1、1本科毕业论文基于MODIES影像的蓝藻的提取与研究EXTRACTIONANDCYANOBACTERIABASEDONMODISIMAGES学院（部）专业班级学生姓名指导教师安徽理工大学毕业论文2基于MODIS影像的蓝藻提取与研究摘要湖泊、河流等水资源遭到污染的事实正在一步步加重，对于水资源的保护已经日益成为不容忽视的社会问题。而蓝藻疯长是导致湖泊水华现象从而造成水资源污染的一个主要性因素。本次研究将利用具有高分辨率特点的MODIS影像数据进行太湖水域蓝藻的提取与分析，正确统计太湖水域各区的蓝藻爆发频次的变化，分析太湖蓝藻水华现象的爆发强度，爆发的主要地点和爆发的迁移过程，以及蓝藻水华在空间与
2、时间上的分布规律，为蓝藻爆发提供正确的预警服务，以帮助有关部门进行蓝藻治理。关键词蓝藻水华，太湖，遥感，MODIS，时空分布安徽理工大学毕业论文3EXTRACTIONANDCYANOBACTERIABASEDONMODISIMAGESABSTRACTWATERLAKES,RIVERSANDOTHERCONTAMINATEDFACTISASTEPINCREASE,FORTHEPROTECTIONOFWATERRESOURCESHASINCREASINGLYBECOMEASOCIALPROBLEMCANNOTBEIGNOREDTHEBLUEGREENALGAEBLOOMSSOARINGPHENOM
3、ENONLEADINGTOTHELAKEWATERPOLLUTIONCAUSINGAMAJORFACTORTHISSTUDYWILLUSEHIGHRESOLUTIONMODISIMAGEDATAEXTRACTIONANDANALYSISOFTHECHARACTERISTICSOFBLUEGREENALGAEINTAIHULAKE,THECORRECTSTATISTICALOUTBREAKOFBLUEGREENALGAEINTAIHULAKEDISTRICTSFREQUENCYCHANGES,ANALYZETHESTRENGTHOFTHEOUTBREAKINTAIHUCYANOBACTERIAB
4、LOOMS,THEMAINVENUEANDTHEOUTBREAKTHEOUTBREAKOFTHEMIGRATIONPROCESS,ASWELLASTHEDISTRIBUTIONOFCYANOBACTERIABLOOMSINSPACEANDTIME,TOPROVIDETHECORRECTALGAEBLOOMWARNINGSERVICESTOHELPTHERELEVANTAUTHORITIESFORCYANOBACTERIAGOVERNANCEKEYWORDSCYANOBACTERIABLOOMS，TAIHU,REMOTESENSING,MODIS,SPATIALANDTEMPORALDISTRI
5、BUTION安徽理工大学毕业论文4目录基于MODIES影像的蓝藻的提取与研究1摘要2ABSTRACT3绪论51研究区域的基本情况711研究区域的选择太湖712蓝藻水华的危害性713太湖蓝藻水华的治理情况814现阶段太湖蓝藻水华采用的治理方法92MODIS影像数据的获取与处理1221MODIS影像数据的概况1222MODIS影像数据的获取1323MODIS影像数据的处理14231MODIS影像数据的预处理14232太湖水域中岛屿与干扰区域的去除1524太湖水域蓝藻水华信息的提取16241蓝藻提取的NDVI计算16242蓝藻提取阙值的确定1625蓝藻覆盖区域爆发强度的计算173蓝藻水华现象爆发的时
6、空分布规律1831太湖蓝藻水华发生风险性的估算1832蓝藻覆盖区域水华等级的划分1933蓝藻水华爆发频次空间分布规律1934蓝藻水华爆发在不同湖区上的分布规律2235蓝藻水华爆发频次时间分布规律23362010年太湖水华现象年内变化特征254太湖蓝藻信息研究的展望2841太湖蓝藻的精确提取2842太湖温度的反演2843太湖蓝藻水华的监测与预警29参考文献30致谢错误未定义书签。安徽理工大学毕业论文5绪论湖泊的富营养化是我国淡水湖近年来所面临的一个普遍环境污染问题，水体富营养化的主要表现在污染水域蓝藻的国度生长引起严重的水华现象，这个现象在人口居住密度大、生活密集区更为突出。太湖是长江中下游五大
