宋 挺 劉軍志 顧征帆 徐 超 江 嵐

(1.無錫市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 無錫 214121；2.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023；3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023)

水生植物通常被稱為水草，根據(jù)其在水中的生長狀態(tài)可以分為挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物[1]。水生植物常被視為湖泊環(huán)境變化的指示物，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是保持水生生態(tài)系統(tǒng)良性運(yùn)行的關(guān)鍵種群[2-3]。水生植物具有顯著的初級(jí)生產(chǎn)功能和保護(hù)生物多樣性的生態(tài)功能[4-7]，其對(duì)內(nèi)陸水體的物理和化學(xué)環(huán)境有明顯的改善作用[8-9]，水生植物生長密集的地方水質(zhì)狀況一般較好。在太湖北部水域，隨著近年來水質(zhì)逐年轉(zhuǎn)好，水生植物密度明顯增高，有從藻型湖泊向草型湖泊轉(zhuǎn)化的趨勢。但是這也引發(fā)了一個(gè)新的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，即在春夏季藍(lán)藻開始繁殖之際，水華高發(fā)地帶水生植物的密集生長對(duì)藍(lán)藻的遷移造成阻隔[10]，使大量藍(lán)藻堆積在局部范圍內(nèi)。在藻類與水生植物死亡后，很容易造成局部區(qū)域水質(zhì)迅速惡化，水體發(fā)黑發(fā)臭形成湖泛[11]。

1 研究背景

太湖為我國第三大淡水湖，湖泊面積2 338.1 km2，平均水深1.9 m，最大水深2.6 m。太湖是存在嚴(yán)重藍(lán)藻水華的典型內(nèi)陸淺水湖泊，列為國務(wù)院重點(diǎn)治理的富營養(yǎng)化水域之一。

注：圓圈內(nèi)為藻類聚集區(qū)域，圖2、圖3、圖5同。圖1 太湖2015年4月23日至28日MODIS影像Fig.1 The MODIS images of Tai Lake from April 23 to 28,2015

在利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(空間分辨率250 m，每天過境4次)進(jìn)行太湖藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測工作中，發(fā)現(xiàn)2015年4月23日至4月28日宜興西部沿岸與竺山湖交界處有2 km2左右的藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象(見圖1)，通過衛(wèi)星圖片觀察，藍(lán)藻聚集區(qū)域固定且聚集面積穩(wěn)定，正常情況下，在風(fēng)力、光照等影響下，藻類聚集區(qū)域一般具有動(dòng)態(tài)變化，長時(shí)間在相同區(qū)域的小規(guī)模藻類聚集現(xiàn)象較為少見，因此有必要對(duì)這一現(xiàn)象展開進(jìn)一步的觀測與研究。

2 藍(lán)藻聚集的遙感解析與實(shí)地驗(yàn)證

針對(duì)MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在宜興西部沿岸與竺山湖交界處觀測到的藍(lán)藻聚集現(xiàn)象，使用空間分辨率較高的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星電荷耦合元件傳感器(CCD)數(shù)據(jù)(空間分辨率30 m，每3天過境2次)對(duì)此現(xiàn)象做進(jìn)一步分析。從2015年4月25日至4月28日的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星偽彩色(近紅外、紅、綠通道，下同)影像上(見圖2)可以看到，該水域連續(xù)多日水色較周邊其他水域深，且摻雜有藍(lán)藻水華特征的紅色，推測該水域有較高密度的沉水植物，并有藻類富集其中。從MODIS影像上觀察到的藍(lán)藻聚集現(xiàn)象可能與沉水植物密集生長阻礙藻類遷移有關(guān)。

為驗(yàn)證遙感影像對(duì)該水域情況的判斷，研究人員于2015年4月28日赴該水域進(jìn)行現(xiàn)場觀測，現(xiàn)場觀測情況如圖3所示。由圖3可見，水域現(xiàn)場情況與之前判斷基本一致，即該水域有較高密度的沉水植物，并對(duì)藍(lán)藻起到了一定的阻隔與富集作用，經(jīng)鑒定，沉水植物為眼子菜屬Potamogeton，群落類型為單優(yōu)群落，群叢優(yōu)勢種為菹草Potamogetoncrispus。

圖2 2015年4月25日至28日環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星偽彩色影像Fig.2 The pseudocolor images of HJ-1 satellite from April 25 to 28,2015

