基于環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的洞庭湖葉綠素a濃度反演

湯 健，薛 云，劉劍鋒，文殿軍

(1.南華大學土木工程學院，湖南衡陽 421001；2.廣東省肇慶市國土資源局高要分局，廣東肇慶 526100；3.湖南城市學院，湖南益陽 413000;4.湖南省桃江縣石牛江聯(lián)校，湖南益陽 413400)

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基于環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的洞庭湖葉綠素a濃度反演

湯 健1，2，薛 云3*，劉劍鋒4，文殿軍4

(1.南華大學土木工程學院，湖南衡陽 421001；2.廣東省肇慶市國土資源局高要分局，廣東肇慶 526100；3.湖南城市學院，湖南益陽 413000;4.湖南省桃江縣石牛江聯(lián)校，湖南益陽 413400)

通過星地同步地面試驗，建立起洞庭湖水體的葉綠素a濃度遙感反演模型，運用2011年4月～2012年4月的多期環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)，對洞庭湖葉綠素a濃度進行動態(tài)監(jiān)測和分析。結(jié)果表明：環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)第三通道(HJ3)反射率與第二通道(HJ2)和第四通道(HJ4)反射率之和的比值與洞庭湖水體葉綠素濃度具有較高的相關性，從而構(gòu)建基于環(huán)境一號衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的洞庭湖葉綠素a濃度反演模型；采用多期環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)對洞庭湖的葉綠素a濃度進行了連續(xù)監(jiān)測，較好地反映了洞庭湖葉綠素a的時空分布變化。

葉綠素a；環(huán)境一號衛(wèi)星；洞庭湖

目前，我國內(nèi)陸江河湖泊水質(zhì)監(jiān)測和分析主要依賴于高精度的儀器進行周期性的濕地監(jiān)測以及實驗室分析。這種監(jiān)測方法耗費人力、物力，受氣候和水文條件的限制，難以長時間跟蹤監(jiān)測，且較少數(shù)據(jù)點難以反映湖泊的整體分布狀況[1]。遙感技術(shù)為長期、快速地監(jiān)測水體環(huán)境提供了一種有效的方式，同時大范圍的觀測還彌補了觀測樣點的不足，因而在葉綠素a(Chl-a)定量估算和動態(tài)監(jiān)測中具有明顯的優(yōu)越性[2]。目前，多種遙感數(shù)據(jù)(如Landsat MSS、TM、SPOT、MODIS、IRS-1C、NOAA/AVHRR)和各種航空高光譜數(shù)據(jù)(如AVIRIS、CASI、AISA及CIS)廣泛地應用于水質(zhì)遙感監(jiān)測研究。環(huán)境一號衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星，主要用于對生態(tài)破壞、環(huán)境污染和災害進行大范圍、全天候、全天時動態(tài)監(jiān)測。環(huán)境一號衛(wèi)星的CCD相機共分4個譜段，空間分辨率為30 m，幅寬360 km，重訪天數(shù)為4 d[3]。筆者利用環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合地面同步觀測數(shù)據(jù)，建立Chl-a濃度反演模型，研究洞庭湖Chl-a濃度變化特征，以期為洞庭湖富營養(yǎng)化的修復和管理提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

洞庭湖是我國第二大淡水湖，跨湖南、湖北2省，是長江中游重要吞吐湖泊。地理坐標為111°40′～113°10′ E、28°30′～29°31′ N，是全球重要濕地。近年來，洞庭湖地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，來自各方面的污染，如工業(yè)污染、城鎮(zhèn)生活污染、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖及船舶污染，對洞庭湖生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅。其中，工業(yè)污染、生活污染及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染是主要污染源。在某些季節(jié)，污染使東洞庭湖處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，南洞庭湖和西洞庭湖處于中營養(yǎng)化狀態(tài)，甚至局部地區(qū)出現(xiàn)“水華”現(xiàn)象。

2　數(shù)據(jù)來源與處理

選擇天氣晴朗、少云的2012年4月1～2日，對洞庭湖進行野外地面試驗。在洞庭湖均勻布設91個采樣點，在各采樣點野外實地采集水樣帶回實驗室分析，獲取Chl-a濃度等水質(zhì)數(shù)據(jù)。

選用2012年4月1日HJ-1A的CCD數(shù)據(jù)二級產(chǎn)品作為遙感數(shù)據(jù)源，經(jīng)過空間配準的1∶5萬地形圖為參考圖像，進行輻射定標、幾何校正、大氣校正、反射率轉(zhuǎn)換、云層與水草區(qū)的剔除等預處理工作后，利用歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)提取洞庭湖水體。

