禹政陽(yáng),馬榮華,,4*,許金朵,王貞,胡旻琪
1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008
2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),南京學(xué)院,南京 211135
3.國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,湖泊–流域分中心,南京 210008
4.草原生態(tài)安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,呼和浩特 010021
湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是指湖泊中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如氮、磷等)積累,導(dǎo)致水體中浮游植物和藻類大量繁殖,從而引發(fā)水質(zhì)惡化、水生生物死亡、水體變渾濁的現(xiàn)象[1]。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化威脅到湖泊附近的城市地區(qū)的用水安全,對(duì)水體自身的生態(tài)環(huán)境造成相當(dāng)大的隱患。自20 世紀(jì)80 年代以來(lái),由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和各類廢水的過量排放,大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物被排入湖泊中,惡化了湖泊水環(huán)境,從而造成了水質(zhì)性缺水,尤其是東部平原湖泊群(巢湖、太湖)和部分西北湖泊(呼倫湖)[2]。因此,對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制水體富營(yíng)養(yǎng)化,對(duì)保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康,以及輔助環(huán)境管理,具有重要的意義。
相對(duì)于傳統(tǒng)的逐點(diǎn)采樣的監(jiān)測(cè)方式,衛(wèi)星遙感具有連續(xù)、大范圍、周期性觀測(cè)的特點(diǎn)[3]。目前衛(wèi)星遙感手段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)藻華面積業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè),以及富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水質(zhì)參數(shù)(葉綠素a、藻藍(lán)素)濃度的反演[4]。Landsat 系列衛(wèi)星由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)合作開發(fā),空間分辨率可達(dá)30 m,遠(yuǎn)高于MODIS 產(chǎn)品的空間分辨率。它可以獲取地球表面的多光譜圖像,從可見光到熱紅外范圍內(nèi)具有9 個(gè)波段(Landsat OLI)。Landsat 產(chǎn)品涉及多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,如土地覆蓋制圖、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和自然資源管理,并且其數(shù)據(jù)通過美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的EarthExplorer 平臺(tái)免費(fèi)向公眾提供。因此本研究以Landsat TM/ETM+/OLI 為數(shù)據(jù)源。
水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、透明度(Secchi Disk Depth,SDD)、葉綠素a(Chlorophyll-a,Chla)濃度,這些指標(biāo)計(jì)算和分析較為簡(jiǎn)單,評(píng)價(jià)結(jié)果明了,評(píng)價(jià)效率高。然而,這些指標(biāo)存在一定的局限性。例如,透明度只能反映光在水體中的穿透能力,無(wú)法直接反映水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度以及富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的影響,同時(shí)也易受到水文條件變化和水體的生物化學(xué)過程的影響[5]。水色指數(shù)(Forel-Ule Index)是湖庫(kù)、河流和海洋水質(zhì)的重要衡量指標(biāo),與水體清潔度及富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)相關(guān)[6]。水色指數(shù)容易受到環(huán)境條件的影響,如光照、天氣、水體中的懸浮物等,并且難以通過僅憑水色指數(shù)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估營(yíng)養(yǎng)級(jí)別。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Trophic Level Index,TLI)是一種用于評(píng)估水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的指標(biāo)。它結(jié)合葉綠素a 濃度、總氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorus,TP)、透明度和化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)計(jì)算獲得,旨在提供對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的綜合評(píng)估[7],然而,其中化學(xué)需氧量難以通過遙感反演。因此,在本研究所涉及的呼倫湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)中,運(yùn)用TLI 評(píng)價(jià)呼倫湖的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)可能存在一定困難。卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Trophic state index,TSI)作為描述水體生態(tài)特征和判斷水質(zhì)狀況的重要指標(biāo),被廣泛應(yīng)用于內(nèi)陸水體的富營(yíng)養(yǎng)化研究,它通過透明度、葉綠素a 濃度和總磷濃度計(jì)算得出[8-9]。TSI 綜合考慮了多個(gè)水質(zhì)參數(shù),能夠客觀地評(píng)估湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化程度,便于對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)水平進(jìn)行定量與分級(jí);TSI指數(shù)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)指標(biāo),適用于不同湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀況的對(duì)比。因此,這種評(píng)估方法更具科學(xué)性和客觀性,可以提高評(píng)估結(jié)果的可靠性。綜合以上幾點(diǎn),本研究選取TSI 作為水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的指標(biāo)。
呼倫湖也稱達(dá)賚湖,是中國(guó)第五大淡水湖,也是東北地區(qū)第一大湖[10]。近40 多年來(lái),由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響,湖水總含鹽量和pH 值逐年升高,湖周大面積蘆葦消失、漁業(yè)資源瀕臨枯竭和大量珍稀鳥類遷移[11]。同時(shí),呼倫湖水體受到過度施肥、農(nóng)業(yè)污染和工業(yè)廢水排放的影響,導(dǎo)致水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷等含量增加,富營(yíng)養(yǎng)化加劇[12],并導(dǎo)致了有害藍(lán)藻水華。因此,為了保證呼倫湖生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性以及周邊城市的用水安全,需要對(duì)呼倫湖的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于將適用于江淮地區(qū)湖泊(見表1)的基于藻類生物量指數(shù)(Algal biomass index,ABI)的TSI 遙感評(píng)價(jià)方法[13],通過修正系數(shù)將算