基于Landsat 7影像的骆马湖菹草时空分布研究

曹毅，王辉

(宿迁市环境监测中心站，江苏 宿迁 223800)

骆马湖位于江苏省徐州、宿迁两市结合处，是集防洪、灌溉、航运和水产养殖等于一体的大型平原水库，也是中国南水北调东线第二个调蓄承转的湖泊［1］。菹草又名麦黄草、虾藻，为多年生沉水草本。生于池塘、水沟、水稻田、灌渠及缓流河水中［2］。每年3—5月，湖区菹草常暴发性繁殖成为湖区优势物种，优势度达95%～100%。随后迅速腐烂、死亡，导致水质恶化，直接威胁市区饮水安全，同时对湖区水产养殖业造成重大影响。

1 材料与方法

1.1 Landsat卫星概述

Landsat(陆地卫星)系列是全球生态观测研究最系统、数据连续性最好的遥感卫星。截至目前，Landsat先后有7颗卫星发射上天，最后一颗卫星于1999年发射，星载TM/ETM等遥感仪器。在1999年—2003年3月，一直工作正常，但此后，因ETM的扫描行补偿器(Scanline Corrector，SLC)装置发生故障，扫描行在起扫和终扫部位缺少数据，而沿飞行轨道方向的扫描行中央部位(星下点)数据质量正常，导致约22%的图像像元没有数据。通过影像条带的去除技术，可采取多影像局部自适应回归分析模型或多影像固定窗口回归分析模型进行修复，修复后可供生物监测和生态监测使用。

1.2 Landsat卫星影响处理技术流程

太湖流域蓝藻水华频繁发生以来，江苏省环保部门利用卫星遥感资料对蓝藻发生的面积、范围进行了解译，具有很好的时效性，为各级政府综合防控水污染及蓝藻应急处置提供了有力的遥感技术支持和监测预警服务［3］。骆马湖是过水性湖泊，年水体交换次数达10次以上，不利于藻类生长繁殖，而水草由于附着作用，可承受一定的水流冲击，因此在湖区大量繁殖。每年3—5月，气温、水位适宜，菹草在湖区暴发性繁殖，优势度高，其较大的生物光反射特征可满足遥感监测要求。

将获取的骆马湖湖区遥感影像经图像筛选、几何纠正、辐射定标、去除条带、图像剪裁、大气校正、获取地表反射率等过程处理。选择无云遮盖、光照良好、信息完整的影像，利用ENVI去除条带补丁，将4个时间段的影像分别进行条带去除，然后进行几何纠正，采用等经纬度投影(Geo－graphic Lat/Lon)，基准面 WGS－84，分辨率30 m，裁切后作为研究区域。

选择2012年10月10日，11月27日，2013年3月3日，5月22日4景骆马湖湖区遥感影像，分别作为秋季、冬季、春季、夏季典型影像，5月22日时，骆马湖菹草正处于优势度最高的时期，可有效反映湖区菹草生长状况。因此选用5月22日骆马湖影像作为湖区菹草时空分布研究依据。

2 结果与分析

通过研判骆马湖典型时间段影像及实地勘察，可以发现以下特点。

2.1 菹草分布的季节变化分析

2012年11月—2013年3月，冬季至春季。湖区植被范围和种类基本未发生大的变化。主要集中于湖区北部湿地及西南部浅水区域，有少量挺水植物生长、繁殖。此时湖区大致可分为北部近岸湖区、浅水区和深水区，北部近岸湖区大多开发成水产养殖区域，与湖区开放水域隔绝，水生植被主要为常绿和过冬植被。浅水区为湖中小岛和近岸浅水区域，虽与开放水域相通但水流冲刷之下水草等生长量很小。深水区基本无水生植被分布。

2013年3月—5月，春季至初夏，为菹草的生长期，同时水深、温度适宜，湖区菹草出现暴发性生长，其生长区域几乎遍布全湖。特别是湖区东南部的网箱养殖区域，生长尤为旺盛。5月下旬以后，菹草死亡腐烂后，茎秆在风浪和湖流作用下漂浮至湖区南部堆积，或就地腐烂，死亡，同时冬芽生出，沉入水底淤泥中，待来年再次暴发性繁殖。骆马湖2012年11月27日及2013年5月22日影像见图1。

