基于遙感的滇池水環境變化研究

陳聯君

云南師范大學旅游與地理科學學院，云南昆明 650092

0 引言

湖泊是一種特殊的自然綜合體，不僅是地表水載體和沉積礦藏賦存的場所, 而且與大氣、生物、土壤等多種要素密切相關[1]。湖泊的作用巨大，主要體現在維持區域水平衡、減緩洪澇災害、調節氣候、保護生物多樣性等方面[2，3]。內陸湖泊的作用也十分的明顯，被視為湖區環境變化和氣候變異的指示器[4，5]。對湖泊的環境進行調查分析，通常的方法所耗費的物力、人力、財力較多，時間也較長，缺陷也很明顯，就是難以實現實時的更新，而且數據統計時人為干擾較多,統計精度有限,實施起來困難很大[6]。隨著遙感技術的產生與發展，湖泊環境的研究隨之進入了新的階段，在湖泊的研究中使用衛星遙感技術，可以充分利用到遙感大范圍的覆蓋、數據信息的實時更新以及低成本投入的技術優勢，對于湖泊的研究會產生革命性推動。

1 研究區概況

滇池被稱為昆明湖或昆明池。位于昆明市的西南部，主要成因是地質構造陷落形成。滇池的水的來源較為多樣，其東、南、北3個方向有近20多條河流匯入，湖水面積340多平方公里，湖面東西長約14km，南北有39km，整個湖岸線長有200多公里，整個湖大小在云南省居首位，同時也是中國第六大內陸淡水湖。由于昆明市區及周邊人口急劇增長和經濟開發，給滇池流域的生態環境帶來巨大壓力。水質污染從70年代后期開始，特別是90年代，富營養化日趨嚴重。“七五”以來國家和云南省相繼投入巨資治理，同時被國務院列為重點治理的“三湖三河”之一。這些措施雖然有效地緩解了滇池生態環境的惡化，卻未完全根治滇池污染。

2 數據資料及研究方法

2.1 數據及預處理

本文所用的數據是兩景1992年8月16日和2000年11月2日Landsat-TM影像，軌道號同為129043。影像預處理包括：使用遙感處理軟件ENVI 的ROI（感興趣選取）功能，從遙感影像中裁剪出滇池以及周邊的影像圖，為了更精確的反映研究區的特點，需要排除其他地物的光譜特征干擾，因此預處理同時進行去條帶噪聲的工作，同時通過已知的地面控制點，進行精確地地面校正，同時進行增強處理，最后進行各種波段組合包括：4、3、2和5、4、3等的波段合成，突出影像信息。

2.2 研究方法

2.2.1 波段選擇的基本原則

對波段的選擇要遵循下面3個原則：1）圖像信息應盡可能豐富,使得圖像上各要素能較明顯的表現出來，以方便解譯；2）在選擇合成圖像的波段組合時，所選波段的相關性必須要小，同時要求各波段擁有較多的信息量；3）選擇的波段的離散程度的顯著的大，減少其他因子的干擾。

2.2.2 波段選擇的方法

由于遙感當中地物的光譜特性如“同物異譜”和“同譜異物”現象，因此合理利用TM影像的光譜范圍，來反映不同地物特征顯得十分重要，選擇較好的情況下，對湖泊的專題要素的提取和解譯工作有較大幫助。

滇池中水體的不同渾濁度，在TM影像光譜上表現出來特征也不相同，較為清潔的水，灰度值會較高，反之灰度值會較低，用于區分它們的最佳波段是TM4、TM3波段。TM5、TM7波段的反射率在水中含大量雜質時,反射率隨之增大,并隨水的渾濁度增大而增大[7]。TM4、TM3、TM2波段進行彩色合成來可區分水體泥沙和污染物。檢測滇池的污染和富營養化時，要用到5、4、3波段，并進行主成分轉換，更準確揭示多波段數據結構內部的遙感信息；檢測河岸泥沙淤積情況，選用4、5、3波段，河口淤積處，水草多，顏色為土黃色，地物成橘紅色，新灘涂成白色。

