多源卫星遥感数据和水色遥感技术在水库水葫芦覆盖监察中的应用

杨静学 陈亮雄 李伟添 高旖姗

摘要：近年来，鹤地水库周边人类生产生活日益丰富，点源和面源污染使得鹤地水库水质长期呈现富营养化状态。分析长时间序列的水库叶绿素a浓度和水浮莲区分布，可进一步了解和分析水库富营养化程度变化规律，判断库区水葫芦爆发周期和规律，辅助管理人员采取相关应对措施，科学高效管护水库。

关键词：水库;水色遥感;水葫芦;水环境保护

中图分类号：X52文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190215002

基金项目：国家自然科学基金“多云地区的干旱指数遥感模型研究”（项目编号：41401485）;广东省水利科技创新项目（项目编号：2017-15）1概述

由于经济建设的快速发展，人民生产生活日益丰富，鹤地水库管理区范围已无天然林，全部为人工经济林、农田、养殖用地、居住用地等。这些土地类型有个共同的特点就是会为库区带来富营养化的隐患：经济林和农田会施肥，下雨时形成面源污染;而养殖用地和居住用地会有点源排放的特点。

根据湛江市海洋与渔业环境监测站2016年7月22日和2016年7月29日的鹤地水库水质与藻类情势监测周报来看，鹤地水库的6个站位，即渠首站、兰山站、石角站、文官站、放生园站、大垌排站，其COD水質属于III类～劣IV类水质，总氮属于II类～劣V类水质，总磷属于I类～劣V类水质。藻类监测方面，库区调查站位藻类以蓝藻种类为主;库区外调查站位浮游植物以裸藻和绿藻为主。从以上监测数据来看，库区存在较严重富营养的现象。

随着现代遥感技术的发展，各种对地观测卫星源源不断地提供不同的空间分辨率、时间分辨率和波谱分辨率的遥感图像，这就是多源遥感数据。与单源遥感影像数据相比，多源遥感影像数据所提供的信息具有冗余性、互补性和合作性。

水色遥感技术是利用传感器接受到水面发射的辐射光谱，并且进行相关的数据处理，从而获得水体的一些基本信息的技术[1-2]。通过水色遥感技术，可以获得水体中影响光学性质的组分的浓度，探测水体表层的物质组成[3-5]。本文中主要关注富营养化水色要素浓度。

叶绿素a是水生藻类的重要成分，是一个重要的水质评价指标，也是二类水体水色遥感分析计算研究中主要的参演参数之一。叶绿素a浓度能够表征光能自养生物量，因此，经常被应用于估算浮游植物的初级生产力和生物量，应用与水体营养化程度的评估研究中。水体叶绿素a浓度的存在范围决定叶绿素a浓度遥感分析计算最佳波段的选择，叶绿素a上升会导致近红和红波段的反射率上升，蓝波段的反射率下降，地域差异也会影响叶绿素a分析计算的波段选取。

水葫芦，学名凤眼莲，是多年生漂浮性草本植物，有极强的氮、磷吸收能力及重金属富集能力从而被广泛用于水环境污染的治理。但水葫芦的生长特性确定了其可以通过无性繁殖方式迅速地繁殖而侵占大量水面，造成水体缺氧、河道堵塞，严重影响了当地生态系统的生物多样性。当水葫芦形成优势群众覆盖了大面积水面后，不仅会影响大气与水中气体交换，降低光线对水体穿透能力，影响库区鱼类、水禽生物生活;还会使水中pH值和溶解氧浓度降低，CO2浓度增加，破坏水下生物的食物链，影响水产品的产量和质量;增加水的蒸发量，并为蚊虫提供适宜的滋生场所;水葫芦富集重金属后，污染物经过食物链各级生物的放大作用不断累积，其结果不仅危害鱼类、水禽和牲畜，而且最终还会危及于人;水葫芦死亡腐烂后，其内富集的重金属会再次释放到水体对环境造成“二次污染”，污染的水质严重威胁了下游的居民饮用水和灌溉用水安全。

本文将用NDVI指数来评估和分析库区不同时段的叶绿素a浓度分布情况，并结合无人机航测数据进行对比分析出水葫芦的分布，探索一种科学、高效、价廉的库区水葫芦监察方法。

2实验数据及研究方法

2.1实验数据

美国陆地卫星Landsat8、高分1号卫星GF-1、中巴地球资源卫星01星CBERS-04、资源一号02C卫星ZY-1、环境卫星HJ-1A的可见近红外多光谱波段，每一个波段都包含一定的水色信息，这些信息的存在重叠的部分。目前波段比值是常用的提高分析精度的方法，使得模型精度较可靠。

归一化植被指数（NDVI）被定义为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值：

NDVI=nir-rednir+red

其中，nir和red分别为近红外波段和红波段处的反射率值。

NDVI指数能使植被从水和土中分离出来，是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。本项目根据不同卫星光谱情况和库区水质情况，用NDVI指数来评估和分析库区不同时段的叶绿素a浓度分布情况。

