基于遙感技術(shù)的太湖藍(lán)藻水華時空變化分析

徐寅生，趙琳

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 理論基礎(chǔ)

浮游藻類指數(shù)的基本原理為水體在紅光波段、近紅外波段和短波紅外波段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收作用，對于表面存在藍(lán)藻水華的水體，在近紅外波段表現(xiàn)為明顯的反射峰，利用這一特點，通過相關(guān)波段的組合，構(gòu)建FAI指數(shù)模型，具體計算公式如下。

式中：bRED、bNIR、bSWIR分別表示紅、近紅外、短波紅外波段的反射率；λ RED、λ NIR、λ SWIR分別表示遙感影像紅、近紅外、短波紅外波段的中心波長。

2 研究區(qū)域

太湖是中國五大淡水湖之一，位于長江三角洲南部，橫跨江、浙兩省，北臨無錫，南濱湖州，西依宜興，東近蘇州。太湖西和西南側(cè)為丘陵山地，東側(cè)以平原及水網(wǎng)為主。太湖是流域洪水和水資源調(diào)蓄中心，湖泊水面面積2 338 km2，分為9 個湖灣。各湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境狀況差異較大，其中東太湖、西部沿岸區(qū)等湖區(qū)為典型的草型湖區(qū)，其他湖區(qū)基本為藻型湖區(qū)。

3 遙感數(shù)據(jù)及處理過程

3.1 遙感數(shù)據(jù)

此次遙感數(shù)據(jù)采用的是哨兵2號多光譜數(shù)據(jù)，時間范圍為2017-2021 年（詳見表1）。含有13 個波段，波段范圍為438～2 280 nm。

表1 2017-2021年研究區(qū)遙感影像信息表

哨兵2號屬于高分辨率多光譜成像衛(wèi)星，包括2A和2B兩顆衛(wèi)星。哨兵2號多光譜影像包含13個光譜波段，幅寬約290千米。兩顆星互補(bǔ)重訪周期可達(dá)5 天，而對于緯度較高的區(qū)域，這一周期僅需3 d。從可見光和近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率，分別為10、20 m和60 m。哨兵2號衛(wèi)星影像主要用于陸地監(jiān)測，可提供水覆蓋、土壤和植被、內(nèi)陸水路及海岸區(qū)域等圖像，還可用于緊急救援服務(wù)。哨兵2號多光譜波段基本信息見表2。

表2 哨兵2號多光譜衛(wèi)星波段基本信息表

3.2 數(shù)據(jù)處理

哨兵2號多光譜衛(wèi)星遙感影像由歐洲航天局發(fā)布，其發(fā)布的哨兵2號L1C級多光譜數(shù)據(jù)（MSI）是經(jīng)過正射校正和幾何級校正的大氣表觀反射率產(chǎn)品，并沒有進(jìn)行大氣校正。因此，哨兵2 號影像的數(shù)據(jù)處理主要包括：大氣校正、數(shù)據(jù)重采樣和去云處理。

①大氣校正，利用歐洲航天局發(fā)布的專門生產(chǎn)L2A級數(shù)據(jù)的插件Sen2cor 對L1C 級數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正處理，得到L2A 級數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)重采樣，哨兵2號數(shù)據(jù)包含10、20和60 m三種分辨率的波段數(shù)據(jù)，需要將60 m和20 m的數(shù)據(jù)重采樣至10 m，以提高數(shù)據(jù)的整體分辨率。這里主要的使用工具是歐洲航天局提供的Sen2Res插件。

③水體提取，基于多光譜數(shù)據(jù)，計算改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)，提取值大于0 的范圍，即水體范圍。改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI，Modified Normalized Difference Water Index）能夠最大程度地抑制居民地和土壤等噪聲，突出水體，MNDWI的計算公式如式（2）。其中，GREEN 表示綠波段，在哨兵2 號影像中對應(yīng)第3波段，MIR對應(yīng)中紅外波段，在哨兵2號影像中對應(yīng)第11或第12波段。