3　洞庭湖Chl-a濃度反演

針對Chl-a濃度對比分析了39個單波段、波段比值和多波段組合算法，并對這些算法的線性模型、指數(shù)模型、對數(shù)模型和二次方程模型進行了對比分析[4-5]，得出環(huán)境衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)第三通道(HJ3)反射率與第二通道(HJ2)和第四通道(HJ4)反射率之和的比值與洞庭湖水體葉綠素濃度具有較高的相關性，從而構(gòu)建基于環(huán)境一號衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的洞庭湖Chl-a反演模型：

Chl-a=-164.46M+134.78(R2=0.849 2)

(1)

M=HJ3/(HJ2+HJ4)

(2)

根據(jù)Chl-a濃度反演模型，結(jié)合6景環(huán)境一號衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)，對2011年4月～2012年4月的洞庭湖Chl-a濃度進行反演，結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，洞庭湖葉綠素濃度總體較低且變化不大，最大濃度為11.82 mg/m3?？傮w上7～9月濃度較高，而其他月份濃度較低。從空間上看，東洞庭湖葉綠素濃度較其他地區(qū)偏高。

圖1　2011年4月～2012年4月6景洞庭湖葉綠素a濃度空間分布Fig.1　Spatial distribution of chlorophyll a concentration in Dongting Lake from April 2011 to April 2012

4　結(jié)論

基于星地同步地面試驗，對洞庭湖葉綠素a濃度進行動態(tài)監(jiān)測和分析，結(jié)果表明，環(huán)境衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)第三通道(HJ3)反射率與第二通道(HJ2)和第四通道(HJ4)反射率之和的比值與洞庭湖水體葉綠素濃度具有較高的相關性，從而構(gòu)建基于環(huán)境一號衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的洞庭湖Chl-a反演模型。采用2011年4月～2012年4月的環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)對洞庭湖的葉綠素a濃度進行了連續(xù)監(jiān)測，較好地反映了洞庭湖葉綠素a的時空分布變化，驗證了該模型的實用性。

[1] 陳靜，吳傳慶，申維，等.基于環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的巢湖葉綠素a的動態(tài)監(jiān)測[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28(1)：116-119.

[2] 曠達，韓秀珍，劉翔，等.基于環(huán)境一號衛(wèi)星的太湖葉綠素a濃度提取[J].中國環(huán)境科學，2010，3(9)：1268-1273.

[3] 王橋，楊煜，吳傳慶.環(huán)境減災-1A衛(wèi)星超光譜數(shù)據(jù)反演葉綠素a濃度的模型研究[J].航天器工程，2009，18(6)：133-137.

[4] 曲偉，路京選，李琳，等.環(huán)境減災小衛(wèi)星影像水體和濕地自動提取方法研究[J].遙感信息，2011，4(6)：28-33.

[5] 薛云，趙運林，張維，等.基于環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的洞庭湖夏季富營養(yǎng)狀態(tài)評價[J].環(huán)境科學學報，2014，34(10)：2534-2539.

Quantitative Estimation of Chlorophyll-a Concentration in Dongting Lake Based on HJ-1 Satellite Images

TANG Jian1,2, XUE Yun3*, LIU Jian-feng4et al

(1. School of Civil Engineering, Nanhua University, Hengyang, Hunan 421001; 2. Zhaoqing Land Resource Bureau, Zhaoqing, Guangdong 526100; 3. Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000; 4. The Associated School of Shiniujiang Town of Taojiang County, Taojiang, Hunan 413400)

Chlorophyll-a concentration remote sensing inversion model was built through satellite-ground synchronization ground test. Chlorophyll-a concentration in Dongting Lake was dynamically monitored and evaluated using HJ-1 CCD data from April 2011 to April 2012. The results showed that HJ3/(HJ2+HJ4) of HJ-1 satellite CCD data had relatively high correlation with chlorophyll concentration in water body of Dongting Lake, so as to construct the inverse model of chlorophyll a concentration of Dongting Lake based on HJ-1 satellite multi-spectrum data. Chlorophyll a concentration was continuously monitored by multi-phase HJ-1 satellite CCD data, which reflected the spatial and temporal distribution variation of chlorophyll a in Dongting Lake.

Chlorophyll a; HJ-1 satellite; Dongting Lake

湖南省自然科學基金項目(13JJ6073);湖南省教育廳開放基金項目(15K021)。

湯健(1986- )，男，湖南益陽人，工程師，在讀碩士，從事國土資源管理研究。*通訊作者，副教授，博士，從事GIS與RS應用研究。

2016-08-09

S 127

A

0517-6611(2016)27-0212-02