基于實測數(shù)據(jù)的鄱陽湖總氮、總磷遙感反演模型研究

劉 靜，況潤元，李建新，胡 敏

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

【研究意義】氮、磷等營養(yǎng)鹽在外源性輸入和內(nèi)源性疊加的相互作用下，以溶解態(tài)和顆粒態(tài)在水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生復(fù)雜的生物化學(xué)作用，當(dāng)水中營養(yǎng)鹽濃度超出湖泊承載力，會造成藻類植物大量繁殖，水質(zhì)惡化，形成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[1-2]。TP、TN等水質(zhì)參數(shù)作為湖泊水體生物生長和富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)[1]，在監(jiān)測湖泊水質(zhì)方面起到至關(guān)重要作用。研究表明我國大量湖泊均受到不同程度的富營養(yǎng)污染[3]。近年來鄱陽湖TN、TP濃度不斷上升，有向富營養(yǎng)化湖泊發(fā)展的趨勢[4]，因此，研究鄱陽湖TN、TP濃度變化對湖泊水質(zhì)監(jiān)測及治理有著重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前關(guān)于湖泊TN、TP監(jiān)測主要以傳統(tǒng)手段為主，采樣方式在人力、資源等方面上存在大量的局限性，遙感反演水質(zhì)監(jiān)測方法的出現(xiàn)在一定程度上降低了通過采樣點(diǎn)水質(zhì)濃度代替周圍水域水質(zhì)濃度而造成的誤差，有利于監(jiān)測大面積水域水質(zhì)狀況。據(jù)有關(guān)研究[5-6]表明，高光譜的某些波段輻射存在氮磷的微弱信號，通過氮磷的高光譜響應(yīng)分析，進(jìn)行了直接反演研究。也有學(xué)者嘗試將TN、TP與波段組合進(jìn)行相關(guān)性分析，建立基于遙感影像的TN、TP直接反演模型[7-9]。此外，盡管TN、TP光譜響應(yīng)機(jī)理不明確，從野外光譜信息中，難以找到氮、磷等水質(zhì)參數(shù)的光譜特征信息[5]，但是TN、TP與水質(zhì)參數(shù)之間存在一定的理化關(guān)系[10-12]，據(jù)TN、TP與水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性研究[1]，懸浮泥沙等參數(shù)也可作為估算TN、TP濃度的間接反演因子[12-13]。國內(nèi)外學(xué)者在湖泊TN、TP反演方面做了許多調(diào)查研究，但內(nèi)陸湖泊水質(zhì)參數(shù)關(guān)系復(fù)雜，TN、TP時空變化較大，并且受到湖底底質(zhì)、水動力條件、水位變化、季節(jié)特征、人類活動等因素影響。因此，反演模型的時空適用性受到限制，不同時空的水域反演模型各不相同[9,13]，要建立適應(yīng)性強(qiáng)的TN、TP反演模型還需要進(jìn)行大量調(diào)查，挖掘TN、TP與其他水質(zhì)參數(shù)和遙感反射率之間的關(guān)系，除此之外，直接模型與間接模型在同一湖區(qū)的適宜性也需要進(jìn)一步確定。【本研究切入點(diǎn)】本文研究分析實測數(shù)據(jù)TN、TP空間變化趨勢及與水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系和作用機(jī)制，確定遙感敏感水質(zhì)參數(shù)、波段及組合，通過比較直接模型與間接模型精度，構(gòu)建適合鄱陽湖的TN、TP反演模型。【擬解決的關(guān)鍵問題】以幫助有關(guān)部門進(jìn)行鄱陽湖水質(zhì)監(jiān)測保護(hù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖作為我國第一大淡水湖, 地處江西省北部，經(jīng)緯度坐標(biāo)為115°47′E～116°45′E，28°22′N～29°45′N[14]。湖體分屬九江市、上饒市、南昌市多個區(qū)縣，南部主湖區(qū)匯聚贛江、饒河等五大河流，北部湖區(qū)為入江通道，洪季水位上升，湖面廣闊，枯季湖水位下降，湖水成線，隨水位變化湖灘草洲淹沒或顯露[15]，使?jié)竦刭Y源表現(xiàn)出明顯季節(jié)特性，為水生動植物提供大量的生活棲息地。湖內(nèi)水體流向整體向北、局部區(qū)域受到地形、島嶼等影響呈流向多樣的特征。松門山、棠蔭等地采砂活動頻繁，工農(nóng)業(yè)、生活污水、地下水是鄱陽湖及其五大支流氮磷的主要來源[16]。

