宋挺，黃君，嚴(yán)飛，吳蔚

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

水生高等植物通常稱之為水草，根據(jù)它在水中的生長(zhǎng)狀態(tài)分為：挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物[1]。水草對(duì)內(nèi)陸水體的物理和化學(xué)環(huán)境有明顯的改善作用[2-4]，水草密集的地方水質(zhì)狀況一般會(huì)比較好。但在春夏季藍(lán)藻開(kāi)始大量繁殖之際，水草密集生長(zhǎng)水域?qū)τ谠孱惖倪w移起到了阻隔的作用，造成大量藻類富集在一定的區(qū)域范圍內(nèi)。在藻類與水草死亡后，非常容易造成區(qū)域范圍內(nèi)水質(zhì)的迅速惡化，發(fā)黑發(fā)臭從而形成湖泛。

無(wú)錫市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站每年的4—10月對(duì)太湖梅梁湖水域進(jìn)行巡視預(yù)警工作，在2014年4月1日開(kāi)始的巡視預(yù)警工作中，在三山附近水域，發(fā)現(xiàn)有較多的高等水生植物，經(jīng)分析鑒定為眼子菜屬(Potamogeton)，生態(tài)型為沉水植物，群落類型為單優(yōu)群落，群叢優(yōu)勢(shì)種為菹草(Potamogetoncrispus)(圖1)。到了5月中旬，在現(xiàn)場(chǎng)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)，菹草密集生長(zhǎng)水域出現(xiàn)了大量藍(lán)藻富集現(xiàn)象(圖2)，水色微黑，氣味微臭，測(cè)得的溶解氧較周邊水域明顯偏低，應(yīng)引起關(guān)注。

圖1 4月初巡視現(xiàn)場(chǎng)與采集的菹草

圖2 5月中旬現(xiàn)場(chǎng)巡視情況

目前有很多研究利用多光譜遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)水華分布[5-10]，對(duì)沉水植物的研究、監(jiān)測(cè)還比較少，僅靠地面手段難以對(duì)沉水植物生長(zhǎng)趨勢(shì)、區(qū)域進(jìn)行

準(zhǔn)確的判定，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。衛(wèi)星遙感是直接觀測(cè)湖泊水色、藍(lán)藻水華等水環(huán)境生態(tài)狀況十分重要的技術(shù)手段，可通過(guò)具有生物機(jī)理的遙感指數(shù)、紋理等特征提取沉水植物的分布空間范圍和面積信息。

環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的專用于環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，由兩顆光學(xué)衛(wèi)星(HJ-1A，HJ-1B)和一顆雷達(dá)衛(wèi)星(HJ-1C)組成，具有大范圍、全天候、全天時(shí)、動(dòng)態(tài)的環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力。該衛(wèi)星搭載了CCD相機(jī)和超光譜成像儀(HSI)，可獲取高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、中等空間分辨率的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可獲取性強(qiáng)，已經(jīng)成為中國(guó)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)源之一。由于超光譜HSI的數(shù)據(jù)較少，筆者使用2014年1—5月的環(huán)境衛(wèi)星CCD多光譜數(shù)據(jù)，對(duì)太湖梅梁湖水域的沉水植物進(jìn)行分析與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

太湖為中國(guó)第三大淡水湖，湖泊面積2 338.1 km2，湖泊平均水深1.9 m，最大水深2.6 m，是典型的大型內(nèi)陸淺水湖泊。太湖是中國(guó)最大的存在嚴(yán)重藍(lán)藻水華的淺水內(nèi)陸湖泊，是國(guó)務(wù)院重點(diǎn)治理的富營(yíng)養(yǎng)化水域之一。文中主要利用遙感手段對(duì)太湖梅梁湖水域的沉水植物情況進(jìn)行分析與探索。

筆者使用的是2014年1—5月中旬的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)，所選數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 2014年1—5月環(huán)境衛(wèi)星CCD影像的日期和圖幅

2 處理流程

2.1 數(shù)據(jù)處理總體流程

為了定量研究太湖梅梁湖水域沉水植物的光譜遙感信息特征，須先對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD遙感影像進(jìn)行必要的大氣校正處理，獲得地面反射率影像。數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖3。

2.2 輻射定標(biāo)與幾何校正

利用絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)將環(huán)境衛(wèi)星CCD 影像DN值轉(zhuǎn)換為輻亮度圖像的公式為:

L=DN/A+L0

式中:L——輻亮度，W/( m2·sr·μm) ;A——絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)增益;L0——絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)偏移量。根據(jù)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心公布的2012年絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)，分別得到各波段的輻亮度影像。

環(huán)境小衛(wèi)星L2級(jí)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的幾何校正，為了跟實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匹配，還需要進(jìn)一步校正。文中幾何校正是以TM數(shù)據(jù)(美國(guó)NASA公布的L2級(jí)數(shù)據(jù)，能很好地與GPS匹配)為參考數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正(圖像配準(zhǔn))。

