空間分布頻率分析法在太湖水華遙感監(jiān)測中的應用

姜 晟，李旭文，牛志春，金 焰，茅晶晶

1．江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036

2．江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，江蘇 南京 210036

太湖地處長江中下游平原，屬大型淺水湖泊，大部分位于江蘇境內，南部沿岸毗鄰浙江。90年代以來伴隨流域經(jīng)濟迅速發(fā)展，湖泊富營養(yǎng)化問題逐漸凸顯，2007年因水華暴發(fā)造成飲用水危機［1］。在國家和省市各級政府的高度關注下，環(huán)保［2-8］、水利［9］、氣象［10］等行業(yè)部門以及中科院等高校院所［11-12］開展了大量的研究和治理工作，尤其是遙感等新興監(jiān)測技術的廣泛應用，為全面掌握太湖水環(huán)境質量現(xiàn)狀、了解水華變化規(guī)律、解決湖泊富營養(yǎng)化問題積累了寶貴的數(shù)據(jù)基礎和實踐經(jīng)驗［13］。

根據(jù)2012年江蘇省環(huán)境狀況公報，太湖仍處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。針對太湖水華空間分布變化的研究工作已取得了很大進展，并且利用大量數(shù)據(jù)歸納總結了一些基本規(guī)律，但在空間分析方法方面研究尚不充分，大都選擇通過傳統(tǒng)數(shù)值統(tǒng)計法加以分析評價，不能完全發(fā)揮出衛(wèi)星遙感高時間分辨率、大范圍連續(xù)監(jiān)測的技術優(yōu)勢，難以直觀表達中長時間尺度上太湖水華的分布格局，對于明確下一階段太湖治理重點范圍也存在一定影響。基于上述原因，該研究利用目前普遍使用的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提出一種簡單有效的空間分析技術方法，針對2009—2012年太湖水華變化規(guī)律進行分析總結，并結合常規(guī)監(jiān)測結果，探討湖體營養(yǎng)鹽濃度與水華分布的響應關系。

1 空間分布頻率指數(shù)與計算方法

利用MODIS影像進行太湖水華分布提取的技術方法已較為成熟［14］，其中以歸一化植被指數(shù)(NDVI)法應用最為廣泛，基本原理是通過水華暴發(fā)水域與正常水體在近紅外及紅光波段反射信息的強弱不同而加以區(qū)分，具體在MODIS數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為

式中ρband1為MODIS影像1波段反射率，ρband2為影像2波段反射率。

一般情況下，水華暴發(fā)水域NDVI＞0，且隨藻類聚集程度增加而升高，正常水域NDVI＜0。實際研究過程中則根據(jù)每景影像結合專家經(jīng)驗適當調整判讀閾值(圖1)，并去除云層和水生植被覆蓋區(qū)域，利用柵格重分類方法得到太湖水華分布解譯二值圖(即在重分類后將正常水體區(qū)域賦值為0，水華分布區(qū)域賦值為1)。

圖1 太湖MODIS影像與NDVI圖

確定研究周期后，即可通過空間分布頻率指數(shù)(SDFI)法，計算得到不同區(qū)域的水華分布頻率差異，具體公式：

式中Ri為第i日水華分布解譯二值圖中的柵格像元值，n為影像數(shù)，t為整個研究周期的總天數(shù)。

SDFI代表了某一時段某一區(qū)域內重復監(jiān)測到水華分布的天數(shù)占總天數(shù)的百分比，SDFI越高表明該區(qū)域內重復觀測到的水華次數(shù)越多，藻類聚集程度越高。與NDVI或其他基于單景影像計算得到指標相比，SDFI可以更好地表征一段時期內水華空間分布的總體特征，并且能夠進一步計算得到同一研究區(qū)域水華空間分布的同比、環(huán)比變化趨勢;而與NDVI相比，則受單個數(shù)據(jù)樣本計算結果的影響較小，且指標意義更明確，與環(huán)境管理聯(lián)系更緊密。

2 太湖藍藻水華年度變化分析

利用SDFI法，將2009—2012年水華發(fā)生最為頻繁的4—10月作為研究周期，針對MODIS衛(wèi)星遙感解譯結果進行計算并加以統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)：