1.2 實驗數(shù)據(jù)獲取

實驗數(shù)據(jù)為2015年8月鄱陽湖水體測量光譜數(shù)據(jù)，同步采集水面水樣，參考水面以上測量法[17]進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理后計算實測反射率；并在室內(nèi)實驗室測量并計算各水質(zhì)參數(shù)濃度。懸浮泥沙濃度(SSC)通過過濾稱重法測定，葉綠素a(Chl-a)采用分光光度法測定其濃度，黃色物質(zhì)(CDOM)濃度用440 nm處吸收系數(shù)表示，TN、TP濃度采用過硫酸鹽消解法測定，測量過程嚴(yán)格按照湖泊水質(zhì)測量相關(guān)規(guī)范在實驗室進(jìn)行，剔除異常數(shù)據(jù)后有效水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計如表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 野外實測數(shù)據(jù)變化趨勢及其分布

野外實測數(shù)據(jù)變化趨勢及其分布見圖1～2，其中22～13段、13～1段均按照水流方排序。TN在湖區(qū)分布不均，各采樣點(diǎn)間波動較大，呈明顯鋸齒狀，其濃度范圍為0.2～2.8 mg/L，最高值、最低值分別位于8、16號點(diǎn)，次高值點(diǎn)為18號點(diǎn)；TP除8號點(diǎn)外，變化趨勢與TN相似，但較為平緩，動態(tài)范圍為0.16～0.51 mg/L，最高值、最低值分別位于8、12號，并在25號點(diǎn)達(dá)到次高值。

松門山-星子段為高流速水域[1]，8點(diǎn)TN、TP濃度為最大值，SSC也達(dá)到最大值0.147 g/L。泥沙對TN、TP的吸附效應(yīng)明顯[18]，松門山采砂現(xiàn)象嚴(yán)重，造成的湖底底質(zhì)攪動，TN、TP吸附在泥沙上隨水流遷移，使8號采樣點(diǎn)處TN、TP濃度驟增?？瞪?都昌段測站點(diǎn)TN、TP含量從南至北呈現(xiàn)先增后減的趨勢，變化量分別為2、0.17 mg/L。主航道上游18～22段分布于河道內(nèi)相近的區(qū)域，河道西側(cè)4個點(diǎn)(18～21)的TN、TP濃度均大于河道東側(cè)4個點(diǎn)(22～25)TN、TP濃度。17～13段TN、TP濃度呈相反變化趨勢。22～24段區(qū)域CDOM(0.564～0.738/m)、SSC(0.023～0.042 g/L)處于較高水平，Chl-a濃度(0.088～2.72 mg/m3)較低。動植物衰敗腐化后，有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無機(jī)氮磷化合物，產(chǎn)生的可溶性腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)變成CDOM，不可溶的腐殖質(zhì)則成為懸浮物的重要組分[12]；而且該區(qū)域位于低流速水域[1]，有利于氮磷滯留，因此TN、TP濃度可能受到動植物影響；贛江中支-松門山段(12-9)TN、TP濃度沿水流方向逐漸升高，TN、TP、CDOM濃度均為湖區(qū)較低水平，此區(qū)域位于濕地自然保護(hù)區(qū)且為草型底質(zhì)，水生植物的生長很大程度的吸收并消耗TN、TP，基本無外部污染源輸入及采砂活動影響[1]，故表現(xiàn)出低TN、TP水平。以上分析可知，TN、TP與Chl-a、SSC、CDOM等參數(shù)可能存在一定相關(guān)關(guān)系。