圖3 環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD影像計(jì)算太湖沉水植物光譜反射率的處理流程

2.3 大氣校正

2.3.1 制作波譜曲線

利用ENVI 5.1的Start New Plot Window工具，在波譜曲線繪制窗口中，導(dǎo)入對(duì)應(yīng)傳感器的波譜響應(yīng)函數(shù)，生成的波譜曲線如圖4(a)(b)(c)(d)所示，保存后綴為.sli的文件。上述操作過(guò)程也是構(gòu)建一個(gè)地物波譜庫(kù)的過(guò)程。

2.3.2 FLASSH大氣校正

筆者利用ENVI的FLASSH工具，根據(jù)衛(wèi)星影像的元數(shù)據(jù)對(duì)傳感器的基本信息進(jìn)行設(shè)置。大氣模式的選取依衛(wèi)星遙感成像月份確定，筆者分析的環(huán)境衛(wèi)星CCD 數(shù)據(jù)涉及1—5月，取Mid-Latitude Summer 模式。氣溶膠類型選Rural 模式，由于環(huán)境衛(wèi)星CCD 缺乏2.1 μm波段，故反演方法選擇“None”，導(dǎo)入之前制作好的波譜響應(yīng)曲線，執(zhí)行完成大氣校正。

完成了FLAASH 處理后，就獲得了環(huán)境衛(wèi)星CCD 影像的地面反射率數(shù)據(jù)，可進(jìn)行沉水植物光譜反射率特征分析。

3 影像特征分析

3.1 1—3月的影像

從影像中可以看出，1—3月的4張影像，在梅梁湖區(qū)域沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有明顯的沉水植物和水華的出現(xiàn)。整體來(lái)說(shuō)，梅梁湖水域水體的反射率也較低，懸浮物濃度較低，水體較為清潔，如圖5(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)所示。

圖4 環(huán)境衛(wèi)星CCD的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線

3.2 4—5月中旬影像

從2014年4月6日的影像可以看出，三山西南方，面積大約5 km2的水域，出現(xiàn)了可見(jiàn)光波段反射率較周邊水體略微偏低的狀況。從現(xiàn)場(chǎng)巡視情況來(lái)看，此水域菹草已開(kāi)始生長(zhǎng)，但生長(zhǎng)接近水面的密度還比較低，同時(shí)由于氣溫較低，也沒(méi)有出現(xiàn)藍(lán)藻富集的現(xiàn)象，如圖6(a)(b)所示。

從2014年4月15日和2014年4月29日的影像可以看出，此水域范圍內(nèi)，可見(jiàn)光波段反射率較周邊水體明顯降低，從巡視現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，此水域菹草進(jìn)一步生長(zhǎng)，生長(zhǎng)接近水面的密度也在進(jìn)一步升高，由于氣溫不高，沒(méi)有出現(xiàn)藍(lán)藻富集現(xiàn)象，如圖7(a)(b)(c)(d)所示。

從2014年5月1日、5月5日、5月8日和5月12日的影像來(lái)看，此區(qū)域與其他周邊水域相比，在保持可見(jiàn)光波段明顯較低的同時(shí)，在近紅外波段較之前也開(kāi)始出現(xiàn)了略微的抬升，植被特征較水體更加明顯，且出現(xiàn)了較明顯的藻類水華現(xiàn)象，呈現(xiàn)草藻共同出現(xiàn)的現(xiàn)象。從現(xiàn)場(chǎng)巡視來(lái)看，開(kāi)始出現(xiàn)了大量藻類富集在水草區(qū)域的情況，如圖8(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)所示。

圖5 2014年1—3月太湖梅梁湖水域情況

圖6 2014年4月6日太湖梅梁湖水域情況

4 光譜特征分析

筆者對(duì)出現(xiàn)沉水植物的2014年4月6日—5月12日的影像進(jìn)行光譜特征分析，分別對(duì)經(jīng)過(guò)大氣校正處理后的影像進(jìn)行樣本區(qū)的選取，樣本區(qū)分別為三山附近的沉水植物區(qū)域、較明顯的藍(lán)藻水華聚集區(qū)、湖體周邊陸地地表植被和同區(qū)域內(nèi)水體對(duì)照區(qū)，選取的樣本區(qū)域總面積盡量一致。其中，沉水植物大部分葉片位于水面以下,其遙感數(shù)據(jù)是水草和水體的混和光譜。以上7景環(huán)境衛(wèi)星CCD各波段光譜反射率數(shù)據(jù)(放大1萬(wàn)倍)與NDVI值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，平均光譜反射曲線見(jiàn)圖9。

