星云湖水質狀況與植被指數的關聯研究

郭志海，袁希平，甘 淑，宗慧琳，吳 陽

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

星云湖水質狀況與植被指數的關聯研究

郭志海，袁希平，甘 淑，宗慧琳，吳 陽

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

星云湖流域是滇中地區比較發達的經濟區域，星云湖是當地工農業生產和沿湖人民生活的重要水源地，但隨著流域內經濟的快速發展，沿湖人口的增多，排入湖泊的工業、農業和生活污水大幅度增加，嚴重污染了星云湖水質。本文以Landsat資源衛星的TM影像為數據源，通過對同屬滇中高原湖泊、空間相鄰，但水質狀況差異明顯的星云湖與撫仙湖的多波段光譜曲線進行對比分析發現，兩湖泊影像光譜在近紅外波段的平均亮度值差異最大。據此選擇歸一化植被指數模型，對星云湖多年的NDVI進行分析研究，嘗試從觀察不同時期研究區域的NDVI影像，統計分析調查點的NDVI值，以及實地調查，從3個方面尋找星云湖的水質狀況與歸一化植被指數模型中存在的關聯。

NDVI； Landsat； 資源衛星； 水質狀況； 星云湖

遙感具有探測范圍廣、信息量大、速度快、周期短等優點，所以遙感方法在國內已得到廣泛應用，如地面水質監測[1]、生態環境現狀評價[2]、植被調查及赤潮預報[3]、水庫面積提取等[4]，形成各種指數方法。其中，NDVI(歸一化植被指數模型)[5- 7]是陸地上生物量和初級生產力估算的常用算法，國內也用于預測海洋赤潮。秦海旭等[8]運用遙感方法分析淺水湖泊水質變化的特征；李思等[9]基于遙感技術對陜西省渭河流域污染演變進行研究；趙寧等[10]運用NDVI研究1973—2013年紅堿淖水域水質的變化。

星云湖是江川縣工農業生產和沿湖人民生活的重要水源地，維系著江川縣經濟發展的命脈，對調節滇中高原氣候、提供疏遠和美化環境起著不可替代的作用。但隨著流域內經濟的快速發展、沿湖人口的增多，以及排入湖泊的工業、農業和生活污水的大幅增加，嚴重污染了星云湖水質。2000年后，全湖面水質由3類水迅速下降到4、5類水，2003年以來基本處于劣5類水平。而作為常規水質監測，當地水文水資源局只能提供湖心與海門橋2個監測站的水文數據，其中海門橋監測站檢測斷面缺失檢測水質必要的指標數據。所以在水質迅速惡化、水質資料缺少的情況下，利用遙感技術對星云湖水質狀況與植被指數的關聯研究迫在眉睫。

1 研究區及研究數據

1.1 研究區概況

研究區位于滇中腹地、富庶的江川“壩子”(即江川盆地)內，這里物產富饒，經濟發達，交通便利。該地區屬于中亞熱帶半濕潤高原季風氣候，平均氣溫13.4～16.5 ℃；年降雨量為879.1 mm，其中5—10月為雨季，占年降雨量的81.4%；主要風向為西南風，年均風速為2.2 m·s-1。該研究區包含有星云湖與撫仙湖兩大高原湖泊，其中星云湖屬于珠江流域南盤江水系的源頭湖泊，為高原斷陷型淺水湖泊，近年來污染嚴重；撫仙湖是中國最大的深水型淡水湖泊，也是珠江源頭第1大湖，屬南盤江水系，湖水清澈見底。

1.2 數據源的選擇

研究星云湖水質狀況與植被指數模型的關聯需以多年的遙感影像為數據基礎，而冬季云量較少，圖像清晰。為保證研究的科學性與可靠性，遙感影像的獲取日期應大致接近。本次研究選用1989、1996、2005年的3景TM影像，這些影像均為1—3月獲取。根據研究區內的水文、氣候等特征，以及水生植物、藻類的特點，研究區在5、6、7月降雨充足，溫度、光照都較適合水生植物及藻類的生長，且生長較為旺盛[11]。而星云湖的水質狀況能通過水體富營養化來體現，為了更明顯地看出星云湖水質狀況與植被指數模型的關聯，還選用2014年7月20日的1景遙感影像進行分析研究(圖1)。

圖1 研究區行政區劃及遙感影像

2 典型湖泊水體的遙感多光譜特性對比分析

2.1 多波段曲線對比分析與差異特性

星云湖與撫仙湖同屬于滇中高原湖泊且空間相鄰，但星云湖自2000年后，全湖面水質由3類水迅速下降到4、5類水，2003年以來基本處于劣5類水平，而撫仙湖的水質一直都是屬于1類水。通過對比分析這兩個空間相鄰且水質差異明顯的高原湖泊的光譜特征曲線，可發現水質狀況與光譜特征之間的關聯。圖2為研究區2014年星云湖與撫仙湖的光譜特征曲線圖。