3 結果與分析

3.1 滇池水環境總體分析

在假彩色合成的影像中（波段4、3、2合成影像），水體顏色變化明顯，主要原因是水體惡化，由于污染導致的水體惡化，另外的原因是泥沙的堆積作用，導致的水體透明度下降。由于導致水體變化的原因不同，反映在TM遙感影像上面的色調也會各異。污染嚴重的地方色調多為巧克力色稍偏紅；在泥沙較多的地方，主要表現為深淺不一的藍色調，清潔的水表現則為暗色或淡土色調。依據此原理并結合合成影像，可以對滇池水環境作總體評價：滇池的北部湖區有色調偏紅的巧克力色,說明該處的污染物較多，污染較為嚴重，在湖區的東北地區、北部的河口地帶、以及湖的西南部泥沙較多，東南部湖區和湖的中東部的水質較好。2000年的水體污染面積比1992年面積擴大，向湖中心地帶擴展；泥沙淤積程度加深，水質也較1992年差。

3.2 水質污染較重，富營養化嚴重，但有所好轉

運用主成分分析的波譜增強的方法，壓縮數據量得到了滇池水體的假彩色合成圖，如圖1、圖2。

圖1 1992年滇池主成分彩色合成圖

圖2 2000年滇池主成分彩色合成圖

從1992年的彩色圖中可以看到湖區有一些藍色色調,為湖本來顏色，滇池的北部、西北部由于污染顯現綠色,在北部河口地帶和人口稠密地區更明顯。西南地區為暗紅色,是由于在此處入湖的幾條河流,帶來的泥沙所致。

2000年的綠色面積擴大很多，污染物從河口地區，向湖心、全湖擴展；河口地區的污染加重，甚至出現出淺綠色。湖部分變藍，說明局部水質有好轉，在湖的東南水質好于北部，主要由于距離昆明市主城區相對較遠，污染程度低。

3.3 湖泊淤積面積變大，并有向湖中深入趨勢

1992年（圖3）滇池地區4、5、3合成影像中，在河口部分由于泥沙淤積面積較大，水熱條件較好，比較適宜植被生存，外圍灰白色的是新淤積的淺灘,沒有植被覆蓋。植被較多的地方表現為土黃色，如圖中北部河口、南部顏色都較深發黃，淤積多發生陸上河口地區，湖中紅色較少，說明湖中泥沙或懸浮物較少。

而在2000年（圖4）中，岸上暗紅部分較多，說明植被減少，建筑物增多，城市化進程快。湖中紅色變多，西南部及北部河口地區泥沙也較多，說明湖中泥沙或懸浮物增多，泥沙淤積向湖中心發展。

圖3 1992年滇池453彩色合成圖

圖4 2000年滇池453彩色合成圖

可見現在滇池泥沙淤積較為嚴重，由河口地區淤積轉向河口、湖內部、中心發展的趨勢；之前湖周圍植被較多，城市建筑較少，現在湖周圍植被明顯稀疏，城市建筑增多，城市化發展較快。

總之，滇池地區的水環境總體仍不容樂觀，污染面積日益擴大，污染危害程度加重，泥沙淤積日益嚴重，有向湖中心發展的趨勢，水質總體較差。造成水環境惡劣的原因有很多：如靠近昆明市，工業污水、生活用水部分沒有處理直接排放進湖；湖水營養化和昆明市的營養鹽排放關系密切；此外滇池入湖河流較多，通過徑流入湖的污染物也很多；泥沙淤積主要因為水土保持較差，河口泥沙堆積以及湖盆的相對抬升等等。針對這些問題，我們應該嚴格控制排污，提高污水處理效率；對湖區不同水質、用途進行合理的利用；大力植樹造林，保持水土，控制水土流失，早日改善滇池環境。

[1]于革，薛濱，劉健，等.中國湖泊演變與古氣候動力學研究[M].北京：氣象出版社，1989：1-16.

[2]王蘇民，竇洪身.中國湖泊志[M].北京：科學出版社，1998.

[3]劉紅玉，呂憲國，張世奎，等.濕地景觀變化過程與累積環境效應研究進展[J].地理科學進展，2003，22(1)：60-70.

[4]濮培民，王蘇民.湖泊學研究進展[J].湖泊科學，1989，1(1)：1-11.

[5]柯長青.湖泊遙感研究進展[J].海洋湖沼通報，2004(4)：81-86.

[6]孟慶偉，羅鵬，余佳.遙感技術在湖泊環境研究中的應用[J].地質力學學報，2006，12(3)：287-293.

[7]周迎秋.基于遙感技術的巢湖水環境變化研究[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2009，32(6)：580-583.