基于FUI模型的柬埔寨洞里薩湖水體顏色研究

許 楊，王 野，陸建忠*，馮 煉

(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；2.南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

伴隨著人口增長而日益加劇的人類活動和全球變暖帶來的氣候變化，地球資源被過度消耗，生態(tài)環(huán)境也遭受到嚴峻的挑戰(zhàn)，影響著全球生物的生存和發(fā)展[1-2].水環(huán)境是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，但近年來觀察到很多水環(huán)境受到威脅的案例，如海洋溢油對沼澤的破壞、反復(fù)出現(xiàn)的大西洋馬尾藻帶等[3-4].從19世紀70年代海岸帶水色掃描儀CZCS發(fā)射以來，人類可以利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)更加宏觀地監(jiān)測海岸帶水體[5-6].隨著寬視場水色掃描儀SeaWiFS、MODIS的相繼發(fā)射，因其在大范圍監(jiān)測水體環(huán)境的基礎(chǔ)上，還能夠更高精度地獲取水體信息，可為全球湖泊、海岸帶和海洋的水環(huán)境研究帶來了新的機遇[7-11].SeaWiFS、MODIS等水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)在反演葉綠素濃度、總懸浮物濃度、透明度、溶解有機碳等參數(shù)方面的潛力也已經(jīng)得到了有力的證明[12-15].2002年起中國相繼發(fā)射了海洋水色系列衛(wèi)星，其在水色、水溫等海洋要素的反演及海岸帶監(jiān)測領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用前景[16-18].因此，在研究各類水體的水色要素和水質(zhì)狀態(tài)時存在著大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源可供選擇，而具有更長觀測歷史的水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以挖掘出豐富的時空變化信息，能夠為水環(huán)境的監(jiān)測、治理和預(yù)報提供了更多的便利和應(yīng)用價值.

已有大量的研究聚焦于使用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來監(jiān)測各類水環(huán)境要素，尤其以水色三要素(葉綠素濃度、總懸浮物濃度、黃色溶解有機物濃度)、固有光學(xué)量(吸收系數(shù)、散射系數(shù)、衰減系數(shù)等)、水華、富營養(yǎng)化程度等居多[8，19-25].近年來新提出了一種基于多光譜的傳感器數(shù)據(jù)計算的水體顏色指數(shù)FUI，它是在國際照明委員會(CIE)色度系統(tǒng)定義的，源自海洋學(xué)中Forel-Ule (FU)觀測.FUI用于刻畫水體的顏色信息，并反映水質(zhì)的綜合狀態(tài)[26].在色度空間定義的FUI不依賴于單一波段的信號響應(yīng)，相比于水體光學(xué)成分的反演精度在其他組分濃度較高時會受限，水體顏色計算的不確定性可以被顯著減小，使得FUI在水質(zhì)狀態(tài)的綜合理解方面有著很好的應(yīng)用前景[27].目前的研究已經(jīng)證明了FUI與葉綠素濃度、水體富營養(yǎng)化程度、固有光學(xué)量等參數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，大大降低了獲取該類參數(shù)實測數(shù)據(jù)的成本[27-29].此外，海洋學(xué)領(lǐng)域中FU觀測已經(jīng)積累了上百年的歷史數(shù)據(jù)，這為追溯水體光學(xué)參數(shù)的歷史變化也帶來了巨大的應(yīng)用潛力[29].

