陳春波，周寶同，田永中，陳正龍，高 凡

1．西南大學地理科學學院，重慶 400715

2．安徽省淮南市國土資源局，安徽 淮南 232007

環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星星座A、B星(HJ1A/1B)的主要任務是對災害、生態(tài)破壞、環(huán)境污染進行大范圍、全天候、全天時動態(tài)監(jiān)測，為緊急救援、災害救助及恢復重建提供科學依據［1-2］。在HJ1A/1B星的對地監(jiān)測中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)表達了植被吸收光和有效輻射的比例，對植被的生長勢、生長量非常敏感，可以反映地表植被的繁茂，一定程度上能夠代表地面植被覆蓋變化［3］。藍藻在光譜上具有明顯的植被特征，因此可以用植被指數(shù)來監(jiān)測藍藻暴發(fā)情況。該研究采用2012年5月10日至2012年6月20日HJ1A/1B的多光譜(CCD)數(shù)據(HJ1A/1BCCD數(shù)據)提取巢湖湖域藍藻的歸一化植被指數(shù)，開展巢湖藍藻的遙感監(jiān)測研究。

1 研究區(qū)概況

巢湖是我國著名的五大淡水湖之一，位于安徽中部(117°16'54″E ～ 117°51'46″E、31°25'28″N ～31°43'28″N)，長江流域下游左岸［4］。在多年平均水位8.37 m時，巢湖湖盆長61.7 km，寬1 247 km，水面769.55 km2，平均水深289 m。以忠廟-姥山-新河口為界分東、西2個半湖，湖泊半封閉，水體為中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，加上面積大、流速慢、水體稀釋擴散自凈能力差，尤其在夏秋季，極易出現(xiàn)藻類暴發(fā)生長［5］。

2 數(shù)據來源和研究方法

2.1 數(shù)據選擇

研究采用的遙感影像數(shù)據為中國資源衛(wèi)星運用中心提供的二級產品。相對于其他中高分辨率衛(wèi)星傳感器，HJ1-CCD具有幅度大、時間分辨率高等優(yōu)點，尤其適合藍藻信息的提取、監(jiān)測及預測。USGS提供的 landsat 7數(shù)據的時間分辨率低、且?guī)в袟l帶，增加了數(shù)據處理的難度。其他數(shù)據(如 GB、SPOT、IKONOS等)雖然分辨率高，但是價格高。在研究時段考慮到巢湖天氣尤其整塊厚云的影響，最終選用的數(shù)據為6景。

2.2 影像預處理

2.2.1 輻射校正

輻射校正可以提高遙感系統(tǒng)獲取的地物表面光譜反射率、輻射率或者后向散射測量值的精度。輻射校正包括輻射定標和大氣校正，對HJ1A/1BCCD數(shù)據首先進行從DN值到Radiance值的定標，同時進行Layer stacking(波段合成)。以中國資源衛(wèi)星運用中心發(fā)布的影像元數(shù)據和HJ1A/1B-CCD數(shù)據的波普響應函數(shù)為依據進行大氣校正［6-7］，反演地物真實反射率。圖1(a)為中國資源衛(wèi)星應用中心提供的原始數(shù)據，圖1(b)為輻射校正后遙感數(shù)據。

2.2.2 幾何精校正

中國資源衛(wèi)星運用中心提供的衛(wèi)星數(shù)據質量雖為“Level 2”，但要與其他的數(shù)據聯(lián)合使用，還要進行幾何精校正。在ENVI中，采用Registration(Select GCPs：Image to Map)進行校正［8］，數(shù)據坐標主要來自Google Earth Pro專業(yè)版，重采樣方法為雙線性內插，校正精度控制在10 m之內，即等于1/3個像元。

2.2.3 數(shù)據裁剪

從已進行了輻射校正、幾何精校正的影像數(shù)據中依次提取巢湖湖區(qū)，完成基礎數(shù)據的預處理。如圖2所示，其中5月10日、5月16日、5月28日的數(shù)據為自然真彩(波段3、2、1的組合)，6月12日、6月13日、6月20日的數(shù)據為標準假彩(波段4、3、2 的組合)。