表1 2015年8月水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計

圖1 2015年8月采樣點(diǎn)及研究區(qū)范圍Fig.1 Location of sampling sites and study area in Poyang lake in August, 2015

2.2 TN、TP反演模型構(gòu)建分析

目前TN、TP濃度的遙感反演方法主要有間接法、直接法[5]。間接遙感反演算法是指先由離水輻亮度或遙感反射率反演水色要素濃度如Chl-a、懸浮物和可溶性有機(jī)物，即采用復(fù)合模型間接得到反演值[13]，通過水色要素得到TN、TP濃度；直接反演算法是利用遙感反演的離水輻亮度或遙感反射率直接獲取水質(zhì)參數(shù)濃度[13]。2種方法均能實現(xiàn)TN、TP反演模型的建立，但對于研究區(qū)域的適宜性還需進(jìn)一步討論。為便于研究結(jié)果應(yīng)用到遙感影像，研究參考環(huán)境衛(wèi)星波段設(shè)置，4個波段反射率分別記作R1、R2、R3、R4，討論TN、TP濃度與實測光譜反射率、SSC、Chl-a、CDOM濃度間的相關(guān)關(guān)系。

2.2.1 TN、TP與實測光譜反射率相關(guān)性分析 為減少時間、地點(diǎn)差異和噪聲等干擾，將原始光譜反射率進(jìn)行歸一化和一階微分處理，并將3種光譜反射結(jié)果與TN、TP濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)r介于[-1,1]，r大于0表示正相關(guān)，r小于0表示負(fù)相關(guān)。0.4>|r|≥0,0.6>|r|≥0.4,0.8>|r|≥0.6和|r|≥0.8分別為弱相關(guān)，中等相關(guān)，強(qiáng)相關(guān)和極強(qiáng)相關(guān)。

如圖3可以看出，TN、TP濃度與原始反射率呈正相關(guān)，歸一化處理后，隨波長增大反射率與TN、TP濃度的相關(guān)系數(shù)由正向負(fù)轉(zhuǎn)變，并在715 nm附近回到正值。但TN濃度與原始光譜反射率和歸一化光譜反射率的相關(guān)系數(shù)均不超過0.6，王婷等[6]研究表明鄱陽湖枯季TN與原始反射率曲線趨勢與本研究相似，但相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8左右，這可能是季節(jié)差異導(dǎo)致。光譜反射率經(jīng)一階微分處理后與TN、TP相關(guān)系數(shù)在某些波長范圍內(nèi)均高于原始反射率和歸一化處理后的相關(guān)系數(shù)。TN濃度與歸一化反射率得到的最大正負(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.567、-0.588，對應(yīng)的波長分別為745、560 nm，徐良將[5]研究實驗結(jié)果也的出TN在544 nm處有最大的負(fù)相關(guān)。TP濃度與歸一化反射率之間相關(guān)系數(shù)范圍為-0.597～0.663，最大正負(fù)相關(guān)系數(shù)對應(yīng)波長分別為763、573 nm。一階微分處理后反射率與TN、TP濃度的相關(guān)系數(shù)曲線發(fā)生劇烈起伏，在408、827 nm處光譜反射率與TN濃度相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.690、-0.616；在795、828 nm均與TP濃度強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.692、-0.723。按照環(huán)境衛(wèi)星波段設(shè)置，3種光譜反射曲線單波段反射率與TN濃度相關(guān)性最強(qiáng)的為歸一化第二波段，相關(guān)系數(shù)為0.588，一階微分第四波段反射率與TP濃度相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.669。采用波段比值法將原始光譜反射率各波段進(jìn)行波段比值組合，波段組合值與TN、TP濃度進(jìn)行相關(guān)性計算(表2)。TP濃度與R4/R2相關(guān)系數(shù)為0.703，相關(guān)性顯著，TN濃度與R4/R2相關(guān)系數(shù)最高為0.609。

