基于遙感技術(shù)反演洞庭湖區(qū)水體富營養(yǎng)狀態(tài)

梁學(xué)玉 曹 進(jìn) 周 昕

（1.湖南省自然資源事務(wù)中心，湖南長沙 410000；2.湖南江匯建設(shè)工程有限公司，湖南長沙 410000）

作為我國第二大淡水湖泊，洞庭湖在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著重大作用，洞庭湖水質(zhì)狀態(tài)受到格外關(guān)注。洞庭湖受社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的影響，氮、磷污染突出，富營養(yǎng)化表現(xiàn)顯著。總磷、總氮不同程度影響水體中浮游藻類的生長繁殖，研究表明其與具有光學(xué)活性的葉綠素a濃度（Chla）有相關(guān)性。本文利用環(huán)境一號衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，對Chla進(jìn)行遙感反演，通過Chla值分布圖反映洞庭湖水質(zhì)富營養(yǎng)化。

1 信息采集

1.1 地面實測數(shù)據(jù)

選擇2017年10月30日，在洞庭湖水體范圍內(nèi)采集100個水樣帶回實驗室進(jìn)行Chla濃度檢測。將試驗得出的值隨機(jī)分為兩組，取70個點用于反演模型建立，取30個點用于驗證模型。

1.2 環(huán)境一號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

選用2017年10月30日星地同步試驗過程中獲取的一景環(huán)境一號衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，另取2016年12月6日與2017年3月8日、7月26日環(huán)境一號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)、幾何校正、工作區(qū)裁剪、大氣校正等。

2 模型建立與驗證

2.1 富營養(yǎng)化程度評價

國內(nèi)外眾多學(xué)者對湖泊富營養(yǎng)化程度的評價提出了多種形式，選用適合我國內(nèi)陸湖泊富營養(yǎng)化程度評價的綜合營養(yǎng)指數(shù)法，將Chla作為參數(shù)進(jìn)行富營養(yǎng)化程度評價。

式中：Chla——葉綠素a含量（mg/m3）；TLIChla——以Chla為參數(shù)的富營養(yǎng)化程度指數(shù)。

2.2 建立反演模型

對各采樣點與影像各波段對應(yīng)的實測光譜進(jìn)行單波段、多波段和波段比值等組合算法，對不同波段組合與Chla濃度的關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果表明，b4/b3與試驗點Chla濃度值相關(guān)性最高。

將波段組合作為自變量與水體Chla濃度值進(jìn)行回歸分析，建立反演水體Chla遙感信息模型：

運(yùn)用式（1）得到TLIChla，根據(jù)富營養(yǎng)化程度評價標(biāo)準(zhǔn)，分為5個等級：0～30為貧營養(yǎng)、30～50為中營養(yǎng)、50～60為輕度富營養(yǎng)、60～70為中度富營養(yǎng)，≥70為重度富營養(yǎng)。

擬合曲線如圖1所示。

圖1 Chla與x值擬合曲線

2.3 驗證模型

用驗證點對模型進(jìn)行驗證，將驗證點進(jìn)行反演后，將反演值與實測值進(jìn)行比較。通過計算，模型估測最大相對誤差為27.88%，最小相對誤差為0.71%，平均相對誤差為9.5%。說明該模型可以應(yīng)用于洞庭湖Chla濃度估算。

3 結(jié)果與分析

在ENVI5.3中分別繪制2016年12月6日和2017年3月8日、7月26日、10月30日的洞庭湖富營養(yǎng)化程度時空分異圖，如圖2所示。

圖2 洞庭湖富營養(yǎng)化程度時空分異圖

4 總結(jié)

由圖2可知，2017年洞庭湖富營養(yǎng)化程度以中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)為主，但隨著季節(jié)變化，富營養(yǎng)化程度也相應(yīng)發(fā)生變化。

富營養(yǎng)化程度從高到低依次為夏季（7月26日）、春季（3月8日）、冬季（12月6日）、秋季（10月30日）。小西湖、漉湖、東洞庭湖平均富營養(yǎng)化程度高于南洞庭湖、目平湖。

