基于MODIS影像的鄱陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)狀況研究

樂(lè)興華，樊哲文，方豫，劉木生，萬(wàn)美英，陳琦，黃國(guó)金，劉成林

（1.江西省開發(fā)治理委員會(huì)辦公室遙感新系統(tǒng)中心，南昌 330046；2.南昌大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南昌 330046）

1 引言

水資源是生態(tài)系統(tǒng)的血液，是地球環(huán)境中最重要和最有活力的因素。由于受到經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程以及其它人為活動(dòng)的影響，全球淡水資源日趨衰竭，湖泊、河流水體污染以及富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日益加重［1］。20世紀(jì)80年代鄱陽(yáng)湖Ⅰ、Ⅱ類水約占85%；2003年，Ⅰ、Ⅱ類水只占50%，水質(zhì)下降趨勢(shì)明顯加快。2007年鄱陽(yáng)湖Ⅰ～Ⅱ類水占15%，主要超標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)為總磷和氨氮，存在富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

湖泊營(yíng)養(yǎng)狀況是對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展過(guò)程中某一時(shí)刻營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的定量描述，通過(guò)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀況代表性指標(biāo)的調(diào)查，判斷湖泊的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)并制定相應(yīng)的對(duì)策措施。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了眾多的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法，如特征法、參數(shù)法、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、生物指標(biāo)評(píng)價(jià)法等［2～4］。其中，通過(guò)測(cè)定葉綠素a含量來(lái)表明水體中藻類存量，進(jìn)而評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)化狀況是目前湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)中最常用、最直接有效的方法。1977年，Carlsno提出了營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)（TSI），按照不同的數(shù)值范圍等級(jí)作為評(píng)價(jià)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。日本的相崎守弘等改進(jìn)了這一做法，采用以葉綠素濃度為基準(zhǔn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，即修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）［5］。

水體污染現(xiàn)象日益加重凸顯了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的緊迫性和嚴(yán)肅性。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)是在水域內(nèi)點(diǎn)定剖面采點(diǎn)，獲取的是典型區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不能獲取水域面狀數(shù)據(jù)。而遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)可以對(duì)大面積水域水質(zhì)情況實(shí)施定量分析，具有及時(shí)、動(dòng)態(tài)獲取水域面狀數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，從而為科學(xué)合理選擇和布設(shè)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供依據(jù)［6］。

論文以鄱陽(yáng)湖主湖體水域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用同步獲取的水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)、光譜測(cè)量數(shù)據(jù)和MODIS影像數(shù)據(jù)，來(lái)分析鄱陽(yáng)湖水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，獲取地表水質(zhì)反射率，并結(jié)合卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式，得到了基于遙感技術(shù)的TSI指數(shù)分布圖。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)獲取

三類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別為水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)、光譜數(shù)據(jù)、MODIS影像數(shù)據(jù)。

2.1 水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)

2.1.1 野外采樣方法

采樣時(shí)間為2009年9月16日～2009年9月18日，此時(shí)間為鄱陽(yáng)湖豐水期。采用點(diǎn)的選擇主要考慮的因素：1）空間代表性，能夠反映測(cè)量區(qū)水質(zhì)的整體特性；2）考慮衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間，以獲得水質(zhì)與衛(wèi)星同步數(shù)據(jù)；3）天氣狀況。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)與數(shù)據(jù)預(yù)處理

水樣在實(shí)驗(yàn)室分析方法以 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中推薦的方法為準(zhǔn)，主要分析葉綠素a。葉綠素a分析采用的是熱乙醇萃取分光度法。

2.2 光譜測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2.1 光譜測(cè)量設(shè)備與方法

水面光譜測(cè)量采用的儀器為由美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec襆3。光譜范圍：350-2500nm；最快采集速度：100ms；光譜分辨率：10nm；數(shù)據(jù)間隔：1nm；波長(zhǎng)精度：±1nm；波長(zhǎng)重復(fù)性：±0.02nm；重復(fù)性：優(yōu)于0.3%；雜散光：優(yōu)于0.1%；靈敏度：全自動(dòng)；重量：大約8.5公斤（含1.2公斤電池）。

測(cè)量方法參考了唐軍武［7］的水面以上光譜測(cè)量法。

圖1給出的是17號(hào)采樣點(diǎn)的DN值圖，從圖中可以看出信號(hào)最強(qiáng)的是天空光信號(hào)，其次是標(biāo)準(zhǔn)板信號(hào)，位于曲線圖的中間，最弱的是水體信號(hào)，說(shuō)明天空光對(duì)水體光譜信號(hào)的影響是比較大的。

圖1 天空灰板水面DN值對(duì)比圖

2.2.2 歸一化光譜數(shù)據(jù)

歸一化處理是利用水體在420～750nm波段范圍內(nèi)的平均反射率作為歸一化點(diǎn)值，各波長(zhǎng)的遙感反射率值除以歸一化點(diǎn)的反射率值，即是各波長(zhǎng)的歸一化反射率值。