圖2 典型地物光譜特征曲線

通過對比星云湖與撫仙湖的光譜特征曲線(圖2)可以看出，星云湖與撫仙湖的光譜亮度值在第1、2、3波段及第7波段上較接近，在第5、6波段上兩者亮度值相差稍大；在第4波段上，兩者亮度值相差最為明顯，而撫仙湖的光譜曲線在第3、4波段間變化最小。因此，將第3和第4波段進行差值運算，可以增強未受污染與受污染水體之間的光譜信息差異，以達到區分未受污染與受污染水體的目的。通過上述分析，本文將構建歸一化植被指數NDVI進行水質的判別。

2.2 NDVI構建與特性分析

為更好地研究NDVI的建立，需研究星云湖與撫仙湖在TM影像上，第3、4(紅波段與近紅外波段)波段DN值(Digital Number)的差異。通過對星云湖、撫仙湖布設調查點，并統計分析在3、4波段DN值，可得到表1。

表1 星云湖、撫仙湖第3、4波段DN值

從表1可以看出，撫仙湖在第3、4波段標準差相對于星云湖較小，而標準差能反映一個數據集的離散程度，說明撫仙湖內DN值相對平均，內部物質相對單一；而星云湖在第3、4波段標準差較大，特別是第4波段，其標準差是撫仙湖的4倍多，說明星云湖的內部存在其他物質對光輻射產生了吸收和散射。而對比星云湖與撫仙湖在DN值的平均值發現，第3、4波段里星云湖DN值的平均值都大于撫仙湖，第4波段更加突出，大于17.39。因此通過構建NDVI來增強兩者之間的光譜差異。

通過運用TM影像的第3(紅波段)、第4波段(近紅外波段)進行差值運算，得到如下公式：

NDVI=(b3-b4)/(b3+b4)。

式中：b3為TM影像紅波段；b4為TM影像近紅外波段。

3 星云湖水質狀況與植被指數模型的關聯分析

3.1 針對遙感影像的關聯分析研究

通過前面的分析研究得知，建立歸一化的植被指數能增強星云湖與撫仙湖之間的光譜差異，通過對比分析，進而發現水質狀況與植被指數之間的空間關聯。通過對1989、1996、2005及2014年的4景TM影像建立歸一化植被指數模型。其中，歸一化植被指數的變化范圍為-1～+1。植被覆蓋的陸地表面趨于正值，裸露的土地接近0，開闊的水體為負值。

從圖3中可以看出，1989與1996年，星云湖湖面的NDVI值均<0，撫仙湖除了靠近湖西岸有小塊綠色區域外，整體呈現藍色。據實地調查，此塊綠色區域為孤山島，是撫仙湖上唯一的一座島嶼。從2005年研究區的NDVI分值圖上來看，星云湖湖面開始存在NDVI值>0的區域，主要集中于湖心，而撫仙湖仍無變化，整體呈藍色；至2014年，星云湖湖面NDVI值>0的區域明顯擴大，不僅局限于湖心區域，撫仙湖仍無變化。從多年NDVI影像總體來看，1989，1996年星云湖與撫仙湖幾乎無變化；2005年以后，星云湖湖面NDVI值>0的區域不斷增加，而撫仙湖在1989—2014年間幾乎沒有變化。

圖3 各時期研究區的NDVI分值

為了研究1996—2005年為什么會出現湖面的過渡性變化，本文選用星云湖1995—2004年的水環境數據進行研究分析(圖4)，尋找變化的原因與關聯。

從圖4可以看出，2000年之前，星云湖的各類指標均處于較低水平，而當時星云湖的水質也屬于3類水，適用于集中式生活飲用水，是地表水源地二級保護區。進入2000年以后，COD、TN、TP這些水環境指標上升趨勢明顯，而這些水環境指標與水質狀況呈反比；而透明度呈下降趨勢，透明度與水質狀況呈正比?？傮w來說，在2000年以后星云湖的水質狀況惡化加速，至今星云湖水質狀況仍然處于劣5類水平。從分析1995—2004年星云湖的水環境變化數據可以看出，星云湖的水質狀況的變化可通過NDVI的分值圖來反映，說明星云湖水質狀況與植被指數模型存在一定的關聯。

3.2 針對調查點統計數據的關聯分析研究

為進一步研究星云湖水質狀況與植被指數之間的關聯，本文在星云湖與撫仙湖的湖面均勻、隨機的選取一些調查點，提取各點在各期NDVI影像圖上的DN值，并進行統計分析(表2)。