7、淡水湖之一，位于今江苏省南部，太湖流域人口居住密集，城市城镇化程度高，近年来，地区经济飞速发展的同时也导致了水体污染的加重，湖泊富营养化的问题越来越引起人们的担忧。造成湖泊水体富营养化的原因是水体本身受到污染使水体中的N、P元素过高。而N、P元素是植物生长需要的营养元素，富含N、P元素湖泊水体会使水生植物比如蓝藻得到充分的营养从而疯狂生长。再者，夏天的湖水的温度相对于其他季节较高，而较高的湖水温度会有利于蓝藻的生长环境。所以在蓝藻疯长不加控制的情况下，疯长的蓝藻会覆盖整个湖面，消耗水中的氧气，从而导致湖泊中的其他水体动植物的死亡，因此，疯狂生长的蓝藻破坏了太湖原有的生态系统，打破了太湖水域生态
8、系统的平衡，而生态系统一旦遭到破坏就会影响太湖水域水体的各项健康指标，最后严重的污染太湖流域的水，最后对周边居民的生活、国民经济的发展造成不利影响。遥感是1960年发展起来的对地观测技术，是指运用探测仪器不和探测目标相接触，从远处把地物的电磁波谱信息记录下来，通过对地物电磁波谱的分析，得出所研究区域所监测的地物的光谱特征信息，从而为研究提供可靠的用于分析的数据。遥感在资源与环境方面的监测相对与传统的方法有着巨大显著的优点首先，遥感采用的是高空成像，从高空上拍摄出所要监测的地物目标，具有宏观性的特点，使大面积的同步观测成为可能。其次，遥感监测的速度快，周期短，传统的监测方法完成一次监测需要耗费大
9、量的时间与精力，往往完成一次监测后会影响第二次监测的最佳时期，尤其是对于具有时令性质的植物而言，但是采用遥感成像技术，对目标区域监测一遍的时间很短，有的高时相分辨率的遥感可以每天都过境一次，这样短的时间间隔会大大提高遥感监测的效益，对于提供强有力析论证具有重大的现实意义。本次研究是研究太湖蓝藻的水华爆发情况，采用MODIS影像来进行蓝藻的提取与处理，众所周知，MODIS卫星提供的影像在全球范围内可以免费接收，这一方面为太湖蓝藻监测降低了成本，另一方面MODIS卫星是一颗高时相的卫星，这颗卫星的回访周期短，并且卫星监测覆盖的范围广阔，其卫星的波段涵盖了可见光、近红外、远红外几乎所有的波段范围，再
10、者，MODIS卫星提供有1KM、500M、100M分辨率以及用于几何纠正的标准分辨率的影像，所以，总体来看，选择MODIS卫星来对太湖水域进行蓝藻水华现象的监测与分析是一种符合监测指标，满足监测要求，得出的监测结果亦具有相当程度的可靠性。安徽理工大学毕业论文6近年来，运用遥感手段用于太湖蓝藻水华爆发规律的研究技术已经相当成熟，具体的研究成果也相当丰富，可以参考的资料也很丰富，典型的用于太湖蓝藻水华爆发现象研究的主要有利用多源卫星遥感影像的的建立模式，利用建立的模式成功地获取了天气晴好条件下研究区域水华面积和蓝藻的空间分布特征，这种模式在太湖水域得到了很好的应用，其应用的结果也取得了很好的效果，
11、监测的结果分析了近几年来年来太湖蓝藻水华暴发的大致时间段以及出现蓝藻水华现象的主要区域，以及区域的迁移状况；结合遥感图像处理中植被指数的算法，对短期内蓝藻发生区域的变化予以反映；再者有利用免费提供的MODIS影像数据开展了研究区域蓝藻水华时间、空间分布规律的探索，当然，根据温度对蓝藻水华现象的影像，利用MODIS影像的热红外波段来反演蓝藻的光谱发射特性，再利用影像上的光谱反射特性来分析出太湖水域不同湖区的蓝藻分布情况以及蓝藻水华的爆发频率。总之，利用遥感MODIS影像在蓝藻水华方面的研究都取得了预期的效果，达到了用于蓝藻水华治理防治的目的。遥感技术用于蓝藻信息提取方面的应用取得进步是让人欣慰的
12、，但是遥感技术在较短时间的范畴内以期获得蓝藻随时间变化规律的监测效果却是不尽人意，因此研究者为了获取在一段时间范畴内的太湖湖区的蓝藻水华变化信息就需要采用一段较长时间序列的MODIS影像，来分别进行处理达到预期的效果。因此，本次研究为了通过研究得出近几年太湖水域蓝藻水华现象爆发的变化，以及太湖各湖区发生蓝藻水华现象面积的变化，本次研究将采取一段时间序列的MODIS影像用于研究，将其结果运用于相关蓝藻治理部门的预警与决策。安徽理工大学毕业论文71研究区域的基本情况11研究区域的选择太湖伴随着中国现代化工农业一体化的迅速发展，城镇化进程的不断加快，再人民群众环保意识的落后，每年全国各地都有大量的工
