基于归一化植被指数的滇池水华时空变化

刘文杰，董 燕

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650032)

近年来，受全球变暖和人类活动影响，我国淡水湖泊水华频发，引起水体污染、水质恶化、鱼类大量死亡，严重威胁周围居民的生产生活。如何预防和治理水华已成为当前亟待解决的问题。

滇池是云南省面积最大的淡水湖泊，自20世纪80年代以来，入湖污染物不断增加，水体富营养化日趋严重，导致湖内蓝藻大量繁殖，1992年蓝藻水华首次大面积爆发，并日益严重[1]。为此，国家将滇池污染治理列为全国重点治理的“三河三湖”之一。

水体中氮、磷富集是导致水体污染、水质恶化的重要原因之一。滇池流域的氮、磷排放以城镇生活点源为主。2008年，滇池流域氮、磷排放总量分别为10 736 t和542 t，城镇生活点源贡献占比分别达72.7%和42.8%[2]。伴随着人口的高速增长，以及城镇化进程的加快，滇池流域城镇规模不断扩大，滇池污染治理面临巨大挑战[3]。

随着水华爆发频率的增加，传统的人工实地监测方法已难以满足水华监测的需要。随着信息科学技术的发展，遥感技术已经广泛应用于水文、土地、森林、矿产等多个领域。与传统人工实地监测方法相比，遥感监测方法具有省时省力、节约成本的优势。目前，利用遥感监测水华爆发情况的方法主要有各类植被指数，如归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)、归一化水体指数(normalized difference water index，NDWI)、增强型植被指数(enhanced vegetation index，EVI)、藻类爆发指数(floating algae index，FAI)、最大叶绿素指数(maximum chlorophyll index，MCI)等[4]。本研究采用归一化植被指数方法，利用1992—2011年的部分Landsat5遥感影像数据，分析滇池水华爆发的时空分布规律，为今后水华治理提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滇池，亦称昆明湖，位于昆明坝子中央，东起呈贡区旁、西至西山之麓、北临大观公园、南入晋宁县，在昆明市西南，有盘龙江等河流注入。湖面海拔1 886 m，面积330 km2，是云南省面积最大的淡水湖，系我国第六大淡水湖，曾是重要的饮用水源地。20世纪60年代，滇池无论草海还是外海，水质均为Ⅱ类，20世纪70年代为Ⅲ类，20世纪80年代草海和外海的水质分别为Ⅴ类和Ⅳ类，20世纪90年代水质进一步恶化，分别为劣Ⅴ类和Ⅴ类。30 a来，滇池水质下降3个等级。

1.2 数据获取与处理

1.2.1 数据获取

Landsat主题成像仪(TM)是Landsat4和Landsat5携带的传感器，Landsat4和Landsat5每隔16 d扫描同一地区一次，即16 d覆盖全球一次。Landsat TM影像包含7个波段，波段1～5和波段7的空间分辨率为30 m，波段6(热红外波段)的空间分辨率为120 m。南北扫描范围约为170 km，东西扫描范围约为183 km。本研究使用1992—2011年的部分Landsat5遥感影像数据。

1.2.2 数据处理

基于Landsat TM遥感影像第3波段(红色波段)和第4波段(近红外波段)计算归一化植被指数。首先对影像数据进行辐射校正、几何校正等预处理，然后使用ENVI软件计算NDVI数据，接着使用ArcMap对影像进行裁剪，得到研究区范围的数据并进行重分类，最后导出结果。

1.3 研究方法

NDVI是检测植被生长状态、植被覆盖度、消除部分辐射误差的重要参数，是区分植被与非植被最重要的指数之一[5]。遥感影像中，NDVI为近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差与两者之和的比值。对于Landsat TM影像，NDVI可表达为(VBand4-VBand3)/(VBand4+VBand3)。NDVI的值在-1～1，负值表示地面覆盖为云、水等，正值表示有植被覆盖，且值越大表示植被覆盖度越高。通过计算各个时期滇池的NDVI数据，可以反映不同时期滇池水华爆发程度及空间位置的变化。

2 结果与分析

2.1 季度变化

由于部分年份数据缺失，以及云层覆盖，选用影像相对较全的2009年的Landsat5影像数据研究滇池水华的季度变化。图1看出，1月滇池没有明显的水华爆发区域，只在沿岸区域有零星水华。3月份水华开始爆发，主要分布在草海南部、海埂等北部沿岸一带。6月水华全面爆发，除中心区域外，几乎遍布整个湖面。8月底受温度影响，水华开始减少，只在海埂、西北部沿岸区域有大片分布，其他沿岸区域有零星分布。11月水华基本退去，只在沿岸以及海埂区域有零星分布。由此可见，滇池水华爆发受温度影响较大。春季温度上升，藻类开始生长，水华小面积爆发；夏季高温多雨，藻类生长迅速，遍布整个湖面；秋季气温开始降低，藻类停止生长，只在沿岸地带有少量水华；冬季藻类沉入湖底，水面基本无水华残留。在空间位置方面，水华爆发以及退去基本循顺时针方向发展。