從環(huán)境衛(wèi)星CCD各波段反射率的數(shù)值上來(lái)看，水華、陸地植被光譜反射率曲線基本顯示了典型的葉綠素a反射特征。在第1波段(475 nm)處，對(duì)光能的吸收能力較強(qiáng)，反射率的表現(xiàn)則較低；在第2波段(560 nm)處，對(duì)光能的吸收能力較弱，反射率的表現(xiàn)則較高；在第3波段(660 nm)處，對(duì)光能的吸收能力較強(qiáng)，反射率的表現(xiàn)就較低；在第4波段(830 nm)處，對(duì)近紅外的光能吸收顯著降低，在反射率的表現(xiàn)上則為顯著提高。綜合4—5月光譜反射率曲線可以看出，水華、地表植被的光譜反射率曲線葉綠素a反射特征比較顯著，且地表植被的光譜曲線反射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，明顯低于水體的光譜反射率，說(shuō)明地表植被對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光能吸收較強(qiáng)。水華的光譜曲線反射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)與水體反射率差異不大，且在第二波段(560 nm)的反射率明顯高于水體的反射率，說(shuō)明在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，藻類對(duì)光能的吸收能力明顯低于地表植被。在第4波段(830 nm)處，水華與地表植被的反射率較之前都升高得比較明顯，其中水華在此波段的反射率比地表植被稍高。

圖7 2014年4月15日和4月29日太湖梅梁湖水域情況

圖8 2014年5月1日、5月5日、5月8日和5月12日太湖梅梁湖水域情況

表2 樣本區(qū)域的平均反射率與平均NDVI

沉水植物的光譜反射率曲線在可見(jiàn)光的范圍內(nèi)，整體曲線特征與水體的反射率曲線特征比較類似，其中，在第3波段(660 nm)處，較第2波段(560 nm)處的反射率值沒(méi)有表現(xiàn)出非常明顯的強(qiáng)吸收特征，即在第2波段(560 nm)處，沒(méi)有形成較明顯的波峰，葉綠素a的反射特征不是很明顯。在反射率的數(shù)值上，第2波段(560 nm)處的反射率僅略高于第3波段(660 nm)處的反射率。但在第4波段(830 nm)處，沉水植被的反射率較可見(jiàn)光范圍內(nèi)的反射率有了小幅的抬升，與水體在第4波段(830 nm)處出現(xiàn)的較可見(jiàn)光范圍內(nèi)的反射率下降的現(xiàn)象有了明顯的區(qū)別。從總體上來(lái)說(shuō)，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，沉水植物的光譜反射率低于水華與水體的光譜反射率，但高于地表植被的光譜反射率。沉水植物的大部分葉片在水面以下,沉水植物的光譜是植物葉片和水體的混和光譜,由于水體在近紅外的強(qiáng)烈吸收,導(dǎo)致反射率在近紅外波段的值比地表植被和水華明顯要小，從實(shí)際的光譜反射率曲線來(lái)看，符合這個(gè)特征，即在第4波段(830nm)處的反射率略高于水體的反射率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地表植被和水華。

從NDVI的值中可以看出，由于在近紅外波段反射率抬升現(xiàn)象明顯，地表植被與水華的NDVI值較大，其中，地表植被NDVI的7 d平均值為 0.624，水華NDVI的7 d平均值為0.428。水體由于在近紅外波段較紅光波段光能的吸收能力較強(qiáng)，NDVI值較小，且都為負(fù)值，水體NDVI的7 d平均值為-0.052。沉水植物由于兼具植物與水體的光譜特征，在近紅外波段的反射率雖略有抬升，但明顯小于水華和地表植被，NDVI值表現(xiàn)為明顯高于水體的NDVI值，但又比水華和地表植被的NDVI值明顯要低，沉水植物NDVI的7 d平均值為0.132。沉水植被的NDVI值4月6日為0.052，到了5月12日則提升為 0.189，也反映出了一定的沉水植物生長(zhǎng)過(guò)程。

綜上，沉水植物的光譜反射率特征可以總結(jié)為:(1)可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)，植被特征不明顯，與水體特征類似，且在反射率值上低于水體反射率的值。(2)第4波段(830 nm)處，反射率較第3波段(660 nm)有較明顯的抬升，但遠(yuǎn)低于水華和地表植被的抬升程度。

