基于歸一化植被指數(shù)的滇池水華時空變化

劉文杰，董 燕

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650032)

近年來，受全球變暖和人類活動影響，我國淡水湖泊水華頻發(fā)，引起水體污染、水質惡化、魚類大量死亡，嚴重威脅周圍居民的生產(chǎn)生活。如何預防和治理水華已成為當前亟待解決的問題。

滇池是云南省面積最大的淡水湖泊，自20世紀80年代以來，入湖污染物不斷增加，水體富營養(yǎng)化日趨嚴重，導致湖內藍藻大量繁殖，1992年藍藻水華首次大面積爆發(fā)，并日益嚴重[1]。為此，國家將滇池污染治理列為全國重點治理的“三河三湖”之一。

水體中氮、磷富集是導致水體污染、水質惡化的重要原因之一。滇池流域的氮、磷排放以城鎮(zhèn)生活點源為主。2008年，滇池流域氮、磷排放總量分別為10 736 t和542 t，城鎮(zhèn)生活點源貢獻占比分別達72.7%和42.8%[2]。伴隨著人口的高速增長，以及城鎮(zhèn)化進程的加快，滇池流域城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大，滇池污染治理面臨巨大挑戰(zhàn)[3]。

隨著水華爆發(fā)頻率的增加，傳統(tǒng)的人工實地監(jiān)測方法已難以滿足水華監(jiān)測的需要。隨著信息科學技術的發(fā)展，遙感技術已經(jīng)廣泛應用于水文、土地、森林、礦產(chǎn)等多個領域。與傳統(tǒng)人工實地監(jiān)測方法相比，遙感監(jiān)測方法具有省時省力、節(jié)約成本的優(yōu)勢。目前，利用遙感監(jiān)測水華爆發(fā)情況的方法主要有各類植被指數(shù)，如歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、歸一化水體指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)、增強型植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)、藻類爆發(fā)指數(shù)(floating algae index，F(xiàn)AI)、最大葉綠素指數(shù)(maximum chlorophyll index，MCI)等[4]。本研究采用歸一化植被指數(shù)方法，利用1992—2011年的部分Landsat5遙感影像數(shù)據(jù)，分析滇池水華爆發(fā)的時空分布規(guī)律，為今后水華治理提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池，亦稱昆明湖，位于昆明壩子中央，東起呈貢區(qū)旁、西至西山之麓、北臨大觀公園、南入晉寧縣，在昆明市西南，有盤龍江等河流注入。湖面海拔1 886 m，面積330 km2，是云南省面積最大的淡水湖，系我國第六大淡水湖，曾是重要的飲用水源地。20世紀60年代，滇池無論草海還是外海，水質均為Ⅱ類，20世紀70年代為Ⅲ類，20世紀80年代草海和外海的水質分別為Ⅴ類和Ⅳ類，20世紀90年代水質進一步惡化，分別為劣Ⅴ類和Ⅴ類。30 a來，滇池水質下降3個等級。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

Landsat主題成像儀(TM)是Landsat4和Landsat5攜帶的傳感器，Landsat4和Landsat5每隔16 d掃描同一地區(qū)一次，即16 d覆蓋全球一次。Landsat TM影像包含7個波段，波段1～5和波段7的空間分辨率為30 m，波段6(熱紅外波段)的空間分辨率為120 m。南北掃描范圍約為170 km，東西掃描范圍約為183 km。本研究使用1992—2011年的部分Landsat5遙感影像數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

基于Landsat TM遙感影像第3波段(紅色波段)和第4波段(近紅外波段)計算歸一化植被指數(shù)。首先對影像數(shù)據(jù)進行輻射校正、幾何校正等預處理，然后使用ENVI軟件計算NDVI數(shù)據(jù)，接著使用ArcMap對影像進行裁剪，得到研究區(qū)范圍的數(shù)據(jù)并進行重分類，最后導出結果。

1.3 研究方法

NDVI是檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度、消除部分輻射誤差的重要參數(shù)，是區(qū)分植被與非植被最重要的指數(shù)之一[5]。遙感影像中，NDVI為近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差與兩者之和的比值。對于Landsat TM影像，NDVI可表達為(VBand4-VBand3)/(VBand4+VBand3)。NDVI的值在-1～1，負值表示地面覆蓋為云、水等，正值表示有植被覆蓋，且值越大表示植被覆蓋度越高。通過計算各個時期滇池的NDVI數(shù)據(jù)，可以反映不同時期滇池水華爆發(fā)程度及空間位置的變化。

2 結果與分析

2.1 季度變化

由于部分年份數(shù)據(jù)缺失，以及云層覆蓋，選用影像相對較全的2009年的Landsat5影像數(shù)據(jù)研究滇池水華的季度變化。圖1看出，1月滇池沒有明顯的水華爆發(fā)區(qū)域，只在沿岸區(qū)域有零星水華。3月份水華開始爆發(fā)，主要分布在草海南部、海埂等北部沿岸一帶。6月水華全面爆發(fā)，除中心區(qū)域外，幾乎遍布整個湖面。8月底受溫度影響，水華開始減少，只在海埂、西北部沿岸區(qū)域有大片分布，其他沿岸區(qū)域有零星分布。11月水華基本退去，只在沿岸以及海埂區(qū)域有零星分布。由此可見，滇池水華爆發(fā)受溫度影響較大。春季溫度上升，藻類開始生長，水華小面積爆發(fā)；夏季高溫多雨，藻類生長迅速，遍布整個湖面；秋季氣溫開始降低，藻類停止生長，只在沿岸地帶有少量水華；冬季藻類沉入湖底，水面基本無水華殘留。在空間位置方面，水華爆發(fā)以及退去基本循順時針方向發(fā)展。

