莊 嚴(yán)，黃 君，宋 挺，張虎軍，沈建榮

無(wú)錫市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇無(wú)錫214121

3S技術(shù)是遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的統(tǒng)稱(chēng)，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合，多學(xué)科高度集成的對(duì)空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)［1-2］?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通建設(shè)［3］、資源勘探［4］、地質(zhì)調(diào)查［5-6］、災(zāi)害預(yù)警［7］、評(píng)估建模［8-9］等領(lǐng)域。在環(huán)境方面的應(yīng)用(如對(duì)湖泊水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、藻類(lèi)等［10-15］)亦趨于多樣與成熟。

太湖為中國(guó)典型的富營(yíng)養(yǎng)型湖泊，自20世紀(jì)80年代隨著周邊城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，太湖水環(huán)境急劇惡化，藻類(lèi)水華頻發(fā)［16］。太湖水環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)警、治理過(guò)程中，3S技術(shù)的應(yīng)用正逐步開(kāi)展，并越來(lái)越受到關(guān)注。以太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)為例，在整合3S技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出“MMA”技術(shù)路線，劃分為監(jiān)測(cè)、測(cè)繪、分析等關(guān)鍵步驟對(duì)太湖水華情況進(jìn)行研究。在水華監(jiān)測(cè)中將GPS、GIS和RS技術(shù)相互穿插、綜合應(yīng)用，發(fā)揮各項(xiàng)技術(shù)特長(zhǎng)，彌補(bǔ)以往單項(xiàng)技術(shù)研究的局限性，從多方面比對(duì)分析太湖藍(lán)藻水華情況，為湖泊水華監(jiān)測(cè)乃至其他環(huán)境因素監(jiān)測(cè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 地面監(jiān)測(cè)

在太湖布設(shè)20個(gè)點(diǎn)位(圖1)，于2011—2012年每月水路監(jiān)測(cè)葉綠素 a(Chl-a)、藍(lán)藻密度(CBD)等項(xiàng)目。Chl-a監(jiān)測(cè)方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)中的測(cè)定方法［17］，CBD采用6600型多參數(shù)測(cè)定儀(美國(guó))測(cè)定。

圖1 太湖采樣點(diǎn)位示意圖

6600型多參數(shù)測(cè)定儀適用于淡水、海水或被污染水等工作環(huán)境，其主要參數(shù):工作溫度－5～45℃，監(jiān)測(cè)深度為 0～200 m，主機(jī)重量為3.18 kg，電腦接口 RS232C、SDI-12，存儲(chǔ)量為384字節(jié)(150 000個(gè)單參數(shù)讀數(shù))。測(cè)定儀安裝有WT、pH、DO、深度、藻藍(lán)蛋白等傳感器，其中，測(cè)定藍(lán)綠藻密度的為6131型藻藍(lán)蛋白傳感器，其工作原理為通過(guò)對(duì)藍(lán)藻體內(nèi)特有的藻藍(lán)蛋白發(fā)出的熒光定量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)藻的定量。該項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)為目前太湖藍(lán)藻密度自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的重要方法［18］，對(duì)今后藍(lán)藻在線監(jiān)測(cè)研究與推廣具有指導(dǎo)性意義。

1.2 遙感與分析

太湖遙感監(jiān)測(cè)通過(guò)多種渠道獲取太湖流域衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)來(lái)源為T(mén)erra和Aqua衛(wèi)星，其搭載了MODIS中分辨率傳感器，分辨率為250 m，波譜范圍為 0.4～14.4 μm，有 36 個(gè)離散光譜波段，成像帶寬為2 330 km。

對(duì)所收集的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯。在異常天氣條件下(如陰雨多云天氣)，遙感影像圖層中有較厚云層覆蓋時(shí)，此遙感影像圖層無(wú)法用于遙感解譯;當(dāng)發(fā)現(xiàn)遙感影像圖層中有較薄或局部云層覆蓋時(shí)，通過(guò)大氣輻射校正后，此遙感影像圖層仍可用于遙感解譯。遙感解譯方法為目視解譯法與非監(jiān)督性監(jiān)測(cè)相結(jié)合，并經(jīng)過(guò)環(huán)保、氣象等部門(mén)會(huì)商、核對(duì)，確保遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)一性。

