蓝藻水华 -湖泊蓝藻水华检测用什么遥感数据作为数据源

即将到来的5月是内陆浅水型湖泊蓝藻水华爆发的高峰期，对此，中国著名的五大淡水湖之一巢湖于近日启动了蓝藻水华预警应急监测。根据安排，相关部门每周会对12个湖体点位进行监测，整个监测任务将持续到11月份，以及时发现巢湖蓝藻发生、发展变化等情况。

政府及环保部门之所以重视对蓝藻水华的监测预警，主要还是因为它不小的危害性。作为生态系统的自然组成部分，大多数藻类均无毒，但是一些有毒的藻类则会对人类和动植物的健康构成严重危害。

第一，有害藻类在水中产生高水平的毒素，会污染人类及动植物饮用的水源，若人和动物误饮，会导致皮疹，发烧，呼吸困难以及肝肾损害等疾病的发生；第二，当被污染的水在流动或撞击岸边的时候，毒素会释放到空气中，这些气溶胶会引起人类呼吸道疾病；第三，有毒藻类在分解过程中会消耗水中的氧气，导致水生物窒息而死，对水产养殖业来说，会直接影响经济鱼类的收成。

根据调查显示，我国超过一半的湖泊和水库都处于富营养化状态。除了上面提到的巢湖，太湖的藻华污染情况也很严重。

1 r" A% K0 j4 b- t

自20世纪90年代以来，由于不合理的生活、农业、工业排放，造成湖内生态系统严重破坏，使得太湖蓝藻水华事件频发，对流域内人们的健康和经济发展都带来了负面影响。尤其是2007年发生的重大蓝藻污染事件，更是让太湖富营养化及其蓝藻水华治理成为国家和全民关注的重大而紧迫的问题。

! C# I" n' S/ ?

藻华监测与治理的技术手段

治理的前提是充分掌握藻华的生长情况，当前，我国水环境监测领域主要运用的是遥感技术。通过遥感影像的宏观视角，为水环境的监测和治理提供多维度的参考信息。

5 [" x; y f$ u- r* w

为了看看经过多年的治理，太湖现阶段的水质情况如何，大地量子此前对太湖2019年的水质进行过监测。

大地量子的湖泊富营养化遥感监测技术是通过量测和分析一定波段内水体的辐射值而获得光谱特性，通过研究反射光谱特征与水质参数之间的关系，进而建立相应的水质参数反演算法，再结合有关的湖泊富营养化模型对富营养化水体进行监测和评价的过程。

0 Z, q% I! q* k$ `' }5 n1 g1 }; F6 Q

下图，是大地量子的监测结果，分别显示2019年5月太湖的叶绿素浓度、悬浮物颗粒度和水体透明度。从结果来看，虽然经过一段时间的治理，太湖的水质有了改善，可是藻华现象依旧存在。

; \) _0 W t- _: C! Q

大地量子：2019年5月太湖叶绿素浓度监测

' {: U1 f) O J; K. F% G

大地量子：2019年5月太湖悬浮颗粒度监测

5 B' X9 l4 R) W" f. N) _* e1 d

大地量子：2019年5月太湖水体透明度监测

! y8 k8 L# P# t3 z) X% w& k) S3 }

蓝藻水华遥感监测，是基于被测水体的光谱特征。水体的光谱特征是由其中的各种组成物质对光辐射的吸收和散射性质决定的。水体中是否有蓝藻，以及其密度的不同都会使水体悬浮物、透明度等信息存在差异，从而影响到传感器上接收到的光谱反射信息。

正常情况下，水体中影响光谱反射率的物质主要有三类：

+ ` j# r: }5 Y0 g! C1 m

1）叶绿素，主要是各种藻类；

: ]( I5 X8 T1 _ T4 k! }

2）由浮游植物死亡而产生的有机碎屑及陆生或湖体底泥经再悬浮而产生的无机悬浮颗粒，总称悬浮物；

% V! \4 y V1 D0 o2 |, H# h$ i4 x

3）由黄腐酸、腐殖酸等组成的溶解性有机物，通常称为黄色物质。这些物质会截留水体的入射光能，使水体的反射光谱发生改变，如果水体受到一定程度的污染，那么水面的污染物（如油污、藻类）和水中的污染物质也会影响光谱的反射率。

