基于hj-1a1b遙感影像的鄱陽湖總懸浮物濃度時空動態(tài)研究

基于hj-1a1b遙感影像的鄱陽湖總懸浮物濃度時空動態(tài)研究

湖泊及其流域的水環(huán)境問題通常非常復(fù)雜。生態(tài)系統(tǒng)和生物資源的變化與人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相關(guān)。在過去的幾十年里，隨著世界人類活動的加劇，許多湖泊面臨著水質(zhì)下降、富營養(yǎng)化等問題，嚴(yán)重影響了湖泊功能的可持續(xù)利用。衛(wèi)星水資料遙感具有較大規(guī)律地同時接收水信息的優(yōu)勢。有效監(jiān)測水體成分的時空和動態(tài)分布變化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面監(jiān)測方法的不足。水體總懸浮物(TotalSuspendedMatter,TSM)是影響水色要素的主要因素之一,TSM濃度含量的高低直接影響水體的透光性和富氧條件,并且影響水生生物的光合作用,同時對水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響,近年來國內(nèi)外許多學(xué)者針對水體總懸浮物濃度反演進(jìn)行了大量的研究.由于單時相TSM濃度遙感反演結(jié)果可能存在偶然誤差,難以表征研究水域的整體水環(huán)境特征,因此,利用長時間序列遙感影像開展研究區(qū)域的TSM時空動態(tài)分析,對保護(hù)湖泊及其流域水生態(tài)環(huán)境具有重要的實(shí)際意義和科學(xué)研究價值.本研究利用2008年～2011年近4年HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD傳感器影像TSM濃度反演結(jié)果,從日變化、季相變化、年變化分析鄱陽湖南北湖TSM濃度的時空動態(tài)分布及其變化規(guī)律.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取鄱陽湖是中國第一大淡水湖泊(115°47′～116°45′E,28°22′～29°45′N),作為長江中下游的一個重要支流水系,匯集贛江、撫河、信江、饒河、修水五條河流(簡稱“五河”)的來水經(jīng)湖口注入長江,形成了完整的鄱陽湖水系.鄱陽湖通常以都昌和吳城之間的松門山島為界,分為南北兩個湖區(qū),松門山島以北的湖面狹窄,實(shí)為狹長入江水道,松門山島以南湖面遼闊,是湖區(qū)主體.因此本研究參考鄱陽湖湖區(qū)地理位置的劃分,以松門山島為界分別對南、北兩個湖區(qū)進(jìn)行鄱陽湖區(qū)內(nèi)TSM濃度時空變化規(guī)律分析.2008年10月、2009年10月和2011年7月課題組開展了3次鄱陽湖水域野外觀測,調(diào)查期間共獲取無云且質(zhì)量清晰HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD影像7景,同步LISST(LaserIn-SituScatteringandTransmissomentry)傳感器體積濃度數(shù)據(jù)42組,在反演建模時,結(jié)合同步水樣過濾稱重法獲取的質(zhì)量濃度進(jìn)行體積-質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換.2懸浮物總濃度的遙感反演2.1浮游植物總懸浮物指數(shù)tsmi衛(wèi)星影像在大氣層頂(TOA)接收到的總輻亮度信號為Lt(λ),針對HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)用Gordon單次瑞利散射理論計算各波段瑞利散射校正后的反射率:ρrc(λ)=πLt(λ)F′0(λ)cosθ0-ρr(λ),(1)其中,F′0為雙層臭氧吸收修正后的太陽輻照度,ρr(λ)為單次瑞利散射反射率,θ0為太陽天頂角.