圖2 HJ1A、B-CCD影像數(shù)據——巢湖湖區(qū)

2.3 研究方法

2.3.1 計算并修正歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計算公式［9］：式中為近紅外波段，為紅色波段。針對巢湖藍藻的變化，研究還采用增強型植被指數(shù)(EVI)對NDVI進行修正。根據巢湖的實際情況，研究對EVI的算法進行了改進，公式［10］：

式中：C1、C2為2 個經驗系數(shù)，分別為 6.0、7.5，增益系數(shù)G為2.5為藍色波段。該算法增強了對高生物量區(qū)域的敏感性，并降低大氣的影響以提高對植被的檢測能力，計算并修正歸一化植被指數(shù)結果如圖3所示。

圖3 巢湖藍藻的歸一化植被指數(shù)

2.3.2 研究時段藍藻分布情況

式中i=1、2、3分別代表時間點。為反映巢湖湖域藍藻NDVI的平均分布狀態(tài)，特劃分為5個等級［11］：當NDVI≤0.1 時，為極低密度區(qū);0.1 ＜NDVI≤0.25時，為低密度區(qū);0.25＜NDVI≤0.4時，為中密度區(qū);0.4＜NDVI≤0.6時，為較高密度區(qū);NDVI＞0.6時，為極高密度區(qū)。

2.3.3 研究時段藍藻變化程度

式中NDVIcij為第i個時間點相對第j個時間點的NDVI，NDVIi和NDVIj分別為第i個時間點和第j個時間點的NDVI。為反映NDVI變化的程度，劃分為如下的級別［13］：當NDVI＞0.25時，為嚴重退化;當 0.15＜NDVI≤0.25時，為中度退化;當0.05＜NDVI≤0.15時，為輕微退化;當 －0.05＜NDVI≤0.05時，為無變化;當 －0.15＜NDVI≤－0.05時，為輕微改善;當 －0.25＜NDVI≤－0.15時，為中度改善;當NDVI≤ －0.25時，為高度改善。

2.3.4 研究時段藍藻變化速度

為了更加直觀地反映巢湖藍藻的變化速度，這里引入土地利用動態(tài)變化速度分析算法［14］，結合研究實際對其中的變量進行了重新定義，規(guī)定動態(tài)度的大小為藍藻在該水域的平均變化情況及變化速度，計算公式［15］：

采用差值法量化2個時間點NDVI的變化，疊加各時間段的變化，得出該時段巢湖湖域藍藻的變化程度，計算公式［12］：

式中：K為藍藻的變化動態(tài)度;At1為藍藻在某位置初期的水域面積，km2;At2為藍藻在某位置末期的水域面積，km2;t1為變化初期，a;t2為變化末期，a。

3 結果與分析

3.1 巢湖藍藻NDVI的空間變化分析

按式(1)計算出巢湖湖域藍藻NDVI的平均空間分布(如圖4)，以此劃分巢湖為東、西2個湖區(qū)，鑒于西區(qū)較東區(qū)復雜，遂分為西一區(qū)、西二區(qū)、西三區(qū)、東一區(qū)、東二區(qū)。在該研究時段，藍藻極高密度區(qū)主要為片狀分布于西一區(qū)沿岸，高密度區(qū)主要分布在西一區(qū)、西二區(qū)及東二區(qū)沿岸，中密度區(qū)主要分布在西二區(qū)、西三區(qū)和東二區(qū);極低密度區(qū)呈大面積團狀，重點位于東一區(qū)、低密度區(qū)位于東一區(qū)、西三區(qū)。其中極高密度區(qū)面積54.17 km2，占巢湖的 6.89%;高密度區(qū)面積 116.51 km2，比例15.10%;中密度區(qū)面積為196.52 km2，比例25.47%;低密度區(qū)面積為327.43 km2，比例42.43%;極低密度區(qū)面積為 78.04 km2，比例10.11%。