气候变暖是蓝藻频繁爆发的诱因

其实在正常情况下，受其它藻种的生长制约，蓝藻并不可能在常温条件下大规模爆发，也很难引起我们的注意，毕竟它们早在30多亿年前就出现在了地球上，可以称得上是地球植物的祖先，站在适者生存的层面上说，藻华的自然存在和消退是符合地球生态运作的。但是，在某些特定情况下，它们就有可能变得失控，疯狂蔓延，长期无法消退。

蓝藻水华爆发受一系列因素影响，氮、磷等营养盐浓度的增加，高温、充足的光照、水循环不畅，以及极端气候，例如飓风、洪水和干旱等。

以巢湖为例，这是人类活动最为频繁的大型浅水湖泊，各类点源、面源入湖污染及流域北岸广泛分布的含磷岩系，使水体变得富营养化。最重要的是，巢湖地处北亚热带湿润季风气候区，相对较高的水温，为藻类细胞分裂生长提供了可能。

+ l! z' U: }! o g

同时，多项研究指明，全球气候变暖、水温升高、是蓝藻爆发的诱因之一。2019年10月Nature期刊上的文章指出，全球气候变暖使全球原本不断加剧的富营养化和藻类水华爆发变得更加复杂和难以控制，由富营养化引起的水生态系统退化已经成为一个不争的事实。

" i0 j" @3 h9 `: B. [1 ?" L1 [

为了研究温度对蓝藻水华的爆发是否有直接关系，研究人员对NASA和美国地质学会的Landsat 5近地卫星在1984年至2013年之间拍摄到的，33个国家/地区的71个大型湖泊照片进行比较。结果显示，全世界只有六个湖泊的蓝藻水华覆盖度在下降，而其他包括佛罗里达州的奥基乔比湖在内的至少22个湖泊的藻华数量却有所增加。

# Z& Z) s4 ^6 N5 W/ }* h: O& }

2019年2月，NOAA卫星彩色图像，佛罗里达HAB（有害蓝藻水华）监测图

尽管在很长一段时间里，人们都认为周边居住区污染程度、降雨量和肥料的使用是促使藻华爆发的主要因素，但是从过去30年间观察的那些湖泊来看，只有变暖程度最低的湖泊藻华现象有所改善，而那些变暖的地区，就是另一番景象了。

因此，研究人员也确信，气候的变化，加快了藻类植物的生长速度，也为水质改善增添了难度。

" e6 r+ q( Y, U4 y. r, v

蓝藻爆发是个全球性问题

- A. I: w3 \3 H* j S2 x" P" @

近年来，由于持续的富营养化、大气二氧化碳浓度上升和全球变暖，蓝藻水华肆虐全球。

以美国为例，2014年，因饮用水中含有藻毒素，俄亥俄州托莱多市连续三天停止向40万居民供给公共饮用水；2015年，俄亥俄河出现长达650英里的水华，藻华堆积威胁到了饮用水处理系统；2016年初，德克萨斯州英格尔赛德市由于发现蓝藻毒素，发布了13天停止饮用水供应的警告；2016年，阿拉斯加到佛罗里达州出现的藻华导致海滩关闭，严重影响了旅游业和当地经济......

面对藻华爆发的客观事实，各国家/地区也均通过遥感技术来掌握藻华危机的影响区域和程度。

) t# U+ {) ^1 t+ i

) j; V' q2 g6 s7 |0 \# R

Landsat 8影像显示，2017年9月，有害藻华覆盖了北美伊利湖西部的大部分地区

7 G* W: p" ~; D

2016年7月6日，挪威与俄罗斯北方的巴伦支海的藻华

: [% n; E' e# C- U/ A2 z' L

2015年7月28日，密歇根州圣克莱尔湖的藻华

! s! ^6 n" E& K+ K3 C

. Y: z# P' \" E; W& w7 ?! O7 n1 A

2014年9月4日，阿拉斯加白令海的藻华

在全球气候变化和人类经济发展进程不断加快的大背景下，蓝藻水华的防控也达到了前所未有的难度。面对藻华形成的成因和治理中存在的各种不确定性因素，我们需要在监测预警和综合治理等方面实现突破。

如今，卫星的覆盖范围已经超乎了我们的想象，它能看到许多人类的眼睛可能会错过的信息。通过遥感影像，我们能准确地跟踪藻华在水面蔓延的每一个进程，通过遥感周期性的监测，加上AI、云计算等技术的辅助，让我们能及时发出预警，启动治理，从而尽可能地避开藻华污染所带来的危害。

' S/ C3 C o2 p- N, K) e 8 ~4 r d1 M1 U. d4 |3 t1 ^