多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和水色遙感技術(shù)在水庫水葫蘆覆蓋監(jiān)察中的應(yīng)用

楊靜學 陳亮雄 李偉添 高旖姍

摘要：近年來，鶴地水庫周邊人類生產(chǎn)生活日益豐富，點源和面源污染使得鶴地水庫水質(zhì)長期呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。分析長時間序列的水庫葉綠素a濃度和水浮蓮區(qū)分布，可進一步了解和分析水庫富營養(yǎng)化程度變化規(guī)律，判斷庫區(qū)水葫蘆爆發(fā)周期和規(guī)律，輔助管理人員采取相關(guān)應(yīng)對措施，科學高效管護水庫。

關(guān)鍵詞：水庫;水色遙感;水葫蘆;水環(huán)境保護

中圖分類號：X52文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190215002

基金項目：國家自然科學基金“多云地區(qū)的干旱指數(shù)遙感模型研究”（項目編號：41401485）;廣東省水利科技創(chuàng)新項目（項目編號：2017-15）1概述

由于經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，人民生產(chǎn)生活日益豐富，鶴地水庫管理區(qū)范圍已無天然林，全部為人工經(jīng)濟林、農(nóng)田、養(yǎng)殖用地、居住用地等。這些土地類型有個共同的特點就是會為庫區(qū)帶來富營養(yǎng)化的隱患：經(jīng)濟林和農(nóng)田會施肥，下雨時形成面源污染;而養(yǎng)殖用地和居住用地會有點源排放的特點。

根據(jù)湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站2016年7月22日和2016年7月29日的鶴地水庫水質(zhì)與藻類情勢監(jiān)測周報來看，鶴地水庫的6個站位，即渠首站、蘭山站、石角站、文官站、放生園站、大垌排站，其COD水質(zhì)屬于III類～劣IV類水質(zhì)，總氮屬于II類～劣V類水質(zhì)，總磷屬于I類～劣V類水質(zhì)。藻類監(jiān)測方面，庫區(qū)調(diào)查站位藻類以藍藻種類為主;庫區(qū)外調(diào)查站位浮游植物以裸藻和綠藻為主。從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，庫區(qū)存在較嚴重富營養(yǎng)的現(xiàn)象。

隨著現(xiàn)代遙感技術(shù)的發(fā)展，各種對地觀測衛(wèi)星源源不斷地提供不同的空間分辨率、時間分辨率和波譜分辨率的遙感圖像，這就是多源遙感數(shù)據(jù)。與單源遙感影像數(shù)據(jù)相比，多源遙感影像數(shù)據(jù)所提供的信息具有冗余性、互補性和合作性。

水色遙感技術(shù)是利用傳感器接受到水面發(fā)射的輻射光譜，并且進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，從而獲得水體的一些基本信息的技術(shù)[1-2]。通過水色遙感技術(shù)，可以獲得水體中影響光學性質(zhì)的組分的濃度，探測水體表層的物質(zhì)組成[3-5]。本文中主要關(guān)注富營養(yǎng)化水色要素濃度。

葉綠素a是水生藻類的重要成分，是一個重要的水質(zhì)評價指標，也是二類水體水色遙感分析計算研究中主要的參演參數(shù)之一。葉綠素a濃度能夠表征光能自養(yǎng)生物量，因此，經(jīng)常被應(yīng)用于估算浮游植物的初級生產(chǎn)力和生物量，應(yīng)用與水體營養(yǎng)化程度的評估研究中。水體葉綠素a濃度的存在范圍決定葉綠素a濃度遙感分析計算最佳波段的選擇，葉綠素a上升會導致近紅和紅波段的反射率上升，藍波段的反射率下降，地域差異也會影響葉綠素a分析計算的波段選取。