圖3 水域現(xiàn)場巡視照片F(xiàn)ig.3 Photos of the field observation

使用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)對(duì)該水域的情況進(jìn)行追溯，從4月22日的偽彩色影像(見圖4)來看，該水域呈現(xiàn)出紅色絮狀分布情況，可以推斷該水域發(fā)生過一次藍(lán)藻聚集，之后連續(xù)多日出現(xiàn)的小規(guī)模藍(lán)藻聚集，可能與此次水華的藍(lán)藻被菹草阻隔有關(guān)。從圖5可以看到，4月10日該水域水色相對(duì)正常，與周邊水域沒有很明顯的顏色差別，而到4月17日，該水域的水色較周邊明顯加深。依此推斷，該水域的菹草在4月10日至4月17日間開始長出水面。

圖4 2015年4月22日環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的偽彩色影像Fig.4 The pseudocolor image of HJ-1 satellite on April 22,2015

圖5 2015年4月10日與4月17日環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的偽彩色影像Fig.5 The pseudocolor images of HJ-1 satellite on April 10 and 17,2015

3 沉水植物生長區(qū)域的光譜分析與范圍提取

3.1 典型樣本區(qū)域的遙感光譜特征分析

使用2015年4月26日的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)對(duì)沉水植物區(qū)域進(jìn)行光譜特征分析。首先，對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正等預(yù)處理，然后根據(jù)實(shí)地觀測結(jié)合環(huán)境衛(wèi)星影像，分別選取沉水植物區(qū)、藻草混合區(qū)、湖體周邊陸地植被區(qū)和水體對(duì)照區(qū)等4類樣本區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各類樣本區(qū)域在4個(gè)通道中心波長(475、560、660、830 nm)處的平均反射率光譜如圖6所示。

圖6 2015年4月26日不同類型地物的反射率光譜Fig.6 The reflectance spectra of different land features on April 26,2015

從圖6可以看出，相對(duì)于陸地植被區(qū)，沉水植物區(qū)與藻草混合區(qū)在紅光660 nm處的吸收谷不明顯，說明兩者在可見光下的植被特征不明顯，整體上與水體對(duì)照區(qū)類似，但沉水植物區(qū)與藻草混合區(qū)在反射率上均低于水體對(duì)照區(qū)。沉水植物區(qū)的反射率在水體對(duì)照區(qū)、沉水植物區(qū)、藻草混合區(qū)中最低，因此在實(shí)際影像上表現(xiàn)出水色較其他水體更深；在近紅外波段(830 nm)處，水體對(duì)照區(qū)反射率小幅下降，而沉水植物區(qū)和藻草混合區(qū)的反射率均出現(xiàn)抬升，但均遠(yuǎn)低于陸地植被區(qū)的抬升幅度，其中沉水植物區(qū)的抬升幅度在沉水植物區(qū)、藻草混合區(qū)、陸地植被區(qū)中最小，在偽彩色影像上沉水植物區(qū)主要表現(xiàn)為黑色但有略微的發(fā)紅。

3.2 現(xiàn)場實(shí)測光譜反射率特征分析

實(shí)測光譜數(shù)據(jù)是水生植物和水華遙感識(shí)別方法建立和驗(yàn)證的基礎(chǔ)[12]，對(duì)于發(fā)展遙感信息處理的新方法、提高遙感分類水平起著十分重要的作用[13]。本研究使用美國ASD公司生產(chǎn)的便攜式ASD地物光譜儀，現(xiàn)場實(shí)測了不同類型地物的光譜反射率，測試波段為350～1 050 nm，光譜分辨率為2 nm。儀器觀測平面與太陽入射平面的夾角為135°左右(背向太陽方向)，儀器與水面法線的夾角在40°左右，以盡量避免絕大部分的太陽直射反射，同時(shí)減少船舶陰影的影響。分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)灰板、水面和天空測量輻亮度，每次測量采集10條光譜，進(jìn)行遙感反射率計(jì)算前，先對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，再對(duì)剩余的光譜曲線進(jìn)行平均，然后使用平均處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算遙感反射率(見式(1))。

(1)

式中：Rrs為遙感反射率；Lw為離水輻亮度，W/(cm2·nm)；Ed(0+)為水面總?cè)肷漭椪斩龋琖/(cm2·nm)。Lw和Ed(0+)可以通過以下公式計(jì)算得到：

Lw=Lsw-r×Lsky

(2)

(3)

式中：Lsw為總輻亮度，W/(cm2·nm)；r為氣-水界面對(duì)天空光的反射率，根據(jù)唐軍武等[14]的經(jīng)驗(yàn)，平靜水面r可取0.022，在5 m/s左右風(fēng)速下r可取0.025，10 m/s左右風(fēng)速下r可取0.026～0.028，本研究依據(jù)當(dāng)日風(fēng)速情況，r取值為0.025；Lsky為天空漫反射光輻亮度，W/(cm2·nm)；Lp為標(biāo)準(zhǔn)灰板的輻亮度，W/(cm2·nm)；ρp為標(biāo)準(zhǔn)灰板的反射率。其中，Lsw、Lsky、Lp均通過ASD地物光譜儀實(shí)測獲得。