對(duì)地面監(jiān)測(cè)及遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。所用分析軟件為ArcGIS軟件，在分析、繪圖中的常用功能包括了 ArcView、ArcMap、ArcEditor、ArcToolbox等，用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化、制圖、矢量處理、空間分析等方法步驟。

2 技術(shù)路線

2.1 “MMA”技術(shù)路線概念

在以往應(yīng)用3S技術(shù)研究太湖藍(lán)藻水華時(shí)，會(huì)出現(xiàn)分析結(jié)果差異的情況:①應(yīng)用GPS、GIS技術(shù)監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華CBD與Chl-a時(shí)，根據(jù)湖庫(kù)監(jiān)測(cè)垂線采樣點(diǎn)的設(shè)置規(guī)范［19］，儀器測(cè)定與水樣采集均為水面下0.5m處，故能監(jiān)測(cè)到混合于水體中的藍(lán)藻情況。②RS監(jiān)測(cè)的原理是基于被測(cè)水體的光譜特征，水體中藍(lán)藻有無(wú)及濃度差異，使水體顏色、密度、透明度等產(chǎn)生差異，從而使傳感器上接收到的反射光譜特征存在差異，在遙感圖像上反映為色調(diào)、灰階、形態(tài)、紋理等特征的差別，RS影像數(shù)據(jù)更能反映水面表層或淺水層藍(lán)藻水華情況。因此在藍(lán)藻總量一定的情況下，當(dāng)風(fēng)速較低、水面平靜時(shí)，藍(lán)藻易浮于水表，而使CBD與Chl-a濃度所測(cè)數(shù)據(jù)較低，此時(shí)RS圖能較好地反映水華空間分布情況;當(dāng)風(fēng)速較大、水體攪動(dòng)時(shí)，藍(lán)藻分散于水體中，而使RS影像難以監(jiān)測(cè)到水華，此時(shí)GIS圖能較好地反映水華空間分布情況。因此，在藍(lán)藻監(jiān)測(cè)中須綜合應(yīng)用3S技術(shù)，彌補(bǔ)各項(xiàng)技術(shù)存在的不足。

“MMA”技術(shù)路線是將3S技術(shù)綜合應(yīng)用于藍(lán)藻監(jiān)測(cè)工作的方法，包括了監(jiān)測(cè)、測(cè)繪、分析等關(guān)鍵研究步驟。總結(jié)以往單項(xiàng)技術(shù)研究中的特長(zhǎng)與不足，綜合應(yīng)用GPS、GIS、RS技術(shù)，減少或避免單項(xiàng)技術(shù)研究結(jié)果所造成的局限性、片面性，能更全面、真實(shí)地反映藍(lán)藻水華情況，為預(yù)警治理、決策施行提供全面綜合的技術(shù)支撐。該技術(shù)路線既適用于水華監(jiān)測(cè)，亦可推廣至其他環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，技術(shù)步驟詳見(jiàn)圖2。

圖2 “MMA”技術(shù)路線示意圖

2.2 “MMA”技術(shù)路線步驟

2.2.1 監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)包括人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)等途徑。GPS技術(shù)可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與采樣，包括測(cè)點(diǎn)定位、藍(lán)藻水華發(fā)生區(qū)的初步定位、水華邊界現(xiàn)場(chǎng)初步定位等。應(yīng)用GPS技術(shù)對(duì)太湖藍(lán)藻監(jiān)測(cè)，能較精確地定位經(jīng)緯度，從而保證采樣與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的延續(xù)性、可比性。需要指出的是，由于太湖面域廣闊、橫跨江浙，受自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)定方法、試劑更換、儀器穩(wěn)定性、安全維護(hù)等影響，難以全面布設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，故目前太湖監(jiān)測(cè)仍以人工監(jiān)測(cè)為主。自動(dòng)監(jiān)測(cè)是今后水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的重要研發(fā)方向，若技術(shù)成熟、成本降低時(shí)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)將發(fā)揮巨大作用，人工監(jiān)測(cè)頻次低、范圍小、受限多等短板將得以彌補(bǔ)。界時(shí)，藍(lán)藻水華綜合分析結(jié)果將更趨全面、真實(shí)。