水葫蘆，學名鳳眼蓮，是多年生漂浮性草本植物，有極強的氮、磷吸收能力及重金屬富集能力從而被廣泛用于水環(huán)境污染的治理。但水葫蘆的生長特性確定了其可以通過無性繁殖方式迅速地繁殖而侵占大量水面，造成水體缺氧、河道堵塞，嚴重影響了當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。當水葫蘆形成優(yōu)勢群眾覆蓋了大面積水面后，不僅會影響大氣與水中氣體交換，降低光線對水體穿透能力，影響庫區(qū)魚類、水禽生物生活;還會使水中pH值和溶解氧濃度降低，CO2濃度增加，破壞水下生物的食物鏈，影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量;增加水的蒸發(fā)量，并為蚊蟲提供適宜的滋生場所;水葫蘆富集重金屬后，污染物經(jīng)過食物鏈各級生物的放大作用不斷累積，其結(jié)果不僅危害魚類、水禽和牲畜，而且最終還會危及于人;水葫蘆死亡腐爛后，其內(nèi)富集的重金屬會再次釋放到水體對環(huán)境造成“二次污染”，污染的水質(zhì)嚴重威脅了下游的居民飲用水和灌溉用水安全。

本文將用NDVI指數(shù)來評估和分析庫區(qū)不同時段的葉綠素a濃度分布情況，并結(jié)合無人機航測數(shù)據(jù)進行對比分析出水葫蘆的分布，探索一種科學、高效、價廉的庫區(qū)水葫蘆監(jiān)察方法。

2實驗數(shù)據(jù)及研究方法

2.1實驗數(shù)據(jù)

美國陸地衛(wèi)星Landsat8、高分1號衛(wèi)星GF-1、中巴地球資源衛(wèi)星01星CBERS-04、資源一號02C衛(wèi)星ZY-1、環(huán)境衛(wèi)星HJ-1A的可見近紅外多光譜波段，每一個波段都包含一定的水色信息，這些信息的存在重疊的部分。目前波段比值是常用的提高分析精度的方法，使得模型精度較可靠。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）被定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值：

NDVI=nir-rednir+red

其中，nir和red分別為近紅外波段和紅波段處的反射率值。

NDVI指數(shù)能使植被從水和土中分離出來，是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子。本項目根據(jù)不同衛(wèi)星光譜情況和庫區(qū)水質(zhì)情況，用NDVI指數(shù)來評估和分析庫區(qū)不同時段的葉綠素a濃度分布情況。

2016年2月2017年12月共獲取庫區(qū)在無云氣候下的影像共19景。項目將對以下衛(wèi)星庫區(qū)無云氣候條件下成像數(shù)據(jù)進行分析計算，獲得庫區(qū)水質(zhì)參數(shù)。

2.2研究方法

本文具體技術(shù)路線如圖2所示，包括多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采集、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、葉綠素a濃度分析、水葫蘆覆蓋分布與氣溫相關(guān)性分析，庫區(qū)水葫蘆德的時空變化分布。在獲得庫區(qū)不同時段的葉綠素a濃度分布情況后，根據(jù)不同衛(wèi)星光譜情況對2016年至今各個時期的影像設(shè)定閾值，將閾值以上的區(qū)域認定為水葫蘆分布區(qū)，計算出庫區(qū)水葫蘆分布情況如下圖所示。

3結(jié)果與分析

本文受篇幅限制僅列出一期計算成果數(shù)據(jù)如圖3所示，2017年10月23日影像由于衛(wèi)星光譜參數(shù)出現(xiàn)部分區(qū)域異常情況，庫區(qū)中央的葉綠素a濃度無法計算，因此將此區(qū)域結(jié)果剔除。其余2016年和2017年的庫區(qū)葉綠素濃度定性分析計算結(jié)果圖如下圖所示。

根據(jù)分析結(jié)果，鶴地水庫庫區(qū)水面葉綠素a濃度分布有如下特點：綜合整個庫區(qū)水面來看，葉綠素a濃度集中分布于3個區(qū)域：大沙灣附近圍塘、塘拱河流入庫區(qū)區(qū)域和紅湖橋上游化州市境內(nèi)水域。這3處區(qū)域由于庫灣狹長、水深較淺、生活污水排放量大、水體流動性較差導致水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴重，藻類、水葫蘆大量繁殖;庫區(qū)西南部鶴地水庫景區(qū)外，其他庫灣和庫區(qū)圍塘的葉綠素a濃度都普遍增大;河唇鎮(zhèn)鶴地水庫景區(qū)附近區(qū)域由于庫區(qū)岸線較平直，水體流動較快，旅游區(qū)生態(tài)環(huán)境維護好，葉綠素a濃度為整個庫區(qū)近岸水域的較小值。鶴地水庫中央水域因水深較深、水體流動快，亦為葉綠素a濃度的最小值區(qū)域;冬春季相對于夏秋季的葉綠素a濃度高值區(qū)分布較少。只有少部分近岸水域、圍塘和塘拱河流入庫區(qū)區(qū)域的葉綠素a濃度偏大;庫區(qū)中央的葉綠素濃度處于極小值。