通過計算影像的MNDWI，設(shè)定合適的閾值，區(qū)分影像中水體與非水體，進(jìn)而提取太湖水體范圍，并進(jìn)行裁剪。

④計算FAI并進(jìn)行分級，根據(jù)FAI公式，找出哨兵2號影像中對應(yīng)的波段，即bRED、bNIR、bSWIR分別對應(yīng)哨兵2 號影像的第4、8、11 波段；λ RED、λ NIR、λ SWIR分別為665、842 和1 610，代入FAI 公式進(jìn)行計算，得到不同時間的太湖水體FAI分布圖。以0.025、0.05、0.1 為節(jié)點對FAI 進(jìn)行分級，得到不同時間的太湖水體FAI分級圖。

⑤提取藍(lán)藻面積，根據(jù)FAI以往相關(guān)研究成果，F(xiàn)AI的值大于0.1的區(qū)域被認(rèn)為是藍(lán)藻區(qū)域，因此，文中沿用該結(jié)論，提取FAI大于0.1的區(qū)域作為藍(lán)藻區(qū)域，并計算相應(yīng)的面積。

4 結(jié)果分析

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)處理流程，制作2017 至2021 年5 月份和10月份的太湖FAI 指數(shù)分級圖（如圖2 所示），可以看出，2017 年5 月，西部沿岸區(qū)和梅梁湖的藍(lán)藻數(shù)據(jù)處于較高水平，同年10 月，南部沿岸區(qū)的藍(lán)藻數(shù)據(jù)較高；2018 年5 月，西部沿岸區(qū)和南部沿岸區(qū)的藍(lán)藻數(shù)據(jù)處于較高水平，同年10 月，太湖整體藍(lán)藻水平較低；2019 年5 月，東部沿岸區(qū)和西部沿岸區(qū)的藍(lán)藻數(shù)據(jù)處于較高水平，但范圍不大，同年10 月，南部沿岸區(qū)藍(lán)藻水平較高，且范圍較大；2020年5月，藍(lán)藻大面積暴發(fā)，在西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)和湖心區(qū)都有分布，藍(lán)藻數(shù)據(jù)水平較高，同年10 月，藍(lán)藻范圍縮小在西部沿岸區(qū)，范圍較??；2021 年5 月，藍(lán)藻數(shù)據(jù)水平較低，同年10 月，西部沿岸區(qū)有小范圍藍(lán)藻出現(xiàn)。

整體來看，藍(lán)藻在每年的5月份出現(xiàn)的頻率大于10月份；西部沿岸區(qū)和南部沿岸區(qū)較東部沿岸區(qū)和其他區(qū)域更容易出現(xiàn)藍(lán)藻爆發(fā)的情況?？偠灾迥陙?，太湖水環(huán)境問題不容樂觀，需要加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)和治理。

基于FAI分級圖，提取藍(lán)藻面積，計算結(jié)果如表3所示，可以看出，每年五月份的藍(lán)藻爆發(fā)面積比10 月份的面積大，在2020年5月，藍(lán)藻出現(xiàn)大面積爆發(fā)。從2020年10月以來，藍(lán)藻得到有效控制。

表3 太湖2017-2021年不同時間的藍(lán)藻面積表

5 總結(jié)

文章利用2017-2021年哨兵2號多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對近五年的太湖藍(lán)藻進(jìn)行長時序連續(xù)監(jiān)測，提取湖區(qū)不同季節(jié)藍(lán)藻水華信息，進(jìn)而分析太湖水質(zhì)的時空變化特征。在時間方面，藍(lán)藻多發(fā)于夏季，且2021年以來，藍(lán)藻得到有效控制；在空間方面，西部沿岸區(qū)和南部沿岸區(qū)較容易發(fā)生藍(lán)藻爆發(fā)，需加強(qiáng)防范和治理。