1)2009—2012年，太湖水華頻發(fā)區(qū)域主要集中在西部沿岸，其次為梅梁湖和竺山湖，再次為湖心區(qū)和貢湖，東太湖較少監(jiān)測到水華發(fā)生現(xiàn)象，4年中主要暴發(fā)區(qū)域未發(fā)生明顯變化(圖2)。

圖2 2009—2012年4—10月太湖藍藻水華空間分布頻率

2)根據(jù)SDFI范圍將太湖水華分布情況劃分為4級，SDFI=0為正常水體，0＜SDFI≤5%為水華偶發(fā)區(qū)域，5% ＜SDFI≤10%為水華多發(fā)區(qū)域，SDFI＞10%為水華頻發(fā)區(qū)域。統(tǒng)計各類水域占太湖湖體總面積的比例結果(表1)表明，2009—2012年未監(jiān)測到水華分布的正常水域面積有所上升，至2012年達到太湖總面積的一半，反映出太湖水華大范圍暴發(fā)狀況略有緩解;在水華分布水域中，大部分屬于偶發(fā)區(qū)域，約占全湖總面積的40% ～50%，變化程度并不顯著;水華多發(fā)區(qū)域約占全湖總面積的10%左右，頻發(fā)區(qū)域則低于3%，4年中基本處于波動起伏。

表1 2009—2012年4—10月不同水華分布區(qū)域占太湖總面積比例統(tǒng)計 %

3)2010年水華分布范圍最大，約有63%的湖體曾監(jiān)測到水華現(xiàn)象;2011年水華聚集程度相對最高，約有3%的頻發(fā)區(qū)域和10%的多發(fā)區(qū)域;2012年水華分布范圍相對最小，且聚集程度也相對較低。

3 湖體營養(yǎng)鹽濃度與水華分布關系

根據(jù)已有研究經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析結果，多數(shù)學者認同影響太湖水華分布的主要因素包括藻類自身生理特點、營養(yǎng)鹽、湖流、風向及其他動力因子［10，15］，其中營養(yǎng)鹽濃度水平不僅與水華分布密切相關［16］，而且直接影響湖體水質狀況［7］。通過對2009—2012年太湖湖體浮標自動監(jiān)測站點數(shù)據(jù)插值運算后發(fā)現(xiàn)，高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷3項主要水質富營養(yǎng)化指標的4年濃度均值高值區(qū)均集中在太湖西部沿岸，其次為梅梁湖和竺山湖，貢湖、湖心區(qū)和東太湖相對較低，與同期SDFI計算結果在空間分布上具有良好的一致性(圖3)。

圖3 2009—2012年太湖湖體富營養(yǎng)化指標濃度均值與SDFI空間分布比較

進一步按年度分析比較后發(fā)現(xiàn)，2009—2012年太湖湖體高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷各年度的年均濃度最大值也主要集中于西太湖沿岸，而最小值則基本出現(xiàn)在東太湖，與SDFI的統(tǒng)計結果十分接近(表2)。這一方面說明了太湖水華的暴發(fā)頻率與湖體營養(yǎng)鹽濃度水平密切相關，另一方面也間接反映出SDFI可以較好地表征水華分布與營養(yǎng)鹽濃度的內在關聯(lián)。

表2 2009—2012年太湖湖體富營養(yǎng)化指標濃度最值與SDFI空間分布比較

4 結論

以MODIS為代表的高時間分辨率遙感影像在太湖藍藻水華監(jiān)測方面已經(jīng)得到了廣泛應用，而通過研究發(fā)現(xiàn)，基于中長時間尺度多時相數(shù)據(jù)解譯結果的空間分布頻率指數(shù)SDFI在表征水華空間分布格局方面效果較好，可以作為太湖水華分布綜合評價的重要指標之一;另一方面，經(jīng)與2009—2012年太湖湖體自動監(jiān)測數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷等富營養(yǎng)化指標的4年濃度均值與SDFI同期結果具有良好的空間分布一致性。分析結果表明，太湖西部沿岸是過去4年中水華暴發(fā)頻率與營養(yǎng)鹽濃度水平最高的區(qū)域，其次為梅梁湖和竺山湖。

考慮到太湖湖體的富營養(yǎng)化狀態(tài)和風向、湖流等動力因子在短時間內不會發(fā)生明顯變化，因此，未來數(shù)年中太湖水環(huán)境保護工作的重點仍應放在西部沿岸、梅梁湖、竺山湖等重要區(qū)域。

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