圖1 不同月份滇池植被指數(shù)的變化

2.2 年度變化

滇池水華的規(guī)模大、持續(xù)時間長，每年的4—11月為水華發(fā)生期[6]。滇池形成水華的種類主要是藍藻門的微囊藻。研究表明，滇池微囊藻爆發(fā)期為6—9月[7]，7月份達到最高。據(jù)此，在研究水華爆發(fā)年度變化時選用7月的Landsat5遙感影像作為研究數(shù)據(jù)。

由圖2看出，1992年滇池水華全面爆發(fā)，遍布整個湖面，污染問題非常嚴重，這與資料記載相一致。20世紀90年代初，國家開展一系列滇池治理行動，投入數(shù)百億元用于治理滇池水體污染，取得了一定的成效，1994年僅滇池在西北部及南部沿岸一帶有大面積爆發(fā)，2004年僅在草海南部以及海埂一帶區(qū)域爆發(fā)。進入21世紀，隨著人口數(shù)量的增加以及城市化進程的加快，城市生活污水排放量增加，滇池水華爆發(fā)程度隨之有加重趨勢。2009年草海南部及西北部沿岸有大面積爆發(fā)，湖心與南部區(qū)域有輕度爆發(fā)。2011年水華爆發(fā)程度愈發(fā)嚴重，草海南部、海埂、北岸、西岸以及中部均有區(qū)域性爆發(fā)，南部沿岸一帶有輕度爆發(fā)。

圖2 滇池水華年度變化

從1992年第一次全面爆發(fā)至2011年，滇池水華由最開始的遍布整個湖面，到1994年主要分布在南部與西部，2004年主要分布在北部，總體上也呈順時針發(fā)展的趨勢。進入21世紀，滇池水華又有了全面爆發(fā)的趨勢，2009年與2011年除湖心區(qū)域外基本都有大面積水華爆發(fā)。

2.3 滇池流域人口及城鎮(zhèn)發(fā)展

2.3.1 人口數(shù)量變化

1980年滇池流域人口約157萬，1990年為186萬，2000年為218萬，至2010年達到367萬。滇池水質也從1980年的Ⅲ類變成了劣Ⅴ類。進入21世紀后，滇池流域人口增長速度加快，將給滇池污染治理帶來更大壓力。

2.3.2 城鎮(zhèn)發(fā)展

伴隨著人口的高速增長，以及近年來城鎮(zhèn)化進程的加快，滇池流域城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大。1988年滇池流域建設用地規(guī)模約261.5 km2，1990年達到了267.1 km2，2000年增長到380.4 km2，2010年為445.2 km2，城鎮(zhèn)化率增長迅速，滇池污染治理仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

3 小結與討論

在ENVI以及ArcGIS軟件支持下，對滇池流域Landsat5遙感影像進行分析，計算湖區(qū)NDVI數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，一年之中，滇池水華爆發(fā)受溫度影響較大：從春季開始有區(qū)域性小范圍爆發(fā)，到夏季全面爆發(fā)，基本遍布整個湖面，秋季隨著溫度降低，水華逐漸消退，冬季藻類停止生長并沉入湖底，湖面無水華爆發(fā)。從1992年滇池水華首次全面爆發(fā)開始，經(jīng)全力整治，水華爆發(fā)區(qū)域在20世紀90年代縮小至集中在沿岸一帶。進入21世紀以來，伴隨著社會的高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進程的加快，滇池水華爆發(fā)又有加重趨勢，開始由沿岸向湖心發(fā)展，到2011年，除少數(shù)區(qū)域外，水華基本遍布全湖。滇池水華爆發(fā)基本循順時針方向發(fā)展，最開始在草海南部、海埂一帶爆發(fā)，然后向東南沿岸一帶蔓延，接著向西北沿岸發(fā)展，最終遍布全湖。消退時也基本遵循順時針規(guī)律，最先是東部及南部區(qū)域消退，然后順時針向西北沿岸消退，最后集中在草海南部、海埂一帶，直至全部消退。雖然滇池水華治理一直以來都備受國家關注，投入了大量的資金，但與之相伴的還有昆明經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口數(shù)量的持續(xù)增長、城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴大。如何協(xié)調好滇池治理與社會快速發(fā)展之間的關系亟待探索解決。

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[3] 張珂, 趙耀龍, 付迎春,等. 滇池流域1974年至2008年土地利用的分形動態(tài)[J]. 資源科學, 2013, 35(1):232-239.

[4] 李瑤, 張立福, 黃長平,等. 基于MODIS植被指數(shù)時間譜的太湖2001年—2013年藍藻爆發(fā)監(jiān)測[J]. 光譜學與光譜分析, 2016, 36(5):1406-1411.

[5] 陳文勇, 王穎, 張尹. 基于NDVI的長沙市雨花區(qū)景觀格局研究[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2016, 36(9):109-113.

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