圖4 巢湖藍藻平均空間分布

3.2 巢湖藍藻NDVI的動態(tài)變化程度

根據式(2)計算巢湖藍藻在研究時段的變化程度(如圖5)，分為7個級別，其中嚴重退化區(qū)的面積為35.01 km2，占總面積的4.54%，主要分布在西一區(qū);中度退化區(qū)面積為 21.19 km2，占2.76%，在東一區(qū)單獨分布，其余各區(qū)均圍繞嚴重退化區(qū)成條帶形環(huán)狀分布;輕微退化區(qū)面積為55.98 km2，比例 7.25%;無變化區(qū)的面積為115.53 km2，比例 14.97%，輕微改善的面積為159.29 km2，比例20.64%，無變化區(qū)和輕微改善區(qū)“成團”或“零星”分布在東一湖區(qū)中、西部以及以此鄰接的西三湖區(qū)的東、中部;中度改善的面積為145.70 km2，比例18.88%，呈零星的條帶狀圍繞高度改善區(qū)分布;高度改善區(qū)的面積為238.97 km2，比例30.97%，主要呈片狀分布在西三區(qū)、西二區(qū)、西一區(qū)，東一區(qū)、東二區(qū)則是零星塊狀分布，西一區(qū)、西二區(qū)呈整塊片狀分布。

圖5 巢湖藍藻動態(tài)變化程度

3.3 巢湖藍藻NDVI的動態(tài)變化速度

依據式(3)計算藍藻的變化速度(見圖6)，整個研究時段變化速度最快(即得到改善)主要分布在東一區(qū)的中、西部，西三區(qū)的東北部、西北部;變化速度快的湖域主要圍繞變化速度最快的區(qū)域呈條帶或零星的環(huán)狀分布，集中在東一區(qū)大部、西三區(qū)東北部、西北部和西二區(qū)西南部沿岸及西三區(qū)的東南沿岸，東一、二區(qū)的南部沿岸;無變化區(qū)同變化速度快的分布大體一致;改善速度最慢的湖域主要呈片狀集中在西一區(qū)、西二區(qū)、西三區(qū)的中部及南部，東二區(qū)東北部則呈小面積的團狀;變化速度慢的湖域在巢湖均有分布，在西一區(qū)、西二區(qū)、西三區(qū)南部、東二區(qū)東北部呈環(huán)狀分布。

圖6 巢湖藍藻動態(tài)變化速度

4 討論

計算研究時段巢湖湖域的NDVI空間分布，在此基礎上劃分巢湖湖區(qū)，可以得到：藍藻極低密度區(qū)及低密度區(qū)分布主要集中在東湖區(qū)(東一區(qū))、西三湖區(qū)，兩者面積為405.47 km2，占巢湖湖域總面積的52.54%;藍藻暴發(fā)的區(qū)域主要集中在西湖區(qū)(西一區(qū)、西二區(qū))、東湖區(qū)有小面積的條帶沿岸分布。

研究時段內，巢湖湖域改善(包括高度改善、中度改善及輕微改善湖域)的面積約為543.96 km2，占 70.49%，加上無變化的湖域面積約659.50 km2，比例為85.46%。西湖區(qū)改善的程度高于東湖區(qū)，西一區(qū)、西二區(qū)改善后呈大面積的片狀分布;無變化區(qū)則主要分布在東一區(qū)中西部及西三區(qū)東、中部;雖然西湖區(qū)改善的區(qū)域比例大，但是部分區(qū)域也呈嚴重退化的程度。

綜合分析表明，西湖區(qū)應以治理為主，東湖區(qū)則著重監(jiān)測、預防。西湖區(qū)重點治理的湖域為西一區(qū)沿岸及向湖中延伸的區(qū)域，因為該區(qū)域是藍藻分布的極高密度區(qū)，不僅呈嚴重退化趨勢，而且改善的速度慢。東湖區(qū)應以監(jiān)測預防為主，開展小區(qū)域治理：在東一區(qū)中部以監(jiān)測預防為主，因為該區(qū)藍藻為極低密度區(qū)，有輕微退化趨勢;東二區(qū)的東、中、南為高密度區(qū)，中度退化程度，并且更新速度較慢，應在治理的基礎上加強監(jiān)測。

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