2.2 菹草分布的空间区域分析

湖区菹草分布受水深、水温等自然因素和湖区围网养殖、采砂等人类活动共同影响。根据菹草的分布区域及繁殖特点，可将湖区分为3个区域。

2.2.1 湖口采砂区

骆马湖北部湖口是湖区水资源补给的主要通道，也是骆马湖采砂的集中区，大量宿迁和新沂采砂船在此采砂，严重破坏湖口生境，通过遥感影像可以看出，此处基本没有菹草生长、繁殖。

图1 骆马湖影像

2.2.2 浅水湖区

此处湖区大致涵盖湖心区、养殖区，为菹草密集生长区，面积约占全湖的一半。此处湖区大部分位于采砂区下游，采砂等活动搅动湖区底质，使底质中原有的氮磷等有机质释放到水体中，使得采砂区下游菹草生长旺盛。湖区东南部有大片围网、网箱养殖区域。网箱、围网等水产养殖活动，向水体中投放饲料含大量氮磷等物质，除被鱼类等吞食外还有大量物质未被食用，沉淀溶解在该区域底质中，促进该区域菹草暴发性繁殖。湖中心区域底质堆积，水深较浅，光照充分，有利于菹草生长及繁殖。

2.2.3 深水湖区

此处湖区为菹草生长抑制区域。主要包括湖区西北部，湖区中心航道、湖区南部等区域。采砂区采砂过后，水深常达十甚至数十米，底质区域无光照，菹草无法生长。中心航道航运频繁，发动机搅动水流;湖区南部常开闸放水，湖流扰动剧烈，以上两种情况均对菹草繁殖产生抑制作用。

3 讨论

(1)Landsat 7影像可有效反映湖区菹草分布。对SLC－OFF ETM遥感数据进行数据处理和水草信息提取，可以作为骆马湖水草监测预警的遥感信息源。目前，遥感手段常应用于水华监测，常用的多光谱遥感数据很难精确识别水华和水草［4］。骆马湖水体叶绿素光吸收源仅为水草，从而避免了水华对光谱分析的影响。

(2)菹草暴发性繁殖与多种因素有关。菹草石芽的萌发率与水深为负相关［5］。通过分析骆马湖水文监测数据，发现冬季湖区水位较高，湖水温度较低，对菹草生长有抑制作用。春季，为了迎接北方沂蒙山区的洪水，腾空库容。水库水位降低，同时因季节交替气温、水温回升，水深、水温对菹草石芽萌发抑制作用消失，使得菹草暴发性生长、繁殖。同时，由于骆马湖上游汛期短时大量降水、湖区开闸、短时阵风等作用，使得骆马湖短时间内流量剧烈波动，形成湖流，冲刷菹草脱离底质，漂流至湖区狭窄区域堆积、腐烂。

(3)湖区人类活动对菹草分布有着明显的影响。北部湖口为骆马湖采砂区，高烈度的采砂活动，严重破坏湖区底质，使水生植物无法生存。同时，采砂活动也使水体透明度降低，菹草的生长受到明显抑制［6］。缺少了湖口湿地的缓冲与保护，入湖河道携入大量营养物质直接入湖，是骆马湖富营养化进程加快的重要原因［7］。与此同时，湖区人工构建物的增加，破坏湖体水面的完整性，渔网、水箱构成一个个独立的区域，湖区水体交换区域局限于大湖区和开放水域，小型湖区基本不受影响，给菹草创造了良好的繁殖条件。

［1］李褆来，曲红玲，陈黎明，等.骆马湖水位动库容分析［J］.中国科技论文，2012，7(5):372－375.

［2］赵家荣，刘艳玲.水生植物图鉴［M］.武汉:华中科技大学出版社，2012:28.

［3］李旭文.Landsat 7 SLC－OFF ETM遥感数据下载及在太湖蓝藻水华监测中的应用［J］.环境监测管理与技术，2009，21(3):54－57.

［4］李俊生，吴迪，吴远峰，等.基于实测光谱数据的太湖水华和水生高等植物识别［J］.湖泊科学，2009，21(2):215 －222.

［5］简永兴，王建波，何国庆，等.水深、基质、光和去苗对菹草石芽萌发的影响［J］.水生生物学报，2001，25(3):224 －229.

［6］丁玲，李巍，施蓓，等.透明度胁迫对菹草生长的定量影响及其生长动力学模型［J］.生态学报，2009，29(1):92 －95.

［7］杨士建，郑鲁民，刘东美.骆马湖生态建设［J］.水资源保护，2006，22(1):43－45.