13、业废水、生活污水、以及农业灌溉废水等污染水大量流入河流、湖泊、海洋。2007年4月份，中国第三大淡水湖太湖出现严重的蓝藻水华现象，5月28日，位于太湖湖区的贡湖水域的城市饮用水水源地受到污染，使得自来水出现恶劣的恶臭现象，为太湖附近的居民用水带来极大的不便。太湖蓝藻水华事件之后不久，位于安徽境内的巢湖又出现大面积的蓝藻水华现象。中国是一个湖泊资源丰富的国家，在中国境内存在大大小小的湖泊约20000多个，中国的湖泊数量约占世界湖泊数量的1/10。据统计，面积超过1KM的湖泊数量约有2300个，面积超过71KM的湖泊数量约占全国陆地面积的080，根据环保部门的资料显示对中国境内的25个大中型湖泊的
14、调查，水体富营养化而受到蓝藻影响的约占92，可谓中国湖泊受蓝藻水华的污染程度已经到了刻不容缓的地步。本次对蓝藻水华现象的研究，选择的研究水域是太湖水域。近年来，受到蓝藻水华影响典型的湖泊水域主要是滇池、巢湖、洪泽湖、太湖、洞庭湖、白洋淀等等，其中太湖发生的严重的水华现象是在2007年的4月份，而本文的研究重点是蓝藻水华的预警与防治，太湖水域发生蓝藻水华现象后，国家和政府部门组织有效力量来用于太湖蓝藻水华的治理，因此选用太湖作为研究区域一方面是因为太湖水域具有较大的面积，在处理太湖地区的影像数据提取太湖湖区是方便操作，另一方面是因为太湖发生水华现象距今时间不长，监测太湖的蓝藻水华现象的变化可以有
15、助于评估太湖蓝藻水华现象的治理效果。再者，针对于太湖蓝藻水华现象的研究已经成为环境保护方面研究的热点，这方面研究取得成果很丰富，所以选用太湖作为研究区域开展研究有着丰富的理论和技术可供参考。12蓝藻水华的危害性一方面，蓝藻水华的疯狂生长，会使得整个的湖面都会被蓝藻覆盖，使得水中的氧气溶解量降低，水中氧气溶解量的降低，会使得原本在水中生存的生物例如鱼类、虾类等因为缺氧而死亡。每一个湖泊中都存在着经过生物进化形成的完善的生物链，而蓝藻的生长致使湖泊中鱼虾等一些生物的死亡，最终会引起湖水中生物链的破坏，使得湖泊中原有生物的循环、能量的流动遭到影响，最终使得水域中的生物物种单一，水体的功能破坏。另外，
16、大量的浮游生物在每一年的安徽理工大学毕业论文8凋亡期会产生大量的尸体，尸体在外界生物作用下腐烂后会沉积湖底，造成湖底水平面的上升，使得湖泊随着时间的推移逐渐的变浅，陆地化现象加重。其次，大量的湖泊表面存在着厚重的蓝藻，会使得原本清澈见底的湖面变得混浊，水体的可见度下降，造成的感官性下降，使得其原本具有的美学价值降低。有些区域的湖区，具有很好的旅游开发价值，能为当地人的生活带来丰厚的改善，可是这些水域一旦被蓝藻水华覆盖，就会使当地的旅游业瘫痪，水上的娱乐项目必须停止，造成的旅游效益的损失也就是无可估量。另一方面，蓝藻带来的直接影响就是蓝藻会毒害水生生物，影响水源地水源。蓝藻中含有大量的藻毒素，其
17、蓝藻死亡腐烂后会使得蓝藻中富含的藻蓝素融入水体中，水中的生物长期活动在含有藻蓝素的水体中致使其死亡。另外，微囊藻毒素中含有的MCS是一种常见的环状七肽肝毒素，能够诱发肝癌的发生，MCS的存在会对水体的健康指标造成严重的威胁。在国际上，1996年的巴西，大约有100多人误饮用含有MCS的水而导致急性的肝功能障碍，其中50多人因为情况严重而为此丧失宝贵的生命，这起事件引起全球多个国家的强烈关注，科学研究表明，居民生活饮用水中含有的MCS的含量与居民发生肝癌的概率成正比。再者，含有藻蓝素的水体不仅会在湖泊中大量的繁殖蓝藻，还会在自来水公司建立的自来水供水设备中大量繁殖蓝藻，引起水源的二次污染，情况十
18、分严峻。综上所述，研究蓝藻的生长特性，掌握蓝藻水华的爆发规律以抑制蓝藻的疯狂生长具有十分重大的意义。13太湖蓝藻水华的治理情况湖泊富营养化是当今世界中环境所遭到威胁的主要原因之一，而湖泊富营养化的最终结果就是水流域的蓝藻疯长，太湖的水污染的主要原因就是蓝藻疯长引发严重的水华现象导致太湖水质的破坏。夏天大量生长的蓝藻堆积在一起，在温度、光照和生物存在的情况下，大量淤积的蓝藻会逐渐的腐烂，腐烂后的蓝藻堆积在湖面上会引发强烈的恶臭，2007年太湖附近的居民使用的自来水中带有浓烈的腥臭味，其真正原因就是城市居民饮用水的水源离蓝藻堆积区比较近，蓝藻的腐烂对饮用水的水源造成污染，引发了城市生活居民的“水荒
19、”现象。当前，用于蓝藻治理的研究理论成功很是丰富，2007年太湖蓝藻水华现象发生后，引起了当地政府和有关环保、水利部门的高度关注，甚至是国务院温家宝总理也就这个太湖蓝藻治理问题作出重要批示，此后，大量的研究人员、部门人员就太湖蓝藻治理展开专项的立案研究。所以，至此，太湖蓝藻水华现象的研究理论成果已经相当成熟，本次研究也是基于太湖蓝藻水华现象的产生、迁移、扩散的研究，但是，真正有效用于太湖蓝藻治理的方法却很少，尽管有不少的专家、学者提出利用物理、化学、生物的方法来杀死蓝藻以抑制其疯长。但是，利安徽理工大学毕业论文9用这些方法杀死蓝藻，会产生藻毒素，藻毒素是一种有毒的元素，长期饮用含有藻毒素的水会