富營養(yǎng)化程度較高的地方主要位于流動性比較差的肥水區(qū)，包括漉湖、小西湖和東洞庭湖西部地區(qū)，可能是因為這些地區(qū)水循環(huán)周期長，TP、TN等營養(yǎng)物質(zhì)滯留系數(shù)大導(dǎo)致營養(yǎng)程度高；水流交換較快的地方，包括東洞庭湖除西部地區(qū)、南洞庭湖、目平湖等，外湖屬于過水性湖泊，水循環(huán)周期短，TP、TN等營養(yǎng)物質(zhì)滯留系數(shù)小，營養(yǎng)物質(zhì)來不及被藻類充分利用即被水流帶走。年徑流量大、湖水泥沙含量高、湖水透明度低、高含量的泥沙等，阻礙水體藻類的光合作用，抑制了富營養(yǎng)的發(fā)生、發(fā)展。

具體富營養(yǎng)化分布面積如表1所示。

表1 洞庭湖富營養(yǎng)化程度分布面積

由表1可知，2016年12月洞庭湖以中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)為主，占總面積69.22%、29.41%；2017年3月以中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)為主，占總面積52.29%、45.02%，中度富營養(yǎng)增加，輕度富營養(yǎng)減少；2017年7月以中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)為主，占總面積48.37%、50.19%，中度富營養(yǎng)繼續(xù)增加，輕度富營養(yǎng)繼續(xù)減少；2017年10月以中營養(yǎng)為主，占總面積的87.85%，中營養(yǎng)大幅增加，輕度富營養(yǎng)大幅減少。

說明從2016年12月～2017年7月，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化逐漸加劇的趨勢；2017年7～10月，水體富營養(yǎng)化程度呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)的趨勢。

可能是因為2016年12月～2017年7月隨著溫度的升高，藻類等浮游植物逐漸生長，葉綠素a含量逐漸增加，水體富營養(yǎng)化程度逐漸增高；7～9月是主汛期，且洞庭湖屬于過水性湖泊，汛期湖水流動性較強(qiáng)，水流帶走了水體中的部分藻類及營養(yǎng)物質(zhì)，使得富營養(yǎng)化程度明顯下降。

湖南省生態(tài)環(huán)境廳公布的2016年12月～2017年9月每個月洞庭湖水體營養(yǎng)狀態(tài)如表2所示。

表2 2016年12月～2017年9月洞庭湖水體營養(yǎng)狀態(tài)

將遙感反演得到結(jié)果與官方數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。對比后可得出，2016年12月～2017年11月，洞庭湖總體營養(yǎng)狀態(tài)呈中營養(yǎng)-輕度富營養(yǎng)是一致的，南洞庭湖總體呈中營養(yǎng)也一致；2017年3月，總體呈中營養(yǎng)一致。

2016年12月6日遙感反演結(jié)果顯示中營養(yǎng)，生態(tài)環(huán)境廳公布信息顯示為輕度富營養(yǎng)，結(jié)果不一致，遙感反演主要因子是Chla濃度，地面監(jiān)測主要污染指標(biāo)為氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、五日生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，說明12月水體中TP、TN等營養(yǎng)鹽濃度較高，但是Chla濃度較低，可能是因為Chla濃度受季節(jié)影響，冬季溫度較低，光照較弱，藻類等浮游植物生長受到限制造成的。

2017年7月26日遙感反演數(shù)據(jù)顯示輕度富營養(yǎng)與生態(tài)環(huán)境廳公布的中營養(yǎng)不一致，可能是因為夏季是藻類生長繁殖旺盛的季節(jié)，水體穩(wěn)定的情況下藻類大量繁殖，Chla濃度升高，氮、磷等營養(yǎng)鹽含量相應(yīng)也增加。但洞庭湖為過水性洪道型湖泊，暴雨天氣水流交換加快，帶走了大量藻類和營養(yǎng)物質(zhì)，氮磷等營養(yǎng)鹽含量相應(yīng)降低。所以主汛期（7～9月）洞庭湖容易出現(xiàn)富營養(yǎng)化程度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，可能暴雨天氣或連續(xù)幾天降雨后，水面上藻類物質(zhì)與大量營養(yǎng)鹽被水流帶走，呈現(xiàn)中營養(yǎng)；水體穩(wěn)定時，浮游植物大量生長繁殖，形成輕度富營養(yǎng)。