洞里薩湖(Tonle Sap Lake)是東南亞最大的通河湖泊，是湄公河天然的蓄水池，對于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和維持漁業(yè)資源等方面有著重要的意義.但是由于上游的建壩蓄水、濫砍濫伐和污染破壞，洞里薩湖的面積有減小趨勢，水質(zhì)狀況堪憂[30].目前利用遙感數(shù)據(jù)針對洞里薩湖面積變化、湄公河三角洲的演變和洪峰強度等方面的研究已經(jīng)有了大量進展[30-33].而對于洞里薩湖水色參數(shù)的研究多集中于總懸浮物濃度的反演及河湖交換的分析[32-35].因此，本研究將利用FUI模型來研究洞里薩湖水體顏色的時空分布，以期深入探究該湖泊水質(zhì)綜合狀態(tài)及富營養(yǎng)化程度的變化規(guī)律，為洞里薩湖水環(huán)境的監(jiān)測和治理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

洞里薩湖(Tonle Sap Lake)位于柬埔寨境內(nèi)的北部(11°53′～14°08′N，102°30′～105°29′E)，是東南亞最大的淡水湖泊.洞里薩湖在湄公河流域的下游，由洞里薩河與湄公河連通，其同湄公河的水流流向會出現(xiàn)季節(jié)性逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，屬于季節(jié)性淹沒的湖泊，具體位置及流域分布見圖1.洞里薩湖屬于熱帶季風(fēng)氣候，旱季在11月～5月，雨季在6月～10月[36].湖泊的面積和水量在一年之中會有明顯變化，在旱季結(jié)束時，其面積和水量僅有2 500 km2和1 km3；而在9月和10月初，當(dāng)湄公河水位達到最大值，西南季風(fēng)降水也到達峰值時，洞里薩湖的面積和水量可分別達到16 000 km2和80 km3.近年來，由于全球變暖導(dǎo)致的氣候變化及該區(qū)域人口增長帶來的人類活動的影響，水體范圍呈顯著減小趨勢，同時洞里薩湖的泥沙量增加，水質(zhì)顯著下降[30，37-39].

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究使用的數(shù)據(jù)是搭載在Terra衛(wèi)星平臺上的MODIS傳感器三級數(shù)據(jù)——地表反射率產(chǎn)品MOD09A1(第六版)，數(shù)據(jù)來源于美國國家航空和航天局(NASA) (https://ladsweb.nascom.nasa.gov/).該數(shù)據(jù)是8 d合成的，空間分辨率是500 m×500 m，包括7個光譜波段，分別是藍、綠、紅、近紅外和三個短波紅外波段.在低級別數(shù)據(jù)通過大氣校正，去除了氣體、氣溶膠和瑞利散射的影響后，還經(jīng)過了嚴格的云和云陰影、氣溶膠、觀測角和藍波段數(shù)值最小等篩選準則，最終每一幅影像都代表了該區(qū)域八天內(nèi)的最佳觀測影像[40].本研究共下載了866景2000年-2018年間覆蓋洞里薩湖的影像數(shù)據(jù).為了更加精確地刻畫洞里薩湖的信息，在預(yù)處理階段使用了MODIS重投影工具MRT，將所有的數(shù)據(jù)進行了重投影、裁剪.而后經(jīng)過湖區(qū)范圍內(nèi)的去云篩選，共余下574景有效數(shù)據(jù).

圖1 研究區(qū)Fig.1 Study area

2 研究方法

本文擬采用王勝蕾等人提出的水體顏色指數(shù)FUI計算過程中的中間量α角，來研究洞里薩湖水色的時空變化[28].FUI指數(shù)是基于國際照明委員會CIE色度系統(tǒng)定義的，F(xiàn)UI取值1～21的離散值，能夠?qū)崿F(xiàn)從藍色到棕色水體的全覆蓋.而相應(yīng)的色調(diào)角取36.64°～250.85°之間的連續(xù)值，能夠更加精細地刻畫水色及其變化，避免水體顏色及其變化的信息被壓縮.

在使用MOD09A1產(chǎn)品計算色調(diào)角之前，需要應(yīng)用一個簡單的波段裁剪法來消除MOD09產(chǎn)品的噪聲，并轉(zhuǎn)為遙感反射率Rrs數(shù)據(jù)[41].接著使用紅、綠、藍波段的Rrs來計算CIE系統(tǒng)下的(X，Y，Z)坐標，轉(zhuǎn)換公式為[42-43]：

X=2.768 9R+1.751 7G+1.130 2B，
Y=1.000 0R+4.590 7G+0.060 1B，
Z=0.000 0R+0.056 5G+5.593 4B.