20、严重影响人的生命安全。并且，融入水体的藻毒素相对覆盖在湖面的蓝藻治理起来更加的困难。虽然这种治理方法减少了湖面上覆盖的蓝藻量，但这无疑是将蓝藻的治理问题转嫁到藻毒素的治理问题上，丝毫没有质的改变。14现阶段太湖蓝藻水华采用的治理方法以上分析可知，采用物理、化学、生物的方法来治理太湖的蓝藻的方法不尽人意，并且采用这些方法来进行蓝藻的治理会消耗大量的人力、物力和财力，其治理效果也不是能真正意义上断绝蓝藻的生长。我们清楚的知道，造成蓝藻水华现象屡禁不止的主要原因是太湖水域为蓝藻的生长提供了绝佳的生长环境。因此，最为有效的治理方法就是从源头上控制太湖湖水中的N、P元素的含量，瓦解太湖中适合蓝藻疯狂生长
21、的水体环境，从源头上杜绝蓝藻水华现象。相关资料显示，历年来，太湖湖水中的N元素、P元素含量久高不下，因此，即使从源头上抑制了太湖水体中N、P元素的增加，湖区水体中原有的含量丰富的N、P元素足够支撑很长一段时间太湖蓝藻的疯长，短时间内也将很难杜绝蓝藻水华现象的发生。如上，即使很好的杜绝了太湖中N、P元素的增加，等湖底淤泥中的N、P元素消耗完也需要经历很长的时间，如果不做任何处理与应急对付依然会对太湖居民的用水、生活带来恶劣的影响。因此，在等待太湖湖底淤泥中富含的N、P元素消耗殆尽的同时，我们要做好蓝藻降解区附近水源的防护工作，所以通过研究来认识蓝藻水华形成的规律和判断出蓝藻水华主要的发生区与降解
22、区的位置对水源保护很有必要。对已经确定距离蓝藻降解较近的水源要及时的做好水源供水的滤化和水质的监测，对不合格的饮用水及时地进行处理。蓝藻死亡后会浮在太湖的上面，其死亡的蓝藻的枝枝蔓蔓会失去原有的附着力，因此死亡蓝藻会随着湖面的情况发生移动，比如风向的变化和湖面波的推移都会影响蓝藻的降解地点，因此，如果能够监测处太湖湖底的淤泥中N、P元素含量的分布，这势必为蓝藻的治理，控制水源的清洁提供最为有用的帮助。（1）机械化打捞治理机械化打捞蓝藻治理就是利用机械设备对太湖水域中的蓝藻进行打捞，机械化打捞在太湖蓝藻水华现象治理中的实践表明机械化蓝藻打捞是治理蓝藻水华现象标本兼治的有效方法。从2007年太湖发
23、生强烈的蓝藻水华现象开始，截止2010年的数据统计表明，对太湖水域进行蓝藻的打捞，很大程度上减少了太湖水体中的N、P元素的含量，这从根本上讲就是遏制了太湖水体富营养化的速度。机械化打捞蓝藻是治理太湖蓝藻水污染的一项技术创新。机械化打捞蓝藻的治理系统包括蓝藻的机械化打捞、打捞上来的蓝藻藻水的分离、资源的转型利用。安徽理工大学毕业论文10现在，在太湖周边地区，已经建立了大大小小的化肥生产基地，利用打捞上来的蓝藻作为原料进行化肥的生产，用于植物的培育，收益颇丰。机械化打捞蓝藻的方法今后应该仍是蓝藻治理的主要方法，应该加大投入。（2）生态调水治理生态调水治理是最近几年研究出的太湖蓝藻治理的方法，生态调
24、水是指通过调出太湖中的污水、引入清洁干净的好水来改善水环境以减轻太湖水体的污染程度，减少灾害。目前，国内生态调水方面的技术不是十分成熟，发展的空间还是十分宏大，典型的生态调水方法是“引江济太”和梅梁湖的泵站组合调水系统。调进好水、调出差水，关闭梅梁湖的泵站阻止污水流入太湖，这种方法的目的是为了提高太湖水体的水环境的最大容量，增强水体的自净能力。并且，生态调水系统的运用可以一改原本是一湖死水的太湖，使水体能够流动起来，流动的太湖水流一方面能够带走一部分悬浮在水表面的蓝藻，另一方面也会增加水体中的含氧量，可以减少太湖的水生物因为缺氧而死亡，从某种程度上保护了生物的多样性。当然，这种生态调水的方法成
25、功实践的前提是有一个合理的调水路径，如果生态调水路径不合适，那么取得的效果就会不明显。（3）生态淤泥清理治理生态淤泥清理顾名思义就是清理掉太湖底下的淤泥。当然，太湖是我国面积第三大的淡水湖，湖区整体面积庞大，清理掉湖区底面的所有淤泥这无疑是天方夜谭，另外即使耗费巨大的人力、物力清除干净湖底的淤泥，也会造成太湖其他生物系统的破坏。生态淤泥清理能够减弱遏制太湖蓝藻的水华现象是因为湖底的淤泥中存在有蓝藻生长的生长养分，为蓝藻生长提供了丰厚的地理条件，清理掉淤泥，从某种程度来说会控制蓝藻的疯长，另一方面，淤泥中含有含量较高的N、P营养元素，清理走淤泥也会带走很大一部分的N、P成分，起到了净化水体的作用