鶴地水庫庫區(qū)水葫蘆分布范圍較廣，但區(qū)域分布不均衡，庫灣、岸邊水葫蘆發(fā)生頻率顯著高于庫區(qū)中心區(qū)域。

總的來說鶴地水庫的水葫蘆的時空分布有如下特點：19景影像的平均水葫蘆面積為5.4km2，參與計算的庫區(qū)水域面積為87.6km2，水葫蘆在庫區(qū)的平均覆蓋度為6.2%。2017年10景影像數(shù)據(jù)顯示庫區(qū)水葫蘆平均面積4.9km2，較2016年9景影像水葫蘆平均面積6.2km2有所下降;水葫蘆最適宜生長溫度為25～30℃，最低13℃，氣溫不低于5℃就可以安全越冬，因此水葫蘆可在鶴地水庫全年生長。由計算后的水葫蘆面積和收集的當?shù)厝站鶜鉁仫@示，兩者存在線性相關(guān)關(guān)系，氣溫越高，庫區(qū)水葫蘆面積越大。計算結(jié)果顯示，氣溫每上升1℃，水葫蘆面積增大約0.12km2;水葫蘆主要分布在水庫庫灣狹長、水深較淺、水質(zhì)富營養(yǎng)化、水體流動性較差的區(qū)域。博白縣境內(nèi)庫灣、蘭山河流入庫區(qū)區(qū)域、塘拱河流入庫區(qū)區(qū)域、紅湖橋上游化州境內(nèi)水域、大沙灣附近圍塘和石角鎮(zhèn)近岸、水葫蘆集中在石角鎮(zhèn)石角西橋處水域都較容易出現(xiàn)水葫蘆聚集現(xiàn)象;反觀鶴地水庫西南側(cè)由于庫區(qū)岸線較平直，水體流動較快，旅游區(qū)生態(tài)環(huán)境維護好，因此水葫蘆分布少。鶴地水庫庫區(qū)中心區(qū)域亦鮮有水葫蘆蹤跡，因為庫區(qū)中央水深較深，水體流動快，水葫蘆作為漂浮植物不容易聚集;根據(jù)統(tǒng)計，微風和1～2級風情況下，水葫蘆分布面積平均值為5.3km2，3～4級東北風和東風情況下，水葫蘆分布面積平均值為6.4km2。

需要說明的是，由于鶴地水庫庫區(qū)覆蓋水葫蘆的面積廣、時間長，水葫蘆大量繁殖的區(qū)域若不及時治理或打撈，冬季遭寒流襲擊而枯死腐爛下沉，其殘體的腐敗和分解，會增加水體的物質(zhì)需氧量和營養(yǎng)負荷，最終加速水體向營養(yǎng)化方向發(fā)展。同時，2017年2月17日影像由于分辨率較低，存在過多混合像元，導致計算的水葫蘆比實際面積大。對此需要對混合像元進行分解，用概率密度函數(shù)來計算水葫蘆的實際面積，概率值取50%。

4結(jié)論

多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與單源遙感影像數(shù)據(jù)相比，具有更高的時空分辨率，可以更好地實現(xiàn)對目標區(qū)域的監(jiān)察。2016年2月2017年12月時間范圍內(nèi)，共獲取了19景目標水庫的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，良好地滿足了庫區(qū)水葫蘆覆蓋情況的時空動態(tài)變化監(jiān)察的要求。

同時，水色遙感技術(shù)分析可以得到的水體表層的葉綠素沙濃度分布。結(jié)合無人機航測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)葉綠素a濃度的高值區(qū)即是水葫蘆覆蓋區(qū)域。利用這個規(guī)律，可對鶴地水庫的水葫蘆的時空分布進行分析，判斷庫區(qū)富營養(yǎng)化的發(fā)展趨勢，制定相關(guān)應(yīng)對措施，使得水庫管理更加科學和高效。參考文獻

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