鄱陽湖HJ－1A／1B衛(wèi)星CCD影像TSM 濃度時空變化分析

張 偉 ，陳曉玲，2＊ ，田禮喬 ，陸建忠 ，李 熙，張 媛

（1.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；2.江西師范大學 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，南昌 330022）

湖泊及其流域水環(huán)境問題一般比較復雜，生態(tài)系統(tǒng)和生物資源的變化與人類經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān)，近幾十年來，隨著全球人類活動的加劇，世界上很多湖泊面臨水質(zhì)下降和富營養(yǎng)化等一系列問題，嚴重影響了湖泊功能的可持續(xù)利用［1－3］.衛(wèi)星水色遙感具有大尺度周期性快速同步獲取水體信息的優(yōu)勢，可以有效監(jiān)測水體組分含量的時空動態(tài)分布變化，克服傳統(tǒng)地面監(jiān)測方法的不足.

水體總懸浮物（Total Suspended Matter，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)外許多學者針對水體總懸浮物濃度反演進行了大量的研究［4－9］.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，對保護湖泊及其流域水生態(tài)環(huán)境具有重要的實際意義和科學研究價值.

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 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

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［4］.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 （Laser In－Situ Scattering and Transmissomentry）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)量濃度進行體積－質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換［10］.

2 總懸浮物濃度遙感反演

2.1 總懸浮物指數(shù)

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［11］計算各波段瑞利散射校正后的反射率：

其中，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，本研究沒有進行嚴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［12］和FAI方法監(jiān)測水表浮游植物的經(jīng)驗［13］，提出了一種總懸浮物指數(shù)TSMI（Total Suspended Matter Index）方法進行總懸浮物反演［10］.該方法采用CCD 傳感器藍光通道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：

2.2 總懸浮物濃度反演模型

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 TSM 濃度時空變化分析

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.

圖1 總懸浮物濃度反演模型Fig.1 Total suspended matter concentration inversion model

3.1 日變化分析

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17.19 mg／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0.005 mg／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)實地調(diào)查經(jīng)驗，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.

表1 2008年～2011年鄱陽湖南北湖TSM 濃度日變率／（mg·L－1）Tab.1 The daily variation rate of total suspended matter concentration in Poyang North and South Lake from 2008to 2011

3.2 月變化分析

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.

圖2 鄱陽湖南北湖TSM 濃度月平均統(tǒng)計分析Fig.2 The TSM concentration average monthly statistics analysis in Poyang north and south lake

如表2所示對南北湖區(qū)內(nèi)近4年月平均TSM濃度進行統(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.

表2 鄱陽湖南北湖區(qū)總懸浮物濃度月平均統(tǒng)計值／（mg·L－1）Tab.2 The monthly average of TSM concentration in Poyang north and south lake／（mg·L－1）

3.3 年變化分析

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.

表3 鄱陽湖南北湖TSM 濃度最大、最小月及年平均Tab.3 The maximum，minimum month and annual TSM concentration in Poyang north and south lake

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，因此制定合理的采砂政策對保護鄱陽湖水生態(tài)環(huán)境具有重要的意義.

4 結(jié)語

圖3 鄱陽南北湖TSM 濃度年平均統(tǒng)計Fig.3 The annual TSM concentration statistics analysis in Poyang north and south lake

圖4 鄱陽湖2009年～2011年平均與平均年TSM 濃度時空分布Fig.4 The annual average and annual of TSM concentration distribution in Poyang Lake form 2009to 2011

本文采用2008年～2011年長時間序列HJ－1A／1B衛(wèi)星CCD 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析了鄱陽湖TSM濃度時空變化規(guī)律.從近4年的鄱陽湖南北湖區(qū)TSM 濃度時間尺度統(tǒng)計結(jié)果看，在鄱陽湖南湖水體TSM 濃度變化不大的情況下，北湖呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析，近年來北湖水體TSM 濃度持續(xù)增高的主要原因是松門山島附近采砂活動的影響.

［1］ILEC＆UNEP.World lake vision：a call to action，International Lake Environment Committee Foundation and United Nations Environment Programme［R］.Kusatsu，Japan，2003.

［2］馬榮華，唐軍武，段洪濤，等.湖泊水色遙感研究進展［J］.湖泊科學.2009（02）：143－158.

［3］潘德爐，馬榮華.湖泊水質(zhì)遙感的幾個關(guān)鍵問題［J］.湖泊科學.2008，20（2）：139－144.

［4］陳曉玲，吳忠宜，田禮喬，等.水體懸浮泥沙動態(tài)監(jiān)測的遙感反演模型對比分析——以鄱陽湖為例［J］.科技導報，2007，25（6）：19－22.

［5］Hu C M，Chen Z Q，Clayton T D，et al.Assessment of estuarine water－quality indicators using MODIS medium－resolution bands：initial results from Tampa Bay，F(xiàn)L［J］.Remote Sensing of Environment，2004，93，423－441.

［6］Min J E，Ryu J H，Lee S，et al.Monitoring of suspended sediment variation using Landsat and MODIS in the Saemangeum coastal area of Korea［J］.Marine Pollution Bulletin，2012，64：382－390.

［7］Miller R L，McKee B A.Using MODIS Terra 250mimagery to map concentrations of total suspended matter in coastal waters［J］.Remote Sensing of Environment，2004，93：259－266.

［8］Sipelgas L，Raudsepp U，K?uts T.Operational monitoring of suspended matter distribution using MODIS images and numerical modelling［J］.Advances in Space Research，2006，38：2182－2188.

［9］張 偉，陳曉玲，田禮喬，等.鄱陽湖HJ－1－A／B衛(wèi)星CCD 傳感器懸浮泥沙遙感監(jiān)測［J］.武漢大學學報：信息科學版，2010卷（12）：1466－1469.

［10］張 偉.基于HJ CCD 影像的鄱陽湖總懸浮物濃度反演與時空變化研究［D］，武漢：武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，2012.

［11］Gordon H R，Castano D J.Aerosol analysis with the Coastal Zone Color Scanner：a simple method for including multiple scattering effects［J］.Applied optics，1989，28（7），1320－1326.

［12］Gower J F R，Doerffer R，Borstad G A.Interpretation of the 685nm peak in water－leaving radiance spectra in terms of fluorescence，absorption and scattering，and its observation by MERIS［J］.International Journal of Remote Sensing，1999，20：1771－1786.

［13］Hu C M.A novel ocean color index to detect floating algae in the global oceans［J］.Remote Sensing of Environment，2009，113：2118－2129.