2.2.2 測(cè)繪

測(cè)繪是應(yīng)用RS技術(shù)，從宏觀角度監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華空間分布情況，同時(shí)該技術(shù)可應(yīng)用于對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)解譯后，測(cè)繪出藍(lán)藻水華發(fā)生區(qū)域、計(jì)算水華面積，同時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，結(jié)合GIS技術(shù)，統(tǒng)計(jì)水華面積、頻次、多發(fā)區(qū)等信息。

主要有5個(gè)步驟:①通過(guò)多種渠道獲取太湖流域EOS、MODIS數(shù)據(jù)、環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù);②將下載的遙感影像圖進(jìn)行投影轉(zhuǎn)化和幾何糾正，剔除云層覆蓋的遙感圖;③人機(jī)交互解譯藍(lán)藻信息，利用NDVI指數(shù)表征湖面藍(lán)藻聚集情況，設(shè)定藍(lán)藻聚集的閾值，并結(jié)合人工目視解譯確定閾值，生成藍(lán)藻聚集的SHP文件，目前該步驟工作通過(guò)環(huán)保、氣象等部門(mén)會(huì)商，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)一性;④利用ArcGIS提取SHP文件面積屬性，匯總太湖各水域藍(lán)藻聚集情況;⑤數(shù)據(jù)收集入庫(kù)，編制報(bào)告。

2.2.3 分析

分析是“MMA”技術(shù)路線的關(guān)鍵步驟，是綜合應(yīng)用3S技術(shù)，總結(jié)藍(lán)藻水華研究成果的綜合性分析。應(yīng)用GIS技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析。在藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)中，一方面可將CBD、Chl-a等指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)插值法，繪制濃度分布圖，得到現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析結(jié)果;一方面可將遙感圖進(jìn)行處理，繪制藍(lán)藻水華頻率圖。

頻率圖制作主要有5個(gè)步驟:①對(duì)每次遙感解譯獲得的藍(lán)藻聚集SHP文件進(jìn)行“Conversion Tools→to shapefile”轉(zhuǎn)化;②轉(zhuǎn)化后的文件添加一個(gè)字段，字段名為L(zhǎng)+日期(1號(hào)為L(zhǎng)01)，賦值字段=1;③將所有SHP圖層進(jìn)行“Analysis Tools→Union”合并，對(duì)新生成的 SHP圖層增加字段Times(頻次)，賦值 Times=L01+L02+ …LN;④根據(jù)Times的值將圖層合并，賦予不同Times值以不同水華頻率的名稱(chēng)和顏色，其中，水華頻率計(jì)算公式為水華發(fā)生頻率=出現(xiàn)水華的天數(shù)/監(jiān)測(cè)總天數(shù)(如在4—10月的214 d監(jiān)測(cè)總天數(shù)中，出現(xiàn)10次水華，水華頻率即為4.7%)。賦值的顏色越深，代表水華發(fā)生頻率越高;⑤頻次圖修飾(如添加比例尺、經(jīng)緯度等)。

將以上各類(lèi)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行核驗(yàn)比對(duì)，形成水華分析報(bào)告，全面掌握藍(lán)藻水華情況。該方法可拓展至水質(zhì)指標(biāo)、富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)等分析，為下階段工作、決策提供更趨真實(shí)的結(jié)論參考。

3 應(yīng)用案例

3.1 太湖藍(lán)藻人工監(jiān)測(cè)

2011—2012年對(duì)太湖藍(lán)藻進(jìn)行逐月監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 2011—2012年太湖20個(gè)點(diǎn)位Chl-a濃度對(duì)比

