植被范圍和種類基本未發(fā)生大的變化。主要集中于湖區(qū)北部濕地及西南部淺水區(qū)域，有少量挺水植物生長、繁殖。此時(shí)湖區(qū)大致可分為北部近岸湖區(qū)、淺水區(qū)和深水區(qū)，北部近岸湖區(qū)大多開發(fā)成水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，與湖區(qū)開放水域隔絕，水生植被主要為常綠和過冬植被。淺水區(qū)為湖中小島和近岸淺水區(qū)域，雖與開放水域相通但水流沖刷之下水草等生長量很小。深水區(qū)基本無水生植被分布。

2013年3月—5月，春季至初夏，為菹草的生長期，同時(shí)水深、溫度適宜，湖區(qū)菹草出現(xiàn)暴發(fā)性生長，其生長區(qū)域幾乎遍布全湖。特別是湖區(qū)東南部的網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域，生長尤為旺盛。5月下旬以后，菹草死亡腐爛后，莖稈在風(fēng)浪和湖流作用下漂浮至湖區(qū)南部堆積，或就地腐爛，死亡，同時(shí)冬芽生出，沉入水底淤泥中，待來年再次暴發(fā)性繁殖。駱馬湖2012年11月27日及2013年5月22日影像見圖1。

2.2 菹草分布的空間區(qū)域分析

湖區(qū)菹草分布受水深、水溫等自然因素和湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖、采砂等人類活動(dòng)共同影響。根據(jù)菹草的分布區(qū)域及繁殖特點(diǎn)，可將湖區(qū)分為3個(gè)區(qū)域。

2.2.1 湖口采砂區(qū)

駱馬湖北部湖口是湖區(qū)水資源補(bǔ)給的主要通道，也是駱馬湖采砂的集中區(qū)，大量宿遷和新沂采砂船在此采砂，嚴(yán)重破壞湖口生境，通過遙感影像可以看出，此處基本沒有菹草生長、繁殖。

圖1 駱馬湖影像

2.2.2 淺水湖區(qū)

此處湖區(qū)大致涵蓋湖心區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)，為菹草密集生長區(qū)，面積約占全湖的一半。此處湖區(qū)大部分位于采砂區(qū)下游，采砂等活動(dòng)攪動(dòng)湖區(qū)底質(zhì)，使底質(zhì)中原有的氮磷等有機(jī)質(zhì)釋放到水體中，使得采砂區(qū)下游菹草生長旺盛。湖區(qū)東南部有大片圍網(wǎng)、網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域。網(wǎng)箱、圍網(wǎng)等水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)，向水體中投放飼料含大量氮磷等物質(zhì)，除被魚類等吞食外還有大量物質(zhì)未被食用，沉淀溶解在該區(qū)域底質(zhì)中，促進(jìn)該區(qū)域菹草暴發(fā)性繁殖。湖中心區(qū)域底質(zhì)堆積，水深較淺，光照充分，有利于菹草生長及繁殖。

2.2.3 深水湖區(qū)

此處湖區(qū)為菹草生長抑制區(qū)域。主要包括湖區(qū)西北部，湖區(qū)中心航道、湖區(qū)南部等區(qū)域。采砂區(qū)采砂過后，水深常達(dá)十甚至數(shù)十米，底質(zhì)區(qū)域無光照，菹草無法生長。中心航道航運(yùn)頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)攪動(dòng)水流;湖區(qū)南部常開閘放水，湖流擾動(dòng)劇烈，以上兩種情況均對(duì)菹草繁殖產(chǎn)生抑制作用。

3 討論

(1)Landsat 7影像可有效反映湖區(qū)菹草分布。對(duì)SLC－OFF ETM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和水草信息提取，可以作為駱馬湖水草監(jiān)測預(yù)警的遙感信息源。目前，遙感手段常應(yīng)用于水華監(jiān)測，常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)很難精確識(shí)別水華和水草［4］。駱馬湖水體葉綠素光吸收源僅為水草，從而避免了水華對(duì)光譜分析的影響。

(2)菹草暴發(fā)性繁殖與多種因素有關(guān)。菹草石芽的萌發(fā)率與水深為負(fù)相關(guān)［5］。通過分析駱馬湖水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬季湖區(qū)水位較高，湖水溫度較低，對(duì)菹草生長有抑制作用。春季，為了迎接北方沂蒙山區(qū)的洪水，騰空庫容。水庫水位降低，同時(shí)因季節(jié)交替氣溫、水溫回升，水深、水溫對(duì)菹草石芽萌發(fā)抑制作用消失，使得菹草暴發(fā)性生長、繁殖。同時(shí)，由于駱馬湖上游汛期短時(shí)大量降水、湖區(qū)開閘、短時(shí)陣風(fēng)等作用，使得駱馬湖短時(shí)間內(nèi)流量劇烈波動(dòng)，形成湖流，沖刷菹草脫離底質(zhì)，漂流至湖區(qū)狹窄區(qū)域堆積、腐爛。

(3)湖區(qū)人類活動(dòng)對(duì)菹草分布有著明顯的影響。北部湖口為駱馬湖采砂區(qū)，高烈度的采砂活動(dòng)，嚴(yán)重破壞湖區(qū)底質(zhì)，使水生植物無法生存。同時(shí)，采砂活動(dòng)也使水體透明度降低，菹草的生長受到明顯抑制［6］。缺少了湖口濕地的緩沖與保護(hù)，入湖河道攜入大量營養(yǎng)物質(zhì)直接入湖，是駱馬湖富營養(yǎng)化進(jìn)程加快的重要原因［7］。與此同時(shí)，湖區(qū)人工構(gòu)建物的增加，破壞湖體水面的完整性，漁網(wǎng)、水箱構(gòu)成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，湖區(qū)水體交換區(qū)域局限于大湖區(qū)和開放水域，小型湖區(qū)基本不受影響，給菹草創(chuàng)造了良好的繁殖條件。

［1］李褆來，曲紅玲，陳黎明，等.駱馬湖水位動(dòng)庫容分析［J］.中國科技論文，2012，7(5):372－375.

［2］趙家榮，劉艷玲.水生植物圖鑒［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2012:28.

［3］李旭文.Landsat 7 SLC－OFF ETM遙感數(shù)據(jù)下載及在太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2009，21(3):54－57.

［4］李俊生，吳迪，吳遠(yuǎn)峰，等.基于實(shí)測光譜數(shù)據(jù)的太湖水華和水生高等植物識(shí)別［J］.湖泊科學(xué)，2009，21(2):215 －222.

［5］簡永興，王建波，何國慶，等.水深、基質(zhì)、光和去苗對(duì)菹草石芽萌發(fā)的影響［J］.水生生物學(xué)報(bào)，2001，25(3):224 －229.

［6］丁玲，李巍，施蓓，等.透明度脅迫對(duì)菹草生長的定量影響及其生長動(dòng)力學(xué)模型［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(1):92 －95.

［7］楊士建，鄭魯民，劉東美.駱馬湖生態(tài)建設(shè)［J］.水資源保護(hù)，2006，22(1):43－45.