太湖藍藻水華的日動態(tài)遙感監(jiān)測

嚴 飛，張 敏

（1.江蘇省無錫環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 無錫 214000；2.江蘇沙鋼集團有限公司，江蘇 張家港 215600）

富營養(yǎng)化水體生態(tài)脆弱，如果出現(xiàn)較為適宜的水文氣象條件，藍藻很容易大量增殖，并于水面聚集形成水華。20世紀90年代以來，太湖頻繁暴發(fā)藍藻水華，特別是2007年藍藻水華導致的太湖飲用水危機，由于其有害藻毒素嚴重影響人體健康而受到廣泛關注。要對太湖藍藻水華進行有效治理，必須對其發(fā)生、發(fā)展的整個過程有清晰的把握，而太湖藍藻水華具有暴發(fā)面積大、時空變化劇烈等特點，因此實現(xiàn)太湖藍藻水華時空動態(tài)監(jiān)測成為急需解決的問題。

傳統(tǒng)的藍藻水華和富營養(yǎng)化指數(shù)監(jiān)測需要耗費大量人力物力，且只能給出樣點處的數(shù)據(jù)，難以實現(xiàn)區(qū)域性的藍藻水華監(jiān)測和富營養(yǎng)化指數(shù)評價。遙感技術監(jiān)測范圍廣、成本低，可以快速、實時地監(jiān)測水體表面的長期動態(tài)變化。遙感作為一種對地觀測的綜合性技術，在湖泊藍藻水華監(jiān)測中發(fā)揮了巨大作用。當前，我國主要采用MODIS 數(shù)據(jù)作為太湖藍藻水華監(jiān)測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，它是Terra 衛(wèi)星和Aqua 衛(wèi)星上攜帶的重要傳感器，可每日對太湖進行兩次觀測（觀測時段10:00—11:30、12:30—14:00）。其間通過這兩次觀測數(shù)據(jù)進行太湖水華面積提取，并選取其中面積較大的值作為當日藍藻水華預警監(jiān)測的最終結果。然而，藍藻水華在一天中存在動態(tài)變化，在春夏季太湖藍藻水華暴發(fā)時，幾個小時以內就可發(fā)生急劇變化，所以傳統(tǒng)遙感傳感器無法對藍藻水華在一天內的變化進行持續(xù)觀測。

地球靜止海洋水色衛(wèi)星COMS 是世界上第一顆面向海洋水色觀測的靜止衛(wèi)星，其搭載的GOCI 水色遙感傳感器可獲取8 個通道的數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m，時間分辨率為1 h，每天提供8 次觀測數(shù)據(jù)（觀測時段08:15—15:15），可實時監(jiān)測包括太湖水域在內的2 500 km×2 500 km 的目標區(qū)域。本研究在對GOCI 影像進行瑞利散射校正的基礎上，使用歸一化植被覆蓋指數(shù)（）開展太湖藍藻水華的提取和動態(tài)變化的逐時分析，從而更好地服務太湖夏季藍藻水華預警監(jiān)測。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖位于長江三角洲南部，橫跨江蘇和浙江兩省，是我國五大淡水湖泊之一。太湖面積約為2 338 km，湖岸線全長約為393 km，氣候屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫介于16 ～18 ℃，北部有梅梁湖、竺山湖、貢湖三個主要湖灣。最大水深為3 m，平均水深僅為1.89 m，湖泊動力比（）高達25.6，且富營養(yǎng)化水平較高，太湖屬于典型的渾濁二類水體。夏秋季節(jié)經常有大范圍的藍藻水華暴發(fā)，較容易導致湖泛的發(fā)生，從而對太湖飲用水安全造成威脅。湖泊動力比的計算公式為：

式中：為湖泊面積，km；為平均水深，m。

1.2 GOCI 遙感數(shù)據(jù)

地球靜止海洋水色衛(wèi)星COMS 可滿足高頻次水色參數(shù)與藍藻水華動態(tài)變化的監(jiān)測需求。筆者通過韓國海洋衛(wèi)星中心數(shù)據(jù)服務平臺下載了藍藻水華現(xiàn)象較為典型、云量影響較小的5 d GOCI-L1B 級數(shù)據(jù)。GOCI 的L1B 級數(shù)據(jù)使用專用軟件，即GOCI數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（GDPS）進行處理，可獲取表觀輻射亮度值和瑞利散射校正反射率。在瑞利散射的基礎上，對太湖進行分時藍藻水華監(jiān)測，日期分別為2018-11-09、2019-07-14、2019-08-16、2020-05-11 和2020-06-30。GOCI 具體的波段參數(shù)如表1所示。