(1)

再將新坐標歸一化至0～1之間的值(x，y)，并使用公式(2)將其轉(zhuǎn)換到圖2所示的CIE色度圖中[28].

(2)

此時，(x′，y′)處的向量和x′負軸之間的夾角定義為α角(以下簡稱色調(diào)角)，取值范圍在0～360°.為了消除人眼感受到的真實色彩和傳感器波段設(shè)置得到的顏色之間的誤差，對色調(diào)角進行一個系統(tǒng)誤差Δ校正.校正公式(3)如下：

Δ=-1.818 5×b5-62.164×b4+320.49×b3-

510.97×b2+306.32×b-50.343，R2=0.95,

(3)

其中，b=α/100.該公式是由輻射傳輸數(shù)值模型Hydrolight模擬的高光譜Rrs和MODIS等效波段之間建立的多項式模型，可以消除波段設(shè)置帶來的誤差[44].應(yīng)用系統(tǒng)誤差校正后，色調(diào)角可以重新定位到圖2[28]中的位置，用于反映不同的顏色，而21個級別的水體顏色指數(shù)FUI是基于色調(diào)角而分段映射得到[43].考慮到FUI的取值范圍(1～21)，進行系統(tǒng)誤差Δ校正后的色調(diào)角有效值范圍為36.64°～250.85°.

圖2 FUI色調(diào)角及其在CIE色度圖中的位置[28]Fig.2 The angle α and FUI shown in the CIE chromaticity diagram[28]

使用基于FUI的富營養(yǎng)化狀態(tài)評估算法[28]，可以進一步研究多年來洞里薩湖富營養(yǎng)化程度的變化.該算法是根據(jù)Hydrolight仿真數(shù)據(jù)集與全球分布的實測數(shù)據(jù)集建立的，將水體分別歸類于1) “貧營養(yǎng)”狀態(tài)(1≤FUI<7)；2) “中營養(yǎng)”狀態(tài)(7≤FUI<10，Rrs_645≤0.006 25)；3) “富營養(yǎng)”狀態(tài)(10≤FUI<21，Rrs_645>0.006 25)[28].

此外，本研究還使用了歸一化植被指數(shù)NDVI和歸一化水體指數(shù)NDWI相結(jié)合的閾值法提取洞里薩湖的水面范圍[20]，并將淹沒頻率大于80%的區(qū)域定義為常態(tài)湖區(qū)范圍.使用該范圍對所有色調(diào)角影像做掩膜.水面提取的具體步驟如下：1) 利用人機交互式圖形用戶界面GUI加載每景8 d反射率多波段影像，并且在GUI中生成相對應(yīng)的NDVI (NDWI)和RGB真彩色圖像，獲取NDVI (NDWI)直方圖，將兩個峰的谷值作為初始閾值(Ti)；2) 通過初始閾值，獲取水陸邊界，將其疊加顯示在RGB或NDVI(NDWI)圖像上，如果邊界與NDVI(NDWI)圖像中的像素很好的吻合，則將Ti作為該副影像的最佳閾值.反之，手動調(diào)整Ti，直到獲取最佳閾值和對應(yīng)最佳水面提取范圍[20].

如圖3所示，以2001年2月18日影像為例，圖3(a)～3(d)圖依次是MOD09A1地表反射率產(chǎn)品合成的RGB影像、色調(diào)角影像、FUI影像和表征富營養(yǎng)化程度影像的示意圖.該日的色調(diào)角取值范圍在97.35°～228.64°，F(xiàn)UI取值范圍為5～16，湖中兼有三種富營養(yǎng)化程度的水體.之后對每個月內(nèi)的色調(diào)角、水體范圍、FUI和Rrs_645數(shù)據(jù)分別計算一張中值圖；再逐級統(tǒng)計該范圍內(nèi)季均、年均的色調(diào)角、面積和不同營養(yǎng)狀態(tài)評級的面積比.