綜合常用內(nèi)陸渾濁水體大氣校正算法的業(yè)務(wù)化程度、效率、穩(wěn)定性等因素,本研究沒有進(jìn)行嚴(yán)格的氣溶膠散射校正,而是借鑒熒光高度法FLH/MCI反演葉綠素濃度和FAI方法監(jiān)測水表浮游植物的經(jīng)驗(yàn),提出了一種總懸浮物指數(shù)TSMI(TotalSuspendedMatterIndex)方法進(jìn)行總懸浮物反演.該方法采用CCD傳感器藍(lán)光通道ρrc(475)-近紅外通道ρrc(830)為基線,紅光通道ρrc(660)相對基線的高度變化來表征水體總懸浮物濃度的變化趨勢.TSMI指數(shù)計算如公式(2)所示:TSMI=ρrc(660)-ρrc(475)-ρrc(λ)-ρrc(λ)660-475880-475.(2)2.2tsmi指數(shù)與tsm濃度的關(guān)系應(yīng)用42組HJ-1A/1BCCD傳感器影像同步TSMI指數(shù)與LISST傳感器TSM濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明,TSM濃度的對數(shù)Ln(TSM)與TSMI指數(shù)兩者呈現(xiàn)比較好的線性關(guān)系,模型決定系數(shù)R2為0.94(見圖1),反演平均相對誤差為17.5%.因此,應(yīng)用TSMI指數(shù)的對數(shù)模型能夠有效反演鄱陽湖水體TSM濃度,滿足內(nèi)陸二類渾濁水體水色要素遙感反演需求.3分析過程應(yīng)用2008年9月～2011年12月共151景HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD影像反演得到TSM濃度產(chǎn)品,分析近年來鄱陽湖TSM濃度的時空變化規(guī)律.由于受HJ-1A/1B衛(wèi)星在軌測試工作的影響,研究區(qū)域無2009年2月、3月的CCD影像,為了減小年平均統(tǒng)計結(jié)果的誤差,2009年2、3月的數(shù)據(jù)采用3年月平均代替.3.1湖、湖日變率特征日變率為前后兩個時相的TSM濃度之差與兩景影像以d為單位的時間之差的比值.如表1所示的鄱陽湖南北湖日變率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果,TSM濃度日變率最大值北湖為17.19mg/L,南湖為12.95mg/L,日變率TSM濃度最小值北湖為0.14mg/L,南湖為0.005mg/L,從鄱陽湖2008年至2011年日變率數(shù)據(jù)平均值結(jié)果看,北湖為5.66mg/L,南湖為3.01mg/L.日變率北湖具有明顯高于南湖的特征,從151景CCD影像的日變率統(tǒng)計結(jié)果看,北湖TSM濃度平均日變率約在0～17mg/L之間,南湖大約在0～12mg/L之間.北湖在豐水期的8月和枯水期的12月日變率出現(xiàn)極大值,而南湖在豐水期的8月日變率出現(xiàn)極大值,結(jié)果顯示8月北湖TSM濃度日變率高于南湖.日變率數(shù)據(jù)能夠表征鄱陽湖日平均TSM濃度數(shù)值變化狀況,枯水期日變率出現(xiàn)極大值的主要原因是枯水期水位較低、水體面積小、水體流速降低,湖區(qū)換水周期增長;另一個原因是航運(yùn)船只對水體的擾動,以及其他人為活動的干擾影響.在豐水期也可能出現(xiàn)部分區(qū)域空間分布上出現(xiàn)日變率極大值情況,結(jié)合外業(yè)實(shí)地調(diào)查經(jīng)驗(yàn),針對同一湖區(qū)前后兩日水體采樣的TSM濃度數(shù)值差異有超過50mg/L的觀測站位,但是對于南北湖兩個湖區(qū)空間分布的平均TSM濃度統(tǒng)計結(jié)果影響不大.因此,綜合考慮南北湖TSM濃度的日變率差異能夠客觀反映整個湖區(qū)的TSM濃度變化狀況和南北湖的差異特征.3.2水質(zhì)變化趨勢對2008年～2011年近4年的TSM濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析,時間序列HJ-1A/1BCCD影像月平均TSM濃度反演結(jié)果能夠客觀反映鄱陽湖南北湖TSM濃度的時空分布狀況.