基于遥感技术的太湖蓝藻水华时空变化分析
2023-07-31徐寅生赵琳
徐寅生，赵琳
（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）
1 理论基础
浮游藻类指数的基本原理为水体在红光波段、近红外波段和短波红外波段表现出强烈的吸收作用，对于表面存在蓝藻水华的水体，在近红外波段表现为明显的反射峰，利用这一特点，通过相关波段的组合，构建FAI指数模型，具体计算公式如下。
式中：bRED、bNIR、bSWIR分别表示红、近红外、短波红外波段的反射率；λ RED、λ NIR、λ SWIR分别表示遥感影像红、近红外、短波红外波段的中心波长。
2 研究区域
太湖是中国五大淡水湖之一，位于长江三角洲南部，横跨江、浙两省，北临无锡，南滨湖州，西依宜兴，东近苏州。太湖西和西南侧为丘陵山地，东侧以平原及水网为主。太湖是流域洪水和水资源调蓄中心，湖泊水面面积2 338 km2，分为9 个湖湾。各湖区水生态环境状况差异较大，其中东太湖、西部沿岸区等湖区为典型的草型湖区，其他湖区基本为藻型湖区。
3 遥感数据及处理过程
3.1 遥感数据
此次遥感数据采用的是哨兵2号多光谱数据，时间范围为2017-2021 年（详见表1）。含有13 个波段，波段范围为438～2 280 nm。
表1 2017-2021年研究区遥感影像信息表
哨兵2号属于高分辨率多光谱成像卫星，包括2A和2B两颗卫星。哨兵2号多光谱影像包含13个光谱波段，幅宽约290千米。两颗星互补重访周期可达5 天，而对于纬度较高的区域，这一周期仅需3 d。从可见光和近红外到短波红外，具有不同的空间分辨率，分别为10、20 m和60 m。哨兵2号卫星影像主要用于陆地监测，可提供水覆盖、土壤和植被、内陆水路及海岸区域等图像，还可用于紧急救援服务。哨兵2号多光谱波段基本信息见表2。
表2 哨兵2号多光谱卫星波段基本信息表
3.2 数据处理
哨兵2号多光谱卫星遥感影像由欧洲航天局发布，其发布的哨兵2号L1C级多光谱数据（MSI）是经过正射校正和几何级校正的大气表观反射率产品，并没有进行大气校正。因此，哨兵2 号影像的数据处理主要包括：大气校正、数据重采样和去云处理。
①大气校正，利用欧洲航天局发布的专门生产L2A级数据的插件Sen2cor 对L1C 级数据进行大气校正处理，得到L2A 级数据。
②数据重采样，哨兵2号数据包含10、20和60 m三种分辨率的波段数据，需要将60 m和20 m的数据重采样至10 m，以提高数据的整体分辨率。这里主要的使用工具是欧洲航天局提供的Sen2Res插件。
③水体提取，基于多光谱数据，计算改进的归一化水体指数，提取值大于0 的范围，即水体范围。改进的归一化水体指数（MNDWI，Modified Normalized Difference Water Index）能够最大程度地抑制居民地和土壤等噪声，突出水体，MNDWI的计算公式如式（2）。其中，GREEN 表示绿波段，在哨兵2 号影像中对应第3波段，MIR对应中红外波段，在哨兵2号影像中对应第11或第12波段。
通过计算影像的MNDWI，设定合适的阈值，区分影像中水体与非水体，进而提取太湖水体范围，并进行裁剪。
④计算FAI并进行分级，根据FAI公式，找出哨兵2号影像中对应的波段，即bRED、bNIR、bSWIR分别对应哨兵2 号影像的第4、8、11 波段；λ RED、λ NIR、λ SWIR分别为665、842 和1 610，代入FAI 公式进行计算，得到不同时间的太湖水体FAI分布图。以0.025、0.05、0.1 为节点对FAI 进行分级，得到不同时间的太湖水体FAI分级图。
⑤提取蓝藻面积，根据FAI以往相关研究成果，FAI的值大于0.1的区域被认为是蓝藻区域，因此，文中沿用该结论，提取FAI大于0.1的区域作为蓝藻区域，并计算相应的面积。
4 结果分析
经过以上数据处理流程，制作2017 至2021 年5 月份和10月份的太湖FAI 指数分级图（如图2 所示），可以看出，2017 年5 月，西部沿岸区和梅梁湖的蓝藻数据处于较高水平，同年10 月，南部沿岸区的蓝藻数据较高；2018 年5 月，西部沿岸区和南部沿岸区的蓝藻数据处于较高水平，同年10 月，太湖整体蓝藻水平较低；2019 年5 月，东部沿岸区和西部沿岸区的蓝藻数据处于较高水平，但范围不大，同年10 月，南部沿岸区蓝藻水平较高，且范围较大；2020年5月，蓝藻大面积暴发，在西部沿岸区、南部沿岸区和湖心区都有分布，蓝藻数据水平较高，同年10 月，蓝藻范围缩小在西部沿岸区，范围较小；2021 年5 月，蓝藻数据水平较低，同年10 月，西部沿岸区有小范围蓝藻出现。
整体来看，蓝藻在每年的5月份出现的频率大于10月份；西部沿岸区和南部沿岸区较东部沿岸区和其他区域更容易出现蓝藻爆发的情况。总而言之，近五年来，太湖水环境问题不容乐观，需要加强水环境保护和治理。
基于FAI分级图，提取蓝藻面积，计算结果如表3所示，可以看出，每年五月份的蓝藻爆发面积比10 月份的面积大，在2020年5月，蓝藻出现大面积爆发。从2020年10月以来，蓝藻得到有效控制。
表3 太湖2017-2021年不同时间的蓝藻面积表
5 总结
文章利用2017-2021年哨兵2号多光谱卫星遥感数据，对近五年的太湖蓝藻进行长时序连续监测，提取湖区不同季节蓝藻水华信息，进而分析太湖水质的时空变化特征。在时间方面，蓝藻多发于夏季，且2021年以来，蓝藻得到有效控制；在空间方面，西部沿岸区和南部沿岸区较容易发生蓝藻爆发，需加强防范和治理。