圖2 鄱陽湖TN、TP濃度變化趨勢Fig.2 Change trend of TN and TP in Poyang lake

圖3 TN、TP濃度與光譜相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient between TN,TP concentration and reflection spectral

2.2.2 TN、TP與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性分析 為了進(jìn)一步確認(rèn)TN、TP與懸浮泥沙等水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，將2015年實測的TN、TP濃度與水質(zhì)參數(shù)濃度進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析(表3)。SSC與TP、TN濃度在0.01雙側(cè)皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.819、0.672，可知TP、TN濃度與SSC相關(guān)性顯著，湖內(nèi)TN、TP受SSC影響明顯。而TN與SSC的相關(guān)性弱于TP與SSC的相關(guān)性，這表明TN在鄱陽湖中的循環(huán)關(guān)系更為復(fù)雜。除SSC外，TN、TP與Chl-a和CDOM均無明顯相關(guān)性。許多學(xué)者也得到類似的結(jié)論，區(qū)銘亮等[19]認(rèn)為鄱陽湖8月份的TN、TP與Chl-a濃度無顯著相關(guān)性，張琍[1]認(rèn)為在多個不同水文地貌中鄱陽湖SSC與TP、TN濃度呈顯著相關(guān)，與Chl-a呈不顯著負(fù)相關(guān)。由此可得在鄱陽湖中TN、TP不是制約初級生產(chǎn)力的主要因素。

TN、TP濃度與光譜反射率及其組合、水質(zhì)參數(shù)濃度均存在相關(guān)性，因此，用一部分實測點(diǎn)通過間接、直接反演算法分別建立TN、TP的反演模型，并用剩余實測點(diǎn)進(jìn)行精度驗證，通過比較直接反演模型與間接反演模型精度確定TN、TP最優(yōu)反演模型。

2.3 TN、TP反演模型構(gòu)建

2.3.1 TP反演模型構(gòu)建 2015年8月水質(zhì)數(shù)據(jù)TP與SSC呈顯著正相關(guān)，因此，以SSC為間接反演因子。SSC與TP模型如表4，R2最高為0.7285，選取該模型與已有的SSC反演模型構(gòu)建TP間接反演模型：

表2 原始反射率波段組合與TN、TP濃度相關(guān)系數(shù)

表3 水質(zhì)參數(shù)與TN、TP濃度皮爾遜相關(guān)系數(shù)

表4 SSC與TP間接反演模型

式中，yTP表示TP濃度(mg/L)，xSSC表示懸浮泥沙濃度(g/L)，xSSC=0.4737m2-0.0694m+0.0059[20]，m=R4/R2。

以相關(guān)系數(shù)較高的一階微分R4、原始波段R4/R2作為反演模型自變量，TP 2種直接模型不同數(shù)學(xué)表達(dá)式如表5。

比較R2發(fā)現(xiàn)一階微分模型高于波段比值，而二階函數(shù)在微分模型中R2最高，為0.6895，選用該模型進(jìn)行TP濃度的直接反演。

2.3.2 TN反演模型構(gòu)建 2015年8月水質(zhì)數(shù)據(jù)TN與SSC呈顯著正相關(guān)，因此，以SSC為間接反演因子。SSC與TN模型如表6，R2最高為0.5422，選取該模型與已有的SSC反演模型構(gòu)建間接反演模型：

(2)

式中，yTN表示TN濃度(mg/L)，xSSC表示懸浮泥沙濃度(g/L)，xSSC=0.4737m2-0.0694m+0.0059[20]，m=R4/R2。

以相關(guān)系數(shù)較高的歸一化R2、R4/R2作為反演模型自變量，TN 2種直接模型不同數(shù)學(xué)表達(dá)式見表7。

TN直接反演模型R2較低，范圍為0.0921～0.3639，比較R2發(fā)現(xiàn)比值模型高于單波段模型，而二階函數(shù)在比值模型中R2最高，選用該模型進(jìn)行TP濃度的直接反演。