圖4 2011—2012年太湖20個(gè)點(diǎn)位CBD對(duì)比

由圖3、圖4可見(jiàn)，2011—2012年太湖 Chl-a年均濃度值均為0.020 mg/L，20個(gè)點(diǎn)位的Chl-a年均值濃度范圍為0.009～0.055 mg/L，最小值出現(xiàn)在太湖東部的12#點(diǎn)位，最大值為湖心區(qū)的15#點(diǎn)位;CBD年均值分別為815、855萬(wàn)個(gè)/升，20個(gè)點(diǎn)位CBD范圍為313～1 690萬(wàn)個(gè)/升，最小值出現(xiàn)在太湖東北部的5#點(diǎn)位，最大值出現(xiàn)在湖心區(qū)的19#點(diǎn)位。可以看到，EXCEL軟件常規(guī)處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)分散，各點(diǎn)位間橫向比較時(shí)難以直觀反映太湖藍(lán)藻的空間分布情況，故需進(jìn)一步應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2 太湖藍(lán)藻遙感監(jiān)測(cè)

2011—2012年的4—10月，每日對(duì)太湖遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和解譯。根據(jù)“MMA”技術(shù)路線“測(cè)繪”中的主要步驟，得每日太湖藍(lán)藻水華面積。將解譯圖和數(shù)據(jù)匯總?cè)霂?kù)，得太湖月度和年度水華遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖5)。

圖5 2011—2012年太湖水華面積統(tǒng)計(jì)

從圖5可以看到，太湖藍(lán)藻水華于5月初前后發(fā)生，但頻次和面積較低，至6月底的平均水華面積僅為12 km2，7月中下旬隨著溫度升高，水華頻次和面積均急劇上升，2011—2012年水華最大面積分別為501、621 km2，水華集中暴發(fā)的8—10月(92 d)間的水華發(fā)生天數(shù)分別為52、43 d?？梢钥吹?，遙感測(cè)繪能追蹤水華發(fā)生情況，掌握水華面積的時(shí)間變化趨勢(shì)，但空間分布僅能反映當(dāng)日情況，需進(jìn)一步應(yīng)用GIS軟件對(duì)月度、年度情況進(jìn)行匯總分析。

3.3 太湖藍(lán)藻監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析

匯總處理前期數(shù)據(jù)，并參照“MMA”技術(shù)路線“分析”中的主要步驟，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理繪圖得2011—2012年太湖CBD、Chl-a濃度、水華頻率分布情況(圖6～圖11、表1)。

圖6 2011年太湖Chl-a分布圖

圖7 2012年太湖Chl-a分布圖

圖8 2011年太湖CBD分布圖

圖9 2012年太湖CBD分布圖

圖10 2011年太湖藍(lán)藻水華頻率分布圖

圖11 2012年太湖藍(lán)藻水華頻率分布圖

從圖6、圖7可見(jiàn)，太湖Chl-a濃度總體呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律，2012年最為明顯，峰值為靠近西部的15#點(diǎn)位，谷值為東部的12#點(diǎn)位。Chl-a濃度大于 0.02 mg/L 的點(diǎn)位有 1#、2#、3#、6#、7#、9#、10#、15#、19#，分布于梅梁湖至湖州的太湖西部沿岸和湖心區(qū)。

圖8、圖9顯示，CBD分布特點(diǎn)與Chl-a相似，但又有所區(qū)別。太湖CBD在西部、南部和湖心區(qū)較高，東部較低。南部 9#、10#、11#點(diǎn)位，湖心區(qū)17#、18#、19#、20#點(diǎn)位和西部 7#點(diǎn)位的 CBD 年均值大于1 000萬(wàn)個(gè)/升，峰值為湖心區(qū)的19#點(diǎn)位，谷值為東北部的5#點(diǎn)位。

圖10、圖11顯示，藍(lán)藻水華頻率亦呈“西高東低”的分布規(guī)律，沿岸帶水華頻率高于湖心區(qū)。

表1 2011—2012年太湖藍(lán)藻暴發(fā)頻率及面積統(tǒng)計(jì)