26、。当然，淤泥的清理程度肯定是越彻底越好，但是考虑到工程量的难度与可行性，所以，采用生态淤泥清理的方法来治理太湖的蓝藻水华问题必须要有针对性，选择清理淤泥的地点必须经过反复的实地考证，湖区湖底的淤泥清理还是选择在一些自来水的水源地、蓝藻死亡的沉积区、和河道的入水口处等一些重点区域为好。（4）生态修复治理生态修复治理是一种眼光长远的太湖蓝藻水华的治理方法，生态修复就是指在太湖区域的一些比较严重的生态退化区（生态环境被严重破坏，水体污染程度比较严重，蓝藻水华现象比较恶劣）重新植入一些植物甚至是动物、微生物等来改善该区域的生态系统，已达到环境保护的作用。对于蓝藻爆发的区域，常用于改善生态系统的主要有紫
27、根水葫芦、凤眼莲、菱、人工生态水草、仿生植物等安徽理工大学毕业论文11等,这些植物都具有很强的净水功能、抑藻功能。采取生态修复治理的手段来进行蓝藻水华的治理是一项时间跨度比较长的治理手段，太湖流域水藻的面积大，污染物的类型种类繁多，这种治理手段的实施是一个长期的过程，其治理效果的显示也不同于机械化打捞那么明显迅速，也是一个漫长的过程。当然，在生态修复治理被破坏的生态系统的同时，也要保证人工修复与自然修复同步结合完成，治理好一片区域，就要保护好一批区域，要有规章地一片片治理，不能顾此失彼。（5）拦源截污防护治理拦源截污的方法主要思想是减少太湖水域的水体在原有基础上不再继续破坏。试想一番，如果以上
28、采用的方法用于太湖蓝藻治理均取得很好的治理效果，而在太湖的另一边大量的富含N、P元素的生活污水毫无节制的流入太湖，这样便出现了一边治理一边破坏的格局，从总体上来讲，丝毫没有治理的意义。所以，为了彻底消灭太湖蓝藻带来的深重灾难，我们必须控制不达标的生活废水、工业污水流入太湖，确保使太湖的污染物含量由既有的一个定值随着治理的不断进行，水质一步步变好，最终实现太湖治理工作的总目标。还社会一个碧波荡漾的太湖。安徽理工大学毕业论文122MODIS影像数据的获取与处理21MODIS影像数据的概况MODIS即中分辨率成像光谱仪，是一种搭载在TERRA和AQUA卫星上面的一种探测仪器，MODIS探测器用于海洋
29、、陆地方面的监测效果显著，一方面是因为MODIS的监测光谱的覆盖范围广，从可见光到热红外的所有波段。另一方面，MODIS卫星每天过境四次，白昼和黑夜各过境两次，其高时间分辨率弥补了空间分辨率方面的缺陷，MODIS卫星一共拥有36个通道，其中第一、第二波段的分辨率为250M，第三到第七波段的分辨率在500M，第八波段到第三十六波段的分辨率为1KM，MODIS数据具有适宜的空间分辨率和波段书，以及卫星的波段范围宽，数据的更新频率高，全球用户可以免费接收的特点，使得MODIS卫星提供的数据受到研究者的青睐。轨道705KM，降轨上午1030过境，升轨下午130过境，太阳同步，近极地圆轨道扫描频率每分钟
30、203转，与轨道垂直测绘宽带2330KM10KM望远镜直径1778CM体积10M16M10M重量250KG功耗225W数据率11兆比特/秒量化12比特空间分辨率250M、500M、1000M设计寿命5年图1MODIS卫星的技术指标参数安徽理工大学毕业论文1322MODIS影像数据的获取本次研究所获取的MODIS影像数据来源于中国科学院地理与资源研究所官方网站所提供的MODIS影像，遥感监测主要是根据地物的光谱反射特性，不同的光谱反射特性在遥感上显示的内容会有所不同。本次蓝藻水华爆发现象研究的区域选择太湖，是因为太湖是我国的第三大淡水湖，今年来太湖蓝藻污染的情况逐步引起人们的关注，太湖总体的水域
31、范围大，在遥感图像上能够很好地提取，太湖分为许多的湖区，不同的湖区其蓝藻的生长爆发情况不同，选取太湖作为研究区域具有较好的对比作用。根据蓝藻的生长特性可知，在水体富含N元素、P元素是引起蓝藻水华疯狂爆发的主要原因，湖区的水温升高会增加蓝藻水华爆发的频率，因此本次研究以期获得太湖区域蓝藻水华的时空爆发规律，就必须利用遥感对该研究区域进行长时间的动态监测，选取一定时间段的MODIS影像用于研究是本次研究的基础，所以，就必须要求MODIS影像数据能够满足时间分辨率、空间分辨率、辐射分辨率等指标的要求，这样才能得出有价值的研究结果。MODIS数据是波段范围覆盖了可见光、近红外和远红外的36个波段的影像