2016年2月2017年12月共获取库区在无云气候下的影像共19景。项目将对以下卫星库区无云气候条件下成像数据进行分析计算，获得库区水质参数。

2.2研究方法

本文具体技术路线如图2所示，包括多源卫星遥感数据采集、遥感数据预处理、叶绿素a浓度分析、水葫芦覆盖分布与气温相关性分析，库区水葫芦德的时空变化分布。在获得库区不同时段的叶绿素a浓度分布情况后，根据不同卫星光谱情况对2016年至今各个时期的影像设定阈值，将阈值以上的区域认定为水葫芦分布区，计算出库区水葫芦分布情况如下图所示。

3结果与分析

本文受篇幅限制仅列出一期计算成果数据如图3所示，2017年10月23日影像由于卫星光谱参数出现部分区域异常情况，库区中央的叶绿素a浓度无法计算，因此将此区域结果剔除。其余2016年和2017年的库区叶绿素浓度定性分析计算结果图如下图所示。

根据分析结果，鹤地水库库区水面叶绿素a浓度分布有如下特点：综合整个库区水面来看，叶绿素a浓度集中分布于3个区域：大沙湾附近围塘、塘拱河流入库区区域和红湖桥上游化州市境内水域。这3处区域由于库湾狭长、水深较浅、生活污水排放量大、水体流动性较差导致水质富营养化严重，藻类、水葫芦大量繁殖;库区西南部鹤地水库景区外，其他库湾和库区围塘的叶绿素a浓度都普遍增大;河唇镇鹤地水库景区附近区域由于库区岸线较平直，水体流动较快，旅游区生态环境维护好，叶绿素a浓度为整个库区近岸水域的较小值。鹤地水库中央水域因水深较深、水体流动快，亦为叶绿素a浓度的最小值区域;冬春季相对于夏秋季的叶绿素a浓度高值区分布较少。只有少部分近岸水域、围塘和塘拱河流入库区区域的叶绿素a浓度偏大;库区中央的叶绿素浓度处于极小值。

鹤地水库库区水葫芦分布范围较广，但区域分布不均衡，库湾、岸边水葫芦发生频率显著高于库区中心区域。

总的来说鹤地水库的水葫芦的时空分布有如下特点：19景影像的平均水葫芦面积为5.4km2，参与计算的库区水域面积为87.6km2，水葫芦在库区的平均覆盖度为6.2%。2017年10景影像数据显示库区水葫芦平均面积4.9km2，较2016年9景影像水葫芦平均面积6.2km2有所下降;水葫芦最适宜生长温度为25～30℃，最低13℃，气温不低于5℃就可以安全越冬，因此水葫芦可在鹤地水库全年生长。由计算后的水葫芦面积和收集的当地日均气温显示，两者存在线性相关关系，气温越高，库区水葫芦面积越大。计算结果显示，气温每上升1℃，水葫芦面积增大约0.12km2;水葫芦主要分布在水库库湾狭长、水深较浅、水质富营养化、水体流动性较差的区域。博白县境内库湾、兰山河流入库区区域、塘拱河流入库区区域、红湖桥上游化州境内水域、大沙湾附近围塘和石角镇近岸、水葫芦集中在石角镇石角西桥处水域都较容易出现水葫芦聚集现象;反观鹤地水库西南侧由于库区岸线较平直，水体流动较快，旅游区生态环境维护好，因此水葫芦分布少。鹤地水库库区中心区域亦鲜有水葫芦踪迹，因为库区中央水深较深，水体流动快，水葫芦作为漂浮植物不容易聚集;根据统计，微风和1～2级风情况下，水葫芦分布面积平均值为5.3km2，3～4级东北风和东风情况下，水葫芦分布面积平均值为6.4km2。

需要说明的是，由于鹤地水库库区覆盖水葫芦的面积广、时间长，水葫芦大量繁殖的区域若不及时治理或打捞，冬季遭寒流袭击而枯死腐烂下沉，其残体的腐败和分解，会增加水体的物质需氧量和营养负荷，最终加速水体向营养化方向发展。同时，2017年2月17日影像由于分辨率較低，存在过多混合像元，导致计算的水葫芦比实际面积大。对此需要对混合像元进行分解，用概率密度函数来计算水葫芦的实际面积，概率值取50%。

4结论

多源卫星遥感数据与单源遥感影像数据相比，具有更高的时空分辨率，可以更好地实现对目标区域的监察。2016年2月2017年12月时间范围内，共获取了19景目标水库的遥感卫星数据，良好地满足了库区水葫芦覆盖情况的时空动态变化监察的要求。

同时，水色遥感技术分析可以得到的水体表层的叶绿素沙浓度分布。结合无人机航测数据，发现叶绿素a浓度的高值区即是水葫芦覆盖区域。利用这个规律，可对鹤地水库的水葫芦的时空分布进行分析，判断库区富营养化的发展趋势，制定相关应对措施，使得水库管理更加科学和高效。参考文献

[1] 陈蕾，邓孺孺，柯锐鹏，等.基于地面耦合模型的TM影像的大气校正[J].地理与地理信息科学，2004（2）：34-37.

[2] 邓孺孺，何执兼，陈晓翔，等.珠江口水域水污染遥感定量分析[J]. 中山大学学报（ 自然科学版）， 2002（3）：99-103.

[3] 邓孺孺，何执兼，陈晓翔，等.基于二次散射的水污染遥感模型及其在珠江口水域的应用[J].海洋学报，2003（11）：69-78.