表1 GOCI 波段及參數(shù)信息

1.3 基于NDVI 指數(shù)的GOCI 藍藻水華提取方法

當藍藻水華發(fā)生時，聚集于水面的水華會使該水域表現(xiàn)出與植被光譜相似的特征。本文使用指數(shù)設定閾值的方法提取藍藻分布信息，這也是當前大部分藍藻水華監(jiān)測部門所使用的標準方法。基于GOCI 數(shù)據(jù)的計算公式為：

式中：、分別為GOCI 中心波長680 nm、745 nm 處波段的遙感反射率。

2 結果與分析

光照等氣象因素會使藍藻做水平和垂直方向的遷移，受衛(wèi)星過境時間的限制，MODIS 等遙感數(shù)據(jù)僅能反映藍藻水華的日度時序變化，由于GOCI 具備一日8 景的高時間分辨率，這就為監(jiān)測藍藻水華單日內的動態(tài)變化提供了可能。指數(shù)能部分消除大氣程輻射和太陽-目標-衛(wèi)星三者相對位置的影響，具備簡單、易操作的優(yōu)點，其反映了植被光譜的典型特征，而藍藻水華又有和植被相似的光譜，所以被很多研究者和藍藻水華監(jiān)測部門所使用。提取結果如表2所示。

從表2 可見，藍藻水華在一天中存在較為明顯的變化規(guī)律。為更直觀地比較不同日期各時間點的藍藻水華聚集情況，將每個時間點的水華面積除以當日各時間點水華面積之和，得到藍藻水華聚集面積的分時占比情況，如圖1所示。

表2 GOCI 影像提取藍藻水華的分時面積

項斯端等人對淺水型富營養(yǎng)湖泊分層取樣，得出藻量呈雙峰分布，即日出后湖體表層藻量逐步上升，10:00 左右達到峰值，12:00—14:00 表層水體的藻量又大量下降，達到谷值，之后藻量又開始上升，18:00—20:00 出現(xiàn)第二次峰值，隨后藻量持續(xù)下降。從圖1 的08:00—15:00 藍藻面積變化情況來看，藍藻水華聚集面積普遍存在08:00—11:00 顯著增加，10:00—11:00 達到當日最高峰，12:00 之后開始明顯下降，15:00 達到當日最低谷的規(guī)律。由于GOCI 最晚成像時間為15:00，因此無法監(jiān)測日落后的峰值?？傮w來說，該變化趨勢符合藍藻型富營養(yǎng)湖泊藻量晝變化規(guī)律。

圖1 藍藻水華聚集面積分時占比

下面分析藍藻水華出現(xiàn)日動態(tài)變化的原因。根據(jù)氣泡調節(jié)浮力機制，藍藻的垂直位移受氣泡控制。日出后，藻體接收太陽光照進行光合作用，由于小氣泡的作用，細胞的浮力增加，到10:00 時形成上層藻量高峰。中午強日照下生成的光合產物使得細胞內部膨壓增高，導致氣泡崩潰大于新的聚集，致使細胞失去浮力，造成藻量下降。14:00 以后，日照減弱，日落后2 h 左右再次形成上層藻體數(shù)量的峰值。

3 結論

本文使用GOCI 地球靜止衛(wèi)星影像，通過指數(shù)對5 d、40 景影像進行了藍藻水華提取。研究結果表明，基于GOCI 數(shù)據(jù)的藍藻水華提取，所使用的指數(shù)取得了較好的效果；太湖藍藻水華的日動態(tài)變化符合藍藻型富營養(yǎng)湖泊藻量晝變化規(guī)律；相比于MODIS 等極軌衛(wèi)星，GOCI 數(shù)據(jù)具有高時間分辨率的優(yōu)勢，可反映藍藻水華在一天內的動態(tài)遷移和變化過程，在湖泊藍藻水華監(jiān)測預警中具有重大應用潛力。