32、数据,光谱范围在04144M之间,扫描宽度2330KM,其中第1个、第2个波段的空间分辨率为250M,波段3波段7的空间分辨率500M,波段8波段36的空间分辨率为1000M。MODIS卫星每天过境2次,上午下午分别过境一次。因为MODIS卫星具有较高分辨率的特性使其在监测自然灾害、生态环境、全球气候变化等方面有着广阔的应用前途。本次研究拟采用MODIS数据波段1波段7数据进行实验研究。表1用于研究的部分MODIS数据的属性信息影像编号日期影像编号日期安徽理工大学毕业论文1423MODIS影像数据的处理231MODIS影像数据的预处理对获取的MODIS影像数据进行预处理是为了能够较为准确的提取
33、所需要的信息，以便为所研究的太湖蓝藻水华等现象提供可靠的决策支持与预警工作。获取的MODIS影像由于在成像过程中受到大气折射的影响，摄像传感器自身因素的影响，地面状况的影响等造成了MODIS影像自身的误差，为了进一步减弱MODIS影像误差的影响需要对获取的MODIS影响作出预处理以进行误差纠正。本次对于太湖蓝藻水华爆发现象的研究使用的遥感软件是ENVI48，该软件功能强大，适用于遥感影像的处理，该软件中提供的GEOREFERENCEMODIS模块对下载的MODIS遥感影像进行几何校正处理和BOWTIE现象的去除十分有效，对MODIS影像的几何校正采用GEOGRAPHICLAT/LAN投影，参考
34、基点为WGS84。再者，由于MODIS影像是在高空进行成像作用获得影像，因此对太湖区域拍摄的一景影像包含的区域范围大大超过了太湖水域本身的范围，因此为了减少影像数据的处理容量，需要对获取的影像进行研究区域的裁剪，通过图像的裁剪去除大量的冗余数据，从而简化蓝藻信息的提取与研究，具体裁剪范围可参考表2表2太湖水域的地理范嗣经度范围（太湖）119355453“E1210551“E纬度范围（太湖）305106“N313820“N空间投影UTM图像裁剪可以在几何校正与BOWTIE去除的同时进行，裁剪后的图像文件以12345678910112010年4月10日2010年4月15日2010年4月20日201
35、0年4月25日2010年5月1日2010年5月5日2010年5月8日2010年5月11日2010年5月15日2010年5月18日2010年5月21日12131415161718192021222010年5月24日2010年5月27日2010年5月30日2010年6月5日2010年6月10日2010年6月15日2010年6月20日2010年7月1日2010年7月11日2010年7月25日2010年8月15日安徽理工大学毕业论文15HDF（层次数据格式）文件格式保存，对所获影像进行研究区域额裁剪一方面可以减少节省大量的磁盘空间，另一方面可以简化图像的处理，很大程度地提高MODIS影像的处理效率。图
36、2图像处理流程图232太湖水域中岛屿与干扰区域的去除综合考虑太湖水域的总体情况可知，本次研究太湖蓝藻水华现象的研究区域将不包括太湖近岸区域和湖中岛屿区域。太湖水域中的东太湖区域属于草型湖泊，生长着大量的水生植物，该地区生长的水生植物与蓝藻水华在遥感影像上引起的光谱特性不一致，因此，在研究太湖区域蓝藻水华爆发现象中，东太湖区域应该剔除在研究区域范围之外，东太湖的遥感监测结果不等同与蓝藻的监测结果，这一点在时间或者空间的延续上更是显示出显著的差异，太湖水域湖体中的岛屿分布如图2所示。安徽理工大学毕业论文16图3太湖水域中湖区分布24太湖水域蓝藻水华信息的提取241蓝藻提取的NDVI计算MODIS数
37、据对于蓝藻水华信息的提取方法有很多。归一化植被指数是最常用的植被提取算法，NDVINORMALIZEDDIFFERENCEVEGETATIONINDEX是目前应用于植被提取领域取得良好效果的算法之一。已经得到证实的理论成果表明，蓝藻水华的光谱特征与植被的光谱特征很是相似，所以根据NDVI植被提取算法能够有效地提取蓝藻水华信息。NDVI算法被定义为红光波段和近红外波段两波段归一化比值，即NDVINIRREDREDNIR1式中NIR和RED分别代表着近红外波段和红光波段的光谱反射率，对用于本次研究的MODIS影像而言，分别代表着第2和第L波段。242蓝藻提取阙值的确定由于蓝藻水华爆发强度在太湖湖区