由表2可知，撫仙湖的所有調查點的NDVI值均小于0，而1996年前星云湖所有調查點的NDVI值也都小于0；2005年，星云湖的所有調查點中，NDVI最大值已經為0.288，超過界限值0，但平均值還是小于0；2014年星云湖的NDVI平均值已超過界限值0。對比多年來星云湖與撫仙湖NDVI平均值的變化趨勢可以發現，兩個湖泊的NDVI平均值都是處于上升趨勢，但最后收斂于-0.1。對比多年兩湖調查點NDVI值標準差的變化趨勢可以看出，星云湖的標準差1996年前處于平穩狀態，而在1996年后有明顯的上升趨勢，而撫仙湖則呈現一直的平穩狀態。標準差能反映一個數據集的離散程度，星云湖調查點NDVI值標準差的上升說明湖泊內部的異質性明顯增強。

圖4 1995—2004年星云湖的水環境變化

表2 星云湖、撫仙湖各年NDVI值情況

3.3 針對水質狀況與植被指數關聯的實地調查分析

為了驗證星云湖水質狀況與植被指數之間的關聯性，需對星云湖的實際水質狀況進行資料收集與實地調查。野外調查工作主要包括布設調查點與對湖泊的實際水體情況進行觀察。通過多方收集資料發現，星云湖2014年水質為劣5類水平，COD、TN、TP等環境指標均超標嚴重，由于農村生活、規模化畜禽養殖業和農田化肥磷的流失，使得TN、TP超標最為嚴重。通過對星云湖周邊的實地調查發現，2014年整個星云湖的水質狀況不容樂觀，湖面有較大面積的浮游藻類，而湖岸線周邊由于泥沙淤積，生長著許多喜水植物以及挺水植物。

圖5為沿星云湖的湖岸線布設的16個調查點的實際調查狀況。從圖中可以看出，NDVI>0的調查點周圍，水質較差、營養化程度高、普遍生長著較多的喜水植物、挺水植物以及藻類，而NDVI<0的調查點周圍，水面較為清潔，很少有植物生長。說明歸一化的植被指數模型能夠反映水生植物的生長狀況，從而反映水域的水質狀況。

圖5 2014年星云湖的實地情況

4 小結與討論

本次研究采用多年、多景的TM影像，對同屬于高原湖泊且空間相鄰但水質狀況差異明顯的星云湖與撫仙湖的光譜特征曲線進行研究，發現建立歸一化的植被指數模型能在一定程度上突出2種水質間的差異。通過觀察不同時期研究區域的NDVI影像，統計分析調查點的NDVI值，以及實地的調查研究，發現星云湖水質狀況與植被指數模型之間的關聯。

通過對星云湖與撫仙湖的光譜特征曲線進行的對比，發現在近紅外波段兩者之間的亮度值差異明顯，在此基礎上對星云湖與撫仙湖的紅波段與近紅外波段的DN值進行差異對比分析發現，建立歸一化的植被指數模型能在一定程度上突出2種水質之間的差異，為星云湖的水質狀況與歸一化植被指數的關聯研究提供理論基礎。

通過觀察不同時期的研究區域NDVI影像發現，1989—1996年星云湖湖面NDVI值均小于0，呈藍色，該時期星云湖水質為3類水，水質較好；而2005年以后，星云湖湖面開始出現大于臨界值0的區域，通過調查得知2000年過后星云湖的水質開始迅速下降，2005年后的水質均屬于劣5類，水體富營養化程度高。統計分析調查點的NDVI值得知，星云湖NDVI平均值呈直線上升，2014年平均值已超過臨界值0，而標準差在1996年以前較穩定，之后開始直線上升，說明從2005年開始，星云湖內部的同質性開始減弱，可能出現較多藻類與微生物，富營養程度增加。最后通過實地調查，驗證了星云湖水質狀況與歸一化植被指數之間的關聯。NDVI>0的調查點周圍，水質較差、富營養化程度高，普遍生長著較多的喜水植物、挺水植物以及藻類，而NDVI<0的調查點周圍，水面較為清潔，很少有植物生長。由此可知，建立歸一化植被指數模型能在一定程度上反映水體的水質狀況。

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(責任編輯：張瑞麟)

2016- 10- 18

國家自然科學基金(41261092，41561083)；云南省自然科學基金(2015FA016)

郭志海(1987—)，在讀碩士，從事3S技術研究工作，E- mail：378305827@qq.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170343

X52

A

0528- 9017(2017)03- 0499- 05

文獻著錄格式：郭志海，袁希平，甘淑，等. 星云湖水質狀況與植被指數的關聯研究[J].浙江農業科學，2017，58(3)：499- 503.