5 沉水植物的提取分析

雖然從光譜反射曲線中可以看出沉水植物區(qū)別于其他樣本的光譜特征，但是由于環(huán)境小衛(wèi)星不同時(shí)相的CCD 數(shù)據(jù)在大氣校正時(shí)選擇的大氣模式、氣溶膠模式等存在差異，CCD 本身未配備2.1 μm中紅外波段，加之資源衛(wèi)星中心公布的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)缺乏應(yīng)用層面的大量驗(yàn)證，因此，不同時(shí)相間湖泛水體光譜反射率值存在一定的漂移。另一方面，沉水植物光譜是植物和水體的混和光譜,當(dāng)水體的貢獻(xiàn)比較大時(shí),沉水植物與水體的混和光譜很難與水體區(qū)分。因此，對(duì)于環(huán)境衛(wèi)星CCD 數(shù)據(jù)，尚無(wú)法確立具有普適性，能在不同時(shí)相間精細(xì)識(shí)別和比較的沉水植物反射率閾值范圍。不過(guò)，這些因素并不影響沉水植物的解譯，可以綜合現(xiàn)場(chǎng)巡視情況，針對(duì)單獨(dú)每天的數(shù)據(jù)情況，結(jié)合提取樣本的決策樹(shù)分析與目視綜合判斷，客觀地識(shí)別沉水植物聚集區(qū)及其時(shí)空分布。筆者使用基于樣本的決策樹(shù)分析，以5月1日為例，提取結(jié)果如圖10所示。

圖10 2014年5月1日基于樣本的決策樹(shù)沉水植物提取結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

梅梁湖沉水植物所引起的藻類富集現(xiàn)象對(duì)于水質(zhì)的影響應(yīng)引起關(guān)注。快速捕捉沉水植物的發(fā)生區(qū)域和分布范圍，對(duì)于保障水生態(tài)安全和預(yù)警比較重要，單純靠地面巡查要花費(fèi)大量的人力物力，且往往難以及時(shí)、快速識(shí)別和應(yīng)急響應(yīng)。通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)星CCD 對(duì)2104年1月以來(lái)太湖地區(qū)影像的處理，準(zhǔn)確高效地提取了太湖沉水植物分布信息。中國(guó)環(huán)境衛(wèi)星多星組網(wǎng)構(gòu)成1 ～ 2 d 的重訪能力，地面分辨率為30 m 的CCD 影像數(shù)據(jù)對(duì)湖泊等水體中的小尺度、光譜上弱幅( 然而較穩(wěn)定)的特征生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象的捕捉和持續(xù)監(jiān)控能力非常強(qiáng)大，具有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用潛力。梅梁湖沉水植物所引起的藻類富集現(xiàn)象對(duì)于水質(zhì)的影響應(yīng)引起重視，建議相關(guān)部門(mén)關(guān)注水草蔓延水域，及時(shí)進(jìn)行清理打撈，避免水草及藻類死亡腐爛后對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響，切實(shí)改善梅梁湖水域水生態(tài)環(huán)境。

由于數(shù)據(jù)限制，筆者未使用超光譜數(shù)據(jù)，對(duì)于沉水植物的光譜特征分析不是十分細(xì)致，但也基本能得到沉水植物的光譜特征。在今后的工作中，將利用超光譜遙感數(shù)據(jù)捕捉沉水植物與水體、水華等其他區(qū)域之間細(xì)微的光譜差異,從而對(duì)沉水植物展開(kāi)進(jìn)一步的準(zhǔn)確識(shí)別。

[1] 秦伯強(qiáng),胡維平,陳偉民.太湖水環(huán)境演化過(guò)程與機(jī)理[M].北京:科學(xué)出版社,2004:1-296.

[2] 種云霄,胡洪營(yíng),錢(qián)易.大型水生植物在水污染治理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(2):36-40.

[3] 鮮啟鳴,陳海東,鄒惠仙，等.四種沉水植物的克藻效應(yīng)[J].湖泊科學(xué),2005,17(1):75-80.

[4] 劉偉龍.太湖水生植物時(shí)空變化特征及優(yōu)勢(shì)種馬來(lái)眼子菜的生態(tài)響應(yīng)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2007.

[5] 李國(guó)硯,張仲元,鄭艷芬，等.MODIS 影像的大氣校正及在太湖藍(lán)藻監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].湖泊科學(xué),2008,20(2):160-166.

[6] 徐京萍,張柏,李方，等.基于MODIS 數(shù)據(jù)的太湖藻華水體識(shí)別模式[J].湖泊科學(xué),2008,20(2):191-195.

[7] 段洪濤,張壽選,張淵智.太湖藍(lán)藻水華遙感監(jiān)測(cè)方法[J].湖泊科學(xué),2008,20(2):145-152.

[8] 周立國(guó),馮學(xué)智,王春紅，等.太湖藍(lán)藻水華的MODIS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)[J].湖泊科學(xué),2008,20(2):203-207.

[9 ] 陳云,戴錦芳.基于遙感數(shù)據(jù)的太湖藍(lán)藻水華信息識(shí)別方法[J].湖泊科學(xué),2008,20(2):179-183.

[10] 張壽選,段洪濤,谷孝鴻.基于水體透明度反演的太湖水生植被遙感信息提取[J].湖泊科學(xué),2008,20(2):184-190.