图1 不同月份滇池植被指数的变化

2.2 年度变化

滇池水华的规模大、持续时间长，每年的4—11月为水华发生期[6]。滇池形成水华的种类主要是蓝藻门的微囊藻。研究表明，滇池微囊藻爆发期为6—9月[7]，7月份达到最高。据此，在研究水华爆发年度变化时选用7月的Landsat5遥感影像作为研究数据。

由图2看出，1992年滇池水华全面爆发，遍布整个湖面，污染问题非常严重，这与资料记载相一致。20世纪90年代初，国家开展一系列滇池治理行动，投入数百亿元用于治理滇池水体污染，取得了一定的成效，1994年仅滇池在西北部及南部沿岸一带有大面积爆发，2004年仅在草海南部以及海埂一带区域爆发。进入21世纪，随着人口数量的增加以及城市化进程的加快，城市生活污水排放量增加，滇池水华爆发程度随之有加重趋势。2009年草海南部及西北部沿岸有大面积爆发，湖心与南部区域有轻度爆发。2011年水华爆发程度愈发严重，草海南部、海埂、北岸、西岸以及中部均有区域性爆发，南部沿岸一带有轻度爆发。

图2 滇池水华年度变化

从1992年第一次全面爆发至2011年，滇池水华由最开始的遍布整个湖面，到1994年主要分布在南部与西部，2004年主要分布在北部，总体上也呈顺时针发展的趋势。进入21世纪，滇池水华又有了全面爆发的趋势，2009年与2011年除湖心区域外基本都有大面积水华爆发。

2.3 滇池流域人口及城镇发展

2.3.1 人口数量变化

1980年滇池流域人口约157万，1990年为186万，2000年为218万，至2010年达到367万。滇池水质也从1980年的Ⅲ类变成了劣Ⅴ类。进入21世纪后，滇池流域人口增长速度加快，将给滇池污染治理带来更大压力。

2.3.2 城镇发展

伴随着人口的高速增长，以及近年来城镇化进程的加快，滇池流域城镇规模不断扩大。1988年滇池流域建设用地规模约261.5 km2，1990年达到了267.1 km2，2000年增长到380.4 km2，2010年为445.2 km2，城镇化率增长迅速，滇池污染治理仍然面临巨大挑战。

3 小结与讨论

在ENVI以及ArcGIS软件支持下，对滇池流域Landsat5遥感影像进行分析，计算湖区NDVI数据，研究发现，一年之中，滇池水华爆发受温度影响较大：从春季开始有区域性小范围爆发，到夏季全面爆发，基本遍布整个湖面，秋季随着温度降低，水华逐渐消退，冬季藻类停止生长并沉入湖底，湖面无水华爆发。从1992年滇池水华首次全面爆发开始，经全力整治，水华爆发区域在20世纪90年代缩小至集中在沿岸一带。进入21世纪以来，伴随着社会的高速发展以及城镇化进程的加快，滇池水华爆发又有加重趋势，开始由沿岸向湖心发展，到2011年，除少数区域外，水华基本遍布全湖。滇池水华爆发基本循顺时针方向发展，最开始在草海南部、海埂一带爆发，然后向东南沿岸一带蔓延，接着向西北沿岸发展，最终遍布全湖。消退时也基本遵循顺时针规律，最先是东部及南部区域消退，然后顺时针向西北沿岸消退，最后集中在草海南部、海埂一带，直至全部消退。虽然滇池水华治理一直以来都备受国家关注，投入了大量的资金，但与之相伴的还有昆明经济的快速发展、人口数量的持续增长、城镇规模的不断扩大。如何协调好滇池治理与社会快速发展之间的关系亟待探索解决。

[1] 李原, 张梅, 王若南. 滇池的水华蓝藻的时空变化[J]. 云南大学学报(自然科学版), 2005, 27(3):272-276.

[2] 高伟, 陈琼, 伊璇,等. 滇池流域高分辨率氮、磷排放清单[J]. 环境科学学报, 2013, 33(1):240-250.

[3] 张珂, 赵耀龙, 付迎春,等. 滇池流域1974年至2008年土地利用的分形动态[J]. 资源科学, 2013, 35(1):232-239.

[4] 李瑶, 张立福, 黄长平,等. 基于MODIS植被指数时间谱的太湖2001年—2013年蓝藻爆发监测[J]. 光谱学与光谱分析, 2016, 36(5):1406-1411.

[5] 陈文勇, 王颖, 张尹. 基于NDVI的长沙市雨花区景观格局研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2016, 36(9):109-113.

[6] 刘丽萍. 滇池水华特征及成因分析[J]. 环境科学研究, 1999, 12(5):36-37.

[7] 于洋, 彭福利, 孙聪,等. 典型湖泊水华特征及相关影响因素分析[J]. 中国环境监测, 2017, 33(2): 88-94.