38、的不同位置爆发强度不一样。因此太湖各区的蓝藻生长情况在遥感影像上的光谱特征也是不同的，本次研究将参照往年的安徽理工大学毕业论文17资料，对所获取的时间段的影像进行比值运算，并对比值运算得到结果进行统计分析，对于本次对于太湖蓝藻水华爆发的研究，本文将采用0810作为太湖水域蓝藻提取的阙值。25蓝藻覆盖区域爆发强度的计算为了能够更为精确的形容表达太湖蓝藻水华现象爆发的情况，本次研究将引入描述蓝藻水华情况的新概念“蓝藻水华爆发强度”，其计算公式为/蓝藻水华暴发强率蓝藻水华爆发面积太湖湖体总面积（2）蓝藻水华的爆发面积是指太湖水域的某个研究分区内出现水华的面积，亦即蓝藻水华在遥感图像上的阙值大于08以
39、上的范围，太湖湖区的总面积就是指所选择的研究区除了长有水生植物的东太湖及相关区域的所有分区的面积之和。提出“蓝藻水华爆发强度”的概念更形象具体的揭示了太湖水域蓝藻爆发的具体情况，有助于得出更为可靠的分析结果，提供给有关部门更为有用的蓝藻治理方面的信息。安徽理工大学毕业论文183蓝藻水华现象爆发的时空分布规律31太湖蓝藻水华发生风险性的估算传统的地面调查监测是过去对太湖水域蓝藻水华现象进行监测的主要方法之一，随着遥感技术的不断成熟与一系列遥感图像处理软件功能的一步步强大，类似于这种传统的地面调查监测方法用于太湖蓝藻水华现象的研究既费时费力并且还缺乏宏观性和可靠性。与现代的高新技术完全不相符，所得
40、的研究结果也只能用于特定的问题分析提供帮助，并不能解决现代社会经济建设的需要。传统的方法研究太湖各区域发生蓝藻水华现象主要是通过在天气正常（无云）的情况下依次获得太湖监测区域每天的遥感影像，然后将从这些影像上得出的数据汇聚出蓝藻聚集发生区域状况，再根据ARCGIS提供的统计功能，对这些连续监测的数据予以统计处理，从而推断出太湖蓝藻水华发生的规律。而本文研究将提出新的一个概念“蓝藻水华发生频率指数F”，其频率指数计算公式为/100FTT3在以上公式中，T表示遥感卫星在对该研究区域所进行有效监测的总天数，T是指在这些有效监测天数内，能够获得太湖某一湖区累计遥感监测到蓝藻水华聚集现象的监测天数，其两
41、者的比值即为蓝藻水华的发生频率F，也即该区域在该时间段范畴内发生蓝藻水华的暴发频率暴发频率的高低表明在这一地区实施的连续每日遥感监测中监测到蓝藻聚集现象的多少，该频率即代表该地区的蓝藻聚集成灾风险。频率大则说明这个地区的蓝藻水华爆发现象严重，频率越小，则说明这个地区的蓝藻水华现象越不严重）。按照这种统计方法，根据太湖的分区，对所监测区域监测到的太湖蓝藻水华进行分区统计（如表3所示）就可以大致太湖各区域蓝藻水华发生概率分布，从而为太湖蓝藻水华现象预警提供决策支持。总体来看20022007年太湖蓝藻的预警重点在于西部沿岸区尤其是宜兴沿岸。表32013年太湖各湖区水华重点关注区域湖区水华重点关注区域
42、竺山湖湖心部分梅梁湖东部沿岸贡湖西部区域西部沿岸区宜兴沿岸为重点区域湖心区西北区域东部沿岸区西部接近于湖心区区域安徽理工大学毕业论文19注风险性排序为东太湖东部沿岸区南部沿岸区竺山湖湖心区梅梁湖西部沿岸区。32蓝藻覆盖区域水华等级的划分蓝藻水华的等级划分包括两方面的内容，第一方面是蓝藻水华暴发强度的等级划分，另一方面是蓝藻水华密度的等级划分。按照蓝藻水华暴发强度由小到大的顺序，分为4个等级如表4所示。表4蓝藻覆盖区域水华等级的划分33蓝藻水华爆发频次空间分布规律参考本次研究上文简述蓝藻提取的方法，辅以NDVI软件功能提取出的太湖蓝藻水华单日暴发的区域，制作出20022007年各月份蓝藻水华暴发
43、频次空间分布图及总频次图图4、图5。南部沿岸区西部区域东太湖（已定义为剔除区）等级蓝藻水华爆发强度/描述一级14出现零星的水华现象二级416形成一定的蓝藻水华聚集带三级1635蓝藻水华形成局部的聚集面四级35蓝藻形成较大区域的聚集面安徽理工大学毕业论文20图412002太湖蓝藻爆发总频数图422003年太湖蓝藻爆发频数图432004年太湖蓝藻爆发频数图442005年太湖蓝藻爆发频数图452006年太湖蓝藻爆发频数图462007年太湖蓝藻爆发频数安徽理工大学毕业论文21图520022007年太湖蓝藻水华总体爆发次数由图3和图4可知，整个的太湖研究区域，大部分湖区都受到不同程度的蓝藻水华的影像，这
44、就更印证了监测太湖水域蓝藻水华爆发现象探索水华爆发现象的必要性与重要性。就仅仅从上面的图来看，颜色越深的地区代表该地区蓝藻水华现象爆发的越频繁，受蓝藻水华现象的影响就越大。从将太湖整个湖区作为整体来看，蓝藻水华的爆发频次由东南方向向西北方向逐渐加重。初步统计各个地区的爆发频次可知梅梁湾、竺山湖、西太湖沿岸这些区域爆发的频次在30次以上，而位于太湖湖心区北部、西南沿岸蓝藻出现的次数均在2030次左右，贡湖、太湖湖心区中东以及太湖南岸的爆发频次较次，大概在10次左右，而本次研究的剔除区东太湖区域几乎没有出现蓝藻水华现象，因此，根据不同地区发生的蓝藻水华现象爆发频次的不同，可以将太湖的几个分区进行蓝