如圖2所示各月月平均TSM,在月變化尺度上鄱陽湖TSM濃度較高的月份主要集中在枯水期的10月至來年3月,枯水期的11月、12月和來年的1月TSM濃度較高.2月至3月,進(jìn)入春季,隨著降雨量的增加,湖區(qū)水量逐漸增多,湖區(qū)TSM濃度逐漸降低.4月鄱陽湖進(jìn)入豐水期,近3年中月平均TSM濃度極高值為2010年3月、4月,對比分析影像水面積和水文監(jiān)測數(shù)據(jù),2010年3月、4月鄱陽湖水位上升較快,水面積迅速增加,湖區(qū)水量增加的同時,受上游來水來沙的影響,TSM濃度呈現(xiàn)較高值.7月、8月為鄱陽湖豐水期,一般是水位、水面積最大值月份,分析2008年至2011年4年7、8月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,月平均TSM濃度有逐年增加的趨勢.9月、10月為豐-枯水期轉(zhuǎn)換月份,水位水面積逐漸減小,水體TSM濃度增加.如表2所示對南北湖區(qū)內(nèi)近4年月平均TSM濃度進(jìn)行統(tǒng)計分析,月平均TSM濃度最大值/最小值之比變化最大的區(qū)域出現(xiàn)在北湖,2011年9月比2008年9月的TSM濃度高出20.4倍,而對比分析南湖,2011年9月比2008年的9月的TSM濃度月平均僅高出4.72倍數(shù),結(jié)合2008年和2011年的現(xiàn)場調(diào)查情況看,主要原因是2008年鄱陽湖禁止采砂,湖區(qū)水體相對較清澈,而2011年鄱陽湖松門山島附近聚集有大量的采砂船,采砂活動直接影響了鄱陽湖北湖TSM濃度.圖2和表2給出近4年來鄱陽湖南北湖月平均TSM濃度統(tǒng)計結(jié)果,TSM月平均高值出現(xiàn)在枯水期11月、12月和來年的1月;低值出現(xiàn)在豐水期4月～9月,南北湖TSM濃度總體變化比較規(guī)律.總體概括1月至7月TSM濃度呈現(xiàn)降低的趨勢,7月最低;7月至12月TSM濃度呈現(xiàn)增加的趨勢.對比分析南北湖月平均TSM濃度差異特征,北湖明顯高于南湖.結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果看,從2009年～2011年北湖TSM濃度升高與近年來鄱陽湖松門山島附近的采砂活動有關(guān),采砂活動日益頻繁,是造成鄱陽湖北湖TSM濃度持續(xù)升高的主要原因.3.3研究u2005根據(jù)鄱陽湖典型的地理位置特征,湖水經(jīng)松門山島至湖口的過江水道注入長江,雖然存在長江倒灌的情況,但在年際尺度上TSM濃度變化不大.結(jié)合表3和圖3分析,2009至2011年的3年中年平均TSM濃度南湖分別為23.40mg/L、31.50mg/L、33.28mg/L;北湖分別為37.96mg/L、50.57mg/L、74.54mg/L.南湖年平均TSM濃度2010年、2011年比2009年略有上升,但2010年、2011年兩年相比差異較小,北湖從2009年到2011年年平均TSM濃度呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢.結(jié)合圖4,3年平均年和年平均TSM濃度時空分布分析,南湖TSM濃度年際變化不大,而北湖持續(xù)增加.分析主要原因是鄱陽湖近年采砂活動日益頻繁,且采砂區(qū)有從松門山島向南移動的趨勢,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料,松門山島附近2008年因鄱陽湖禁止采砂而無采砂船,從2009年到2011年鄱陽湖采砂船數(shù)量持續(xù)增加和采砂區(qū)范圍擴(kuò)大,結(jié)合圖4鄱陽湖南北湖年平均TSM濃度空間分布分析,松門山島以北的北湖整體呈現(xiàn)年平均TSM高濃度特征,受采砂活動干擾影響較大,因此制定合理的