太湖位于長(zhǎng)江三角洲的南緣，湖泊面積2427.8平方公里，水域面積為2338.1平方公里，是我國(guó)第三大淡水湖。太湖是上海、無錫、蘇州等中大城市最重要的供水水源地，且集供水、蓄洪、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等多功能于一體。因此，太湖水環(huán)境狀況直接影響這一地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

　　由于近20年來，這一地區(qū)工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，造成太湖流域的主要河道和湖區(qū)的水質(zhì)日益惡化，引起湖體水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化，成為太湖水環(huán)境的主要問題。

　　本期案例是基于“珠海一號(hào)”高光譜衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)，對(duì)2018年8月23日的太湖中的水華水草進(jìn)行識(shí)別監(jiān)測(cè)。

　　圖為“珠海一號(hào)”衛(wèi)星星座傳回的衛(wèi)星圖片：太湖

　　水華一般是指當(dāng)浮游植物的生物量明顯高于水體中的平均值時(shí)， 在水體表面大量聚集， 形成肉眼可見的藻類聚積體的現(xiàn)象，水華的暴發(fā)說明此時(shí)水環(huán)境已經(jīng)遭受到嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化污染。

　　水草主要包含了能夠長(zhǎng)期生活在水中的挺水、沉水和漂葉植物，作為初級(jí)生產(chǎn)力，水草是生物多樣化的重要組成部分。水草對(duì)內(nèi)陸水體的物理和化學(xué)環(huán)境有顯著的改善作用, 水草密集的地方水質(zhì)狀況一般會(huì)比較好。因此，水草的分布狀況對(duì)于分析內(nèi)陸水質(zhì)的分布情況具有重要意義。

　　近年來，太湖藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)，水草退化，因此對(duì)太湖的水華以及水草分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于研究太湖水環(huán)境、生態(tài)特性以及水循環(huán)具有重要意義。

圖(1)

　　區(qū)分普通水體與水華、水草

　　基于高光譜數(shù)據(jù)提取水華和水草，首先要確定可以區(qū)分水華、水草和普通水體的合適的光譜指數(shù)。由于普通水體在近紅外有強(qiáng)烈的吸收，所以普通水體的反射率光譜在近紅外的值明顯低于紅光波段。而水華和水草都屬于植物，都含有色素葉綠素a，它在反射率光譜上面有2個(gè)明顯的特征：一是紅光(675nm附近)的反射谷，二是近紅外(715~820nm)的高反射平臺(tái)。

圖(2)水華、水草、水體的代表反射率光譜

　　因此，利用近紅外與紅光波段的反射率比值或歸一化比值能夠區(qū)分普通水體、水華與水草。

　　葉綠素a光譜指數(shù):

　　CSI=ρ(715)-ρ(675)/ρ(715)+ρ(675)

　　其中： ρ ()為遙感反射率的值，下同。

　　區(qū)分水華與水草

　　我國(guó)長(zhǎng)江中下游淺水湖泊水華主要是由藍(lán)藻形成的，藍(lán)藻中含有藻藍(lán)蛋白色素，藻藍(lán)蛋白色素在630nm左右存在反射谷，在655nm左右存在反射峰。水草中不含藻藍(lán)蛋白，因此可以利用這個(gè)反射峰和反射谷構(gòu)建光譜指數(shù)來區(qū)分水華和水草。

　　藻藍(lán)蛋白指數(shù):

　　PSI=ρ(655)-ρ(630)/ρ(655)+ρ(630)

　　為了進(jìn)一步強(qiáng)化水華和水草的光譜差異，我們將在PSI的基礎(chǔ)上引入555nm左右的反射峰，由555nm左右的反射峰和655nm左右的反射峰的連線，與630nm附近反射谷之間的垂直連線稱之為藻藍(lán)蛋白基線(PBL)：

　　藻藍(lán)蛋白基線:

　　PBL=ρ(555)-ρ(630)+【(630-555)/(655-555)】×(ρ(655)-ρ(555))

　　經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析確定CSI和PBL的閾值T1、T2。然后采用決策樹模型(圖3)提取水華和水草，先根據(jù)GSI閾值 分割將普通水體、非水體區(qū)域(水華和水草)進(jìn)行區(qū)分;然后根據(jù)PBI閾值分割將水華和水草進(jìn)行區(qū)分。

圖(3)

　　結(jié)果分析

　　使用基于葉綠素a光譜指數(shù)CSI和藻藍(lán)蛋白指數(shù)PBL的水華、水草高光譜遙感識(shí)別模型對(duì)太湖水域進(jìn)行遙感反演，結(jié)果如圖4。

　　從反演的結(jié)果來看水草主要分布于貢湖灣、東部沿岸區(qū)和西部沿巖區(qū)，水華主要分布于竺山灣和梅梁灣。分析太湖往年的水華水草分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，水草通常位于太湖東部湖區(qū)，水華通常位于西部和北部湖區(qū)，水草分布區(qū)域一般不易發(fā)生水華。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，反演結(jié)果與太湖水華水草分布規(guī)律是保持一致的。

　　圖(4)2018年8月23日太湖水華水草分布圖

　　結(jié)語：一張高光譜影像即可將水域面積2338.1平方公里的太湖“盡收眼底”，并且能快速監(jiān)測(cè)出水體污染源的類型、位置分布以及水體污染的分布范圍等。相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，利用“珠海一號(hào)”高光譜遙感衛(wèi)星進(jìn)行太湖水環(huán)境監(jiān)測(cè)，具有范圍廣、速度快、長(zhǎng)時(shí)間周期監(jiān)測(cè)、以及低成本等優(yōu)勢(shì)。