2.3 MODIS影像數(shù)據(jù)

2.3.1 數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)NASA網(wǎng)站獲取同步MODIS衛(wèi)星影像。通過(guò)MODIS影像可以清楚地看到鄱陽(yáng)湖水域情況，由于分辨率較低，水生植被以及水質(zhì)參數(shù)等信息在圖像上看不出來(lái)。

圖2 MYD02HKM.A2009260.0520.005影像

圖3 MYD02QKM.A2009260.0520.005影像

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

下載后的MODIS影像數(shù)據(jù)按照以下步驟進(jìn)行處理。

圖4 MODIS數(shù)據(jù)處理流程圖

A.幾何糾正

采用等經(jīng)緯度投影：Geographic Lat/Lon，基準(zhǔn)面：WGS-84，結(jié)合MODIS 1B數(shù)據(jù)自帶信息由ENVI軟件完成。

B.輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)就是將記錄的原始DN值轉(zhuǎn)換為大氣外層表面反射率，消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差，有實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、星上定標(biāo)、場(chǎng)地定標(biāo)［8］等方法。 公式（2）就是將初始的DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度，公式（3）是將輻射亮度值轉(zhuǎn)換為大氣表觀反射率。

傳感器在工作正常的條件下，所獲取影像存在輻射誤差，這主要是由大氣等因素引起的［9］。一般而言，定量遙感是需要做遙感影像的大氣校正。

從最早的陸地衛(wèi)星圖像起，最普遍使用的大氣校正方法是假設(shè)大氣向下的散射率為0，利用公式（4）來(lái)校正。

本研究采用基于Chavez［10］提出的黑像元選擇方式上的黑像元大氣校正方法。

3 研究方法

3.1 基于MODIS數(shù)據(jù)的葉綠素a反演模型構(gòu)建

根據(jù)MODIS波段反射率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析結(jié)果，選取500m分辨率B2+B7波段反射率數(shù)據(jù)的來(lái)構(gòu)建葉綠素a的統(tǒng)計(jì)反演模型。取反射率數(shù)據(jù)為自變量，葉綠素a濃度為因變量，作線性、二次項(xiàng)、對(duì)數(shù)、三次項(xiàng)、指數(shù)、冪回歸分析。

3.2 卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)利用水體透葉綠素a濃度、明度以及總磷濃度三個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)都可以獨(dú)立用來(lái)評(píng)價(jià)水體的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。公式如下：

3.3 修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

3.4 湖泊水體營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

鄱陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)際通用的湖泊營(yíng)養(yǎng)化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)用0-100的連續(xù)指數(shù)對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行分級(jí)，而在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)越高，營(yíng)養(yǎng)程度越重（見(jiàn)表6.1）。

表6.1 湖泊水體營(yíng)養(yǎng)狀況劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)果與討論

4.1 基于MODIS數(shù)據(jù)的葉綠素a反演模型構(gòu)建結(jié)果

圖5 葉綠素a回歸擬合圖

表5.1 葉綠素a回歸方程描述表

4.2 鄱陽(yáng)湖的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式

結(jié)合卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式，得到了分別以葉綠素a為基準(zhǔn)的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)表達(dá)式，其中，x為葉綠素a在500m分辨率B2+B7波段組合反射率值。

結(jié)合修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式，得到了以葉綠素a為基準(zhǔn)的修正營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)表達(dá)式，其中，x為葉綠素a在500m分辨率B2+B7波段組合反射率值。

4.3 葉綠素a為基準(zhǔn)的TSI指數(shù)分布結(jié)果

圖6 以葉綠素a為基準(zhǔn)的TSI指數(shù)分布圖

圖7 以葉綠素a為基準(zhǔn)的TSIM指數(shù)分布圖

5 討論

本文以鄱陽(yáng)湖水體作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，在分析實(shí)測(cè)光譜與葉綠素a、懸浮物的相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析MODIS波段及波段組合反射率與水色參數(shù)的相關(guān)性，從而得到葉綠素a敏感波段及其組合。最后，得到了基于遙感技術(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀況指數(shù)模型。主要的結(jié)論如下：

（1）基于實(shí)測(cè)光譜，將歸一化的反射率數(shù)據(jù)與葉綠素a做相關(guān)分析。發(fā)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖豐水期葉綠素a在波長(zhǎng)440nm、585nm、675nm附近呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。

（2）對(duì)MODIS數(shù)據(jù)不同波段及波段組合與水質(zhì)參數(shù)的進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果顯示：葉綠素a的最佳遙感反演波段為500m分辨率的（B2+B7）組合。

（3）最后，采用卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算表達(dá)式，得到了基于遙感技術(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算表達(dá)式。以葉綠素a為基準(zhǔn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表達(dá)式較好地反映了鄱陽(yáng)湖水體葉綠素分布狀況。

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