使用ASD地物光譜儀分別測量了沉水植物和周邊對(duì)照水體共3條光譜，其中沉水植物測量1個(gè)點(diǎn)，對(duì)照水體測量2個(gè)點(diǎn)，兩處對(duì)照水體測點(diǎn)的濁度經(jīng)現(xiàn)場測量為11、87 NTU，分別計(jì)為水體1和水體2。數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)處理后，得到的反射率光譜如圖7所示(為減少噪聲的影響，僅使用350～850 nm的反射率數(shù)據(jù))。

從圖7可以看出，水體2的光譜反射率較另兩條光譜要高，這可能與水體2的懸浮物含量較多有關(guān)。藍(lán)藻中含有藻藍(lán)蛋白，藻藍(lán)蛋白在625 nm附近有一個(gè)吸收峰[15]，在反射率光譜上表現(xiàn)為谷值，3條反射率光譜在625 nm處均有不明顯的反射谷，說明在3個(gè)測量區(qū)內(nèi)的水體中均含有藍(lán)藻，但密度相對(duì)不高。3條反射率光譜在675 nm處均出現(xiàn)反射谷，在700 nm處也都出現(xiàn)反射峰(熒光峰)，其中沉水植物表現(xiàn)最明顯，是較典型的葉綠素特征，說明沉水植物的葉綠素信息較對(duì)照水體表現(xiàn)的更為強(qiáng)烈。在700 nm后的近紅外波段區(qū)域，由于水體對(duì)近紅外光的強(qiáng)吸收，兩組對(duì)照水體的光譜反射率均呈明顯的下降趨勢；對(duì)于沉水植物而言，由于葉綠素細(xì)胞在近紅外的強(qiáng)烈反射導(dǎo)致反射率在700 nm后下降緩慢。

圖7 2015年4月28日現(xiàn)場采集反射率光譜Fig.7 Field reflectance spectra of different land features on April 28,2015

圖8 2015年4月17日至28日沉水植物生長區(qū)域提取結(jié)果Fig.8 Extraction results of submerged vegetation regions from April 17 to 28,2015

3.3 沉水植物生長區(qū)域的提取

本研究采用監(jiān)督分類的方法實(shí)現(xiàn)了沉水植物生長區(qū)域的提取和分析。首先，通過目視判讀和現(xiàn)場調(diào)查，選取了沉水植物生長區(qū)域、藻草混合區(qū)域和水體等訓(xùn)練樣本，然后利用ENVI軟件對(duì)2015年4月17日、4月26日、4月27日、4月28日的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星偽彩色影像進(jìn)行監(jiān)督分類，提取出該水域的沉水植物生長區(qū)域與藻草混合區(qū)域。沉水植物生長區(qū)域隨時(shí)間的變化情況如圖8所示，其面積變化見圖9。經(jīng)核算，2015年4月17日、4月26日、4月27日、4月28日沉水植物生長區(qū)域的面積分別為1.85、3.67、3.72、3.94 km2，呈緩慢增加的趨勢。

圖9 2015年4月17日至28日沉水植物生長區(qū)域的提取面積Fig.9 The area of submerged vegetation regions from April 17 to 28,2015

4 結(jié)論與建議

(1) 傳統(tǒng)地面手段對(duì)沉水植物生長趨勢和區(qū)域的監(jiān)測費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本研究綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次大型湖泊的沉水植物預(yù)警和分析。首先利用時(shí)間分辨率高的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)太湖宜興西部沿岸與竺山湖水域交界處有連續(xù)多日相似面積的藍(lán)藻聚集現(xiàn)象，然后利用較高空間分辨率的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)地觀測進(jìn)行藍(lán)藻聚集原因分析，并對(duì)沉水植物生長區(qū)域進(jìn)行了提取與面積統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證了利用多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行沉水植物與水華預(yù)警的可行性和便捷性，所采用的技術(shù)方法可為相關(guān)部門提供借鑒。

(2) 沉水植物快速生長所引起的藻類富集對(duì)湖泊水質(zhì)有很大的潛在威脅，對(duì)于藍(lán)藻水華高發(fā)區(qū)尤其如此。建議相關(guān)部門利用多源遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)關(guān)注水草蔓延水域，并及時(shí)采取清理打撈等措施，以避免沉水植物及藻類死亡腐爛所引起的水質(zhì)惡化，切實(shí)改善水生態(tài)環(huán)境。

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