圖3 研究區(qū)影像處理結(jié)果示意圖(以2001年2月18日為例)Fig.3 Schematic diagram of image processing results in the study area (Take February 18，2001 as an example)

3 結(jié)果與分析

3.1 色調(diào)角的年際變化

本研究首先對色調(diào)角的年際變化進行了統(tǒng)計.如圖4(a)所示，每個點即是色調(diào)角年均值，誤差線表示該年色調(diào)角月均值的兩倍標準差.19年間的色調(diào)角總均值是215.58°，F(xiàn)UI均值是14，即洞里薩湖的水體顏色一般處于從綠色到黃色的過渡色.通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在2000年～2018年間，洞里薩湖色調(diào)角年際變化存在波動，整體上有略微下降的趨勢，但不顯著.其中，灰色方框中突出顯示的2014年-2016年間的誤差線，相比于前些年，明顯變短.以上數(shù)據(jù)表明19年來洞里薩湖的色調(diào)角存在不顯著的減小趨勢，且2014年-2016年間各月水體顏色差異明顯減小.Lin等人的研究表明洞里薩湖開闊水域面積的水文周期減小并呈現(xiàn)下降趨勢，且季節(jié)性變化減弱.這些變化主要受到整個湄公河流域的水利大壩建設(shè)和相關(guān)農(nóng)業(yè)灌溉的影響，而同期的氣候影響關(guān)系不大[30].洞里薩湖面積的這一變化規(guī)律與本研究中色調(diào)角的年際變化趨勢一致，因此本文將進一步探索色調(diào)角與面積的相關(guān)關(guān)系.

圖4 2000年-2018年間色調(diào)角均值的變化趨勢及與面積均值相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計分析Fig.4 Time trend of the average angle α from 2000 to 2018 and statistical analysis ofaverage angle α and average area

3.2 色調(diào)角的季節(jié)變化及與面積的關(guān)系

考慮到洞里薩流域雨季(6月～10月)、旱季(11月～5月)的典型劃分，本研究分別統(tǒng)計了色調(diào)角月均值和面積月均值的時間趨勢和相關(guān)關(guān)系，并進行了顯著性檢驗，著重比較雨季、旱季不同月份的表現(xiàn).圖4(b)～(c)的結(jié)果表明，1) 2000年～2018年間洞里薩湖的色調(diào)角均值在不同的月份變化趨勢不一致，旱季和雨季(藍色背景)的月份均有呈現(xiàn)減小和增加趨勢，但是由于云遮擋等原因，部分年份缺失有效月均值，呈現(xiàn)出的趨勢并不完整.2) 面積均值在12個月均呈現(xiàn)為逐年下降的趨勢，不同月份的色調(diào)角與面積表現(xiàn)出的相關(guān)關(guān)系正負不一致，旱季和雨季的月份均存在正相關(guān)和負相關(guān)關(guān)系.其中，處于旱季的12月達到最大的負相關(guān)關(guān)系(R=-0.86).處于雨季的6月達到最大的正相關(guān)關(guān)系(R=0.72).3) 色調(diào)角與面積相關(guān)關(guān)系的顯著性檢驗結(jié)果顯示，旱季和雨季均有4個月份的相關(guān)關(guān)系達到顯著水平.2月、3月和8月處于顯著水平(P<0.05)，而6月～7月、10月～12月的相關(guān)關(guān)系可被認為是非常顯著的(P<0.01).所以無論洞里薩湖處于旱季還是雨季，多數(shù)月份的水體顏色變化很大程度上可以由面積變化來解釋.

3.3 雨季、旱季典型月份的色調(diào)角變化率

在多數(shù)月份的色調(diào)角與面積呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系的背景下，研究選取了6月(雨季)、12月(旱季)這兩個代表月份，進一步分析了2000年-2018年間洞里薩湖色調(diào)角或水體顏色的變化率及空間分布.圖5(a)～(b)雨季代表月份的結(jié)果顯示，湖中大部分區(qū)域的色調(diào)角在6月呈現(xiàn)出逐年減小或不變的趨勢，少部分區(qū)域呈現(xiàn)增加的趨勢.變化率被評定為顯著和非常顯著水平的區(qū)域集中于洞里薩湖北湖的湖中心偏東區(qū)域和南部的西岸，在6月這兩個區(qū)域的色調(diào)角均呈現(xiàn)逐年減小的趨勢.

圖5 2000年-2018年色調(diào)角在雨季、旱季代表月份的變化率Fig.5 Change ratio of the hue angle in the representative months of rainy season and dry season from 2000 to 2018

圖5(c)～(d)旱季代表月份的結(jié)果顯示，湖中大部分區(qū)域的色調(diào)角在12月呈現(xiàn)逐年增加或不變的趨勢，僅在洞里薩湖北湖的西岸沿線和南湖東岸的小部分區(qū)域，存在逐漸減小的趨勢.面積相對更小的南湖基本都處于色調(diào)角逐年增加的趨勢，且增加幅度高于北湖.12月份的顯著性檢驗結(jié)果表明，逐年變化較強的區(qū)域多集中于北湖的岸邊和南湖近岸區(qū)域.

總體上，在雨季的代表月份6月，洞里薩湖的色調(diào)角在大部分區(qū)域呈現(xiàn)出逐年減小的趨勢；在旱季的代表月份12月，大部分區(qū)域的色調(diào)角則呈現(xiàn)相反的逐年增加趨勢，且整體上逐年變化的幅度明顯高于6月.無論在6月還是12月，色調(diào)角的變化率處于顯著水平的面積較小，湖中大部分位置的逐年變化趨勢并不顯著.

3.4 雨季、旱季典型月份的各營養(yǎng)狀態(tài)面積比

洞里薩湖存在著富營養(yǎng)化的問題，水質(zhì)狀態(tài)處于中等至較差水平，具有高營養(yǎng)程度和高固體顆粒物濃度的特點[45-47].本研究使用基于FUI的富營養(yǎng)化狀態(tài)評估算法，獲取了洞里薩湖2000年-2018年間不同營養(yǎng)狀態(tài)的年均評級和各月評級.結(jié)果顯示，各年年均評級均處于“富營養(yǎng)”狀態(tài)，不同月份的營養(yǎng)狀態(tài)評級存在差異，但沒有統(tǒng)一特點.因此，本研究將著重關(guān)注6月和12月這兩個雨季、旱季的代表月份，將基于19年間各營養(yǎng)狀態(tài)所占面積比，分析洞里薩湖在這兩個月份的營養(yǎng)狀態(tài)評級及年度變化，得到如圖6所示的結(jié)果.2000年至2018年間，洞里薩湖在雨季的代表月份6月，平均有99.97%的湖區(qū)面積被評級為“富營養(yǎng)”狀態(tài)，其余被評級為“中營養(yǎng)”狀態(tài)；在旱季的代表月份12月，平均有0.21%和4.65%的湖區(qū)被評級為“貧營養(yǎng)”和“中營養(yǎng)”狀態(tài)，而被評級為“富營養(yǎng)”狀態(tài)的湖泊面積約占95.14%.

在旱季12月，除了2000年、2001年、2011年和2013年外，其余各年都有90%以上的湖區(qū)處于“富營養(yǎng)”狀態(tài).在上述四年的12月份，分別有13%、20%、13%和15%的湖區(qū)處于較低的營養(yǎng)狀態(tài)水平，即“中營養(yǎng)”和“貧營養(yǎng)”狀態(tài).現(xiàn)有研究中提及，2000年、2001年、2011年和2013年這四年的雨季洞里薩湖都發(fā)生了由于年降雨量異常導(dǎo)致的大洪水[48-49].此外，2002年該區(qū)域也發(fā)生了大洪水，但是該年洪水主導(dǎo)原因是上年的水位和水量較高[48].而本研究的結(jié)果顯示，發(fā)生過由降雨量異常導(dǎo)致的大洪水后，在旱季12月洞里薩湖的營養(yǎng)狀態(tài)似有明顯好轉(zhuǎn)的跡象，而其他年份的營養(yǎng)狀態(tài)均以“富營養(yǎng)”狀態(tài)為主.其他年份在旱季12月多以“富營養(yǎng)”狀態(tài)為主，并且近5年沒有明顯的變化趨勢，可見洞里薩湖在旱季的富營養(yǎng)化狀態(tài)穩(wěn)定且沒有好轉(zhuǎn).

圖6 2000年-2018年雨季、旱季代表月份不同營養(yǎng)狀態(tài)面積比的變化Fig.6 Changes in the area ratio of differenttrophic statesin the representative months of rainy season and dry season from 2000 to 2018

4 結(jié)論與展望

本研究使用2000年-2018年間的MOD09A1地表反射率數(shù)據(jù)，在水體顏色指數(shù)FUI模型的中間量色調(diào)角的基礎(chǔ)上，揭示了洞里薩湖在19年間水體顏色變化趨勢和規(guī)律，并在同等統(tǒng)計規(guī)則下，分析了色調(diào)角與面積之間的關(guān)系，以及色調(diào)角變化率的空間分布和富營養(yǎng)化狀態(tài)的評估.結(jié)果表明：1) 洞里薩湖在2000年-2018年間色調(diào)角呈現(xiàn)出下降的趨勢，但不顯著，湖泊的整體顏色由黃色向綠色轉(zhuǎn)變.2014年-2016年間水體顏色的月間差異明顯減小.2) 洞里薩湖各月的水體顏色變化趨勢不同，19年間有7個月的色調(diào)角與面積均值為正相關(guān)關(guān)系，其中5個月份的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)顯著水平；有5個月份的色調(diào)角與面積均值為負相關(guān)關(guān)系，其中3個月份呈現(xiàn)顯著水平，且這些月份在旱季、雨季均有分布.3) 就雨季、旱季的代表月份6月、12月的水體顏色變化率及空間分布而言，雨季6月的洞里薩湖以色調(diào)角逐年減小或不變的趨勢為主，即水體顏色逐年偏綠；旱季12月則相反，水體顏色有變黃趨勢，且變化幅度比雨季6月更加明顯.在這兩個月份中，湖中僅有少量位置處的水體顏色變化趨勢達到顯著水平，其空間分布也不統(tǒng)一.4) 19年間洞里薩湖在整體上呈現(xiàn)為“富營養(yǎng)”狀態(tài)，在雨季的代表月份6月，平均99.97%的湖區(qū)處于富營養(yǎng)化狀態(tài).由年降雨量異常導(dǎo)致的大洪水年份中(2000年/2001年/2011年/2013年)，約有15%的湖區(qū)在旱季12月降為“中營養(yǎng)”或“貧營養(yǎng)”狀態(tài).其余年份的洞里薩湖在12月以“富營養(yǎng)”狀態(tài)為主.

基于以上結(jié)論，本研究不僅能夠為衡量洞里薩湖水體顏色及富營養(yǎng)化狀態(tài)提供有效信息，并且可以在時間尺度上細化對其變化規(guī)律的研究.但是本文尚未涉及水體顏色變化規(guī)律的驅(qū)動因素分析，為了更加精確地量化人類活動和氣候變化對洞里薩湖的影響，未來的研究可關(guān)注驅(qū)動因素與水體顏色參數(shù)、富營養(yǎng)化狀態(tài)的關(guān)系.