2.4 精度評價

利用TN、TP 2種反演模型，將預(yù)留的驗證點(diǎn)進(jìn)行反演，得到各水質(zhì)參數(shù)濃度，驗證點(diǎn)TP平均實測濃度為0.215 mg/L、間接模型與直接模型平均反演濃度為0.239、0.246 mg/L，TN平均實測濃度為1.3 mg/L，間接模型與直接模型平均反演濃度為1.493、1.40 mg/L；實測水質(zhì)參數(shù)濃度與反演結(jié)果精度分析對比如表8，間接反演TP、TN的反演平均相對誤差為16.3 %、32.3 %，直接反演TP、TN的反演平均相對誤差為18.4 %、25.8 %，TP的間接反演模型精度略高于直接反演模型，而TN的間接反演模型精度低于直接模型，但R2高于直接模型。

表5 TP直接反演模型

表6 SSC與TN間接模型

表7 TN直接反演模型

表8 直接反演模型與間接反演模型精度對比

2種TN、TP反演模型精度除受到點(diǎn)源污染、淺水區(qū)域水底底部光反射對遙感反射率的貢獻(xiàn)影響水質(zhì)參數(shù)濃度估算外[12]，間接水質(zhì)參數(shù)SSC遙感反演模型適應(yīng)性及其精度也是造成間接反演模型產(chǎn)生誤差的重要原因。湖水中磷的轉(zhuǎn)化時間尺度長于氮，步驟少，與懸浮泥沙密切相關(guān)，遷移機(jī)制相對簡單，其敏感波段受水色參數(shù)的影響小于氮[5]；而氮的循環(huán)十分復(fù)雜，除泥沙的吸附作用外，還通過固氮作用、脫氮作用等復(fù)雜的地球化學(xué)作用分布在水中，造成TN的空間分布差異大，影響了TN與SSC和光譜反射率的回歸系數(shù)，造成部分反演值與實測值相差較大，已有研究結(jié)果[5,12]2種TN反演模型精度均低于TP。為提高TN的反演精度，可從TN的空間分布特征考慮，建立多個區(qū)域的遙感估算模型。

3 結(jié) 論

通過對鄱陽湖實測水質(zhì)參數(shù)濃度和作用機(jī)制、及2種反演模型對比分析研究，得出如下結(jié)論。

(1)TN、TP濃度隨空間分布有發(fā)生變化，主要與外源污染物輸入，內(nèi)源氮磷消耗釋放、隨水流遷移累積、人類采砂活動等作用有關(guān)，整體呈現(xiàn)南部TN、TP濃度較高，湖心區(qū)較低、湖區(qū)以北較高，TN、TP濃度對松門山采砂污染有較明顯的響應(yīng)。

(2)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)TN與R4/R2較為敏感、TP與一階微分R4敏感；TN、TP與SSC強(qiáng)相關(guān)。回歸分析表明2種TN、TP反演模型中二階多項式均回歸系數(shù)均最高，其中TP間接反演模型平均相對誤差和R2低于直接反演模型、TN直接模型平均相對誤差和R2低于間接反演模型，是因為氮磷信號被水質(zhì)參數(shù)掩蓋、氮磷自身的作用機(jī)制、外界環(huán)境的變化等均能影響反演模型精度，雖然TN間接模型反演精度不高，但仍能為建立TN反演模型提供借鑒意義。

研究結(jié)果有助于應(yīng)用遙感影像分析鄱陽湖TN、TP的時空分布，幫助有關(guān)部門制定水質(zhì)保護(hù)決策。但是，鄱陽湖湖區(qū)廣闊，水情差異大，為了明確TN、TP與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，需要在不同水情條件下進(jìn)行采樣和觀測，根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的空間分布建立研究模型，這將是下一階段的主要研究方向。