45、藻爆发的等级划分梅梁湾、竺山湖、西太湖沿岸这些区域爆发频次最高划分为第一等级，而于太湖湖心区北部、西南沿岸这些地区爆发的频次相对于第一等级区域相对略低，属于第二等级区域，贡湖、太湖湖心区中东以及太湖南岸这些地区属于蓝藻水华现象偶尔爆发的区域，因此划分为第三等级区域，东太湖地区基本上未出现蓝藻现象，因此就将其划分为第四等级区域，表示蓝藻水华现象的暂不发生区。从获得的连续7年的蓝藻水华现象的单张爆发频次图来看，我们可以发现以下规律（1）2002年出现蓝藻水华现象的水域时梅梁湾和竺山湖地区，虽然这些地区发安徽理工大学毕业论文22生了蓝藻水华现象，但是总体的蓝藻爆发频次不高，均在10次以下，湖心区和贡
46、湖水域也零星有蓝藻水华现象发生，但是其爆发频次更少。（2）2003年太湖蓝藻发生的水域相对于2002年有所扩展，其蓝藻爆发的频次也在以往的基础上有所提高，蓝藻发生区域已向湖心区北部和西部水域扩展，太湖的西北沿岸地区也出现水华，但总体爆发频次均在1020次左右。（3）2004年太湖绝大部分水域都受到蓝藻水华现象的影响，其蓝藻水华的爆发次数均在10次以下，西南沿岸的水华现象明显增加，整体来看，蓝藻水华现象在太湖西北地区发生的爆发频次要多于东南地区的爆发频次，也就是说西北地区受蓝藻水华的影响要大于东南地区。（4）2005年蓝藻水华现象进一步扩大其影响范围，几乎全部范围的太湖水域都受到蓝藻水华不同程度
47、的影响，只有像东太湖等极少部分水域未出现蓝藻水华现象，但是发生蓝藻水华的水域其蓝藻水华爆发的频次依然在1020次左右不等。（5）2006年蓝藻水华的影响范围仍然在逐渐的扩大，太湖湖区的绝大部分都受到蓝藻水华现象的影响，与往年不同的是，这些受到不同程度影响的水域其蓝藻的爆发频次有所上升，均在20次以上，也就说明这些地区的蓝藻水华爆发情况更加严峻。（6）2007年蓝藻水华爆发覆盖了太湖的整个研究水域，太湖的西北水域的蓝藻爆发频次明显增加，研究区域的湖域分区中有少部分的湖区蓝藻爆发的频次已经超过了30次，说明了太湖蓝藻水华现象仍旧在一步步加重，蓝藻治理工作刻不容缓。34蓝藻水华爆发在不同湖区上的分布
48、规律本次研究将太湖进行分区，分区的结果见本文的上图1，经过监测数据的对比分析可知受蓝藻水华现象影响严重的水域主要分布在太湖的北部和西部地区，而像太湖东南部的胥湖、箭湖和东太湖地区则受到蓝藻水华影响较小。根据20022007年连续六年的数据统计，我们得出结果太湖水域总共出现蓝藻水华爆发的次数是414次。而在这414中，太湖的西部沿岸地区是受到蓝藻水华影响最为恶劣的地区，一共发生蓝藻水华现象330次约占总体爆发频次的797，而大太湖地区的蓝藻水华爆发次数相对西部沿岸地区略低，其爆发频次为320次，约占总体爆发频次的77，影响也是相当的严重，而梅梁湾、南部沿岸地区发生蓝藻水华现象的频次依次是260次
49、、235次，各自占太湖总体爆发频次的628、568，受到蓝藻的影响也是很严重，而竺山湖地区的蓝藻爆发频次占总体爆发频次的447，其间一共出现蓝藻水华情况185次，贡湖地区是这些受到蓝藻水华影响地区中蓝藻水华爆发次数最低的一个湖区，总计爆发141次，约占总体爆发频次的341。安徽理工大学毕业论文23在太湖的几个分区中，受到蓝藻水华现象影响的区域主要有6个分区，分别为竺山湖区、梅梁湾湖区、贡湖湖区、太湖的南部沿岸、大太湖湖区、太湖的西部沿岸湖区，据统计，不同湖区发生蓝藻水华的面积见下图5，为了描述不同湖区受蓝藻水华现象影响的范围，经过计算，可知竺山湖区的蓝藻水华影响范围约占总体蓝藻爆发范围的39，梅梁湾地区受到蓝藻水华影响的范围约占总体128,贡湖湖区受到蓝藻水华影响的范围约占总体面积的65，南部沿岸地区受蓝藻影响的范围约占总的受影响范围的166，大太湖是受蓝藻影响面积最大的区域，其发生蓝藻水华的面积约占总体的41，西部沿岸地区则占总体受蓝藻水华影响面积的192。因此由数据分析我们得出结论各湖区中蓝藻水华发生情况分别由高到低基本上沿西北东南方向分布。图6太湖不同湖区发生蓝藻水华的面积图7太湖不同湖区发生蓝藻水华的次数35蓝藻水华爆发频次时间分布规律根据太湖水域单日监测的数据表明在本次研究监测的时间段20022007安徽