由表1可見(jiàn)，太湖出現(xiàn)藍(lán)藻水華區(qū)域的頻率多小于10%(即214個(gè)總監(jiān)測(cè)日中，水華頻次小于20 d)，水華頻率小于10%的面積為1 304.75、1 312.36 km2，分別占全太湖總面積(2 338 km2)的55.81%和56.13%;無(wú)水華的面積為1 033.30、1 025.56 km2，分別占全太湖總面積的44.19%和43.86%;水華頻率大于等于10%的面積僅為2012年的0.14 km2，占全太湖總面積的0.006%，該區(qū)域位于太湖西部沿岸。

綜上，總體規(guī)律一致，但又有所差異:①CBD、Chl-a及頻率分布圖結(jié)果均表明太湖藍(lán)藻水華呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律。夏季藍(lán)藻多浮于水面或積聚于淺水層，受東南季風(fēng)影響向西北部堆集，故西部發(fā)生水華的濃度和頻率較高。該規(guī)律說(shuō)明湖西區(qū)為太湖污染及藍(lán)藻水華較嚴(yán)重區(qū)域，是預(yù)警與整治工作重點(diǎn)對(duì)象，其水環(huán)境改善將對(duì)太湖總體改善起重要作用。②湖心區(qū)19#點(diǎn)位CBD值全湖最高，Chl-a濃度大于0.02 mg/L;而遙感監(jiān)測(cè)的頻率圖顯示該點(diǎn)位附近區(qū)域?yàn)闊o(wú)水華或頻率小于1%。湖心區(qū)藍(lán)藻水華CBD和Chl-a較高的現(xiàn)象亦須引起重視，此結(jié)果差異可能是由于監(jiān)測(cè)方法不同所造成。CBD與Chl-a均為監(jiān)測(cè)水下0.5 m，而遙感監(jiān)測(cè)是反映水面或淺表層的水華情況。故在應(yīng)用3S技術(shù)監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華時(shí)，應(yīng)參照“MMA”技術(shù)路線，綜合分析各項(xiàng)結(jié)果，彌補(bǔ)單項(xiàng)技術(shù)存在的不足，并進(jìn)行核驗(yàn)比對(duì)，使結(jié)論和建議更趨科學(xué)合理。

4 結(jié)論

“MMA”是應(yīng)用3S技術(shù)進(jìn)行藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)的一條有效技術(shù)路線，包括監(jiān)測(cè)、測(cè)繪、分析等關(guān)鍵步驟。該路線能減少或避免單項(xiàng)研究結(jié)果的局限性、片面性，充分發(fā)揮3S技術(shù)各自特長(zhǎng)，更全面、真實(shí)反映藍(lán)藻水華情況，為預(yù)警治理、決策施行提供全面綜合的技術(shù)支撐。該技術(shù)路線既適用于水華監(jiān)測(cè)，亦可推廣至其他環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

根據(jù)2011—2012年太湖藍(lán)藻水華的監(jiān)測(cè)結(jié)果，Chl-a年均值濃度為0.020 mg/L，CBD年均值為815～855萬(wàn)個(gè)/升。水華一般發(fā)生于5月初前后，7月中下旬隨著夏季溫度升高，水華頻次和面積均急劇上升，至10月中下旬逐漸減少。全太湖55.81%～56.13%的湖面為水華發(fā)生頻率小于10%，44.19% ～43.86%的湖面為無(wú)水華，水華頻率大于等于10%的面積僅為2012年的0.14 km2，占全太湖總面積的0.006%，該區(qū)域位于太湖西部沿岸。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，太湖水華總體規(guī)律一致，但又有所差異。一方面，CBD、Chl-a及水華頻率分布均呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律，湖西區(qū)為太湖污染及藍(lán)藻水華較嚴(yán)重區(qū)域，是預(yù)警與整治工作重點(diǎn)對(duì)象;另一方面，湖心區(qū)CBD和Chl-a濃度亦較高，而遙感監(jiān)測(cè)的頻率圖顯示為無(wú)水華或頻率小于1%，此結(jié)果差異可能是由于方法不同所造成，故“MMA”技術(shù)路線具有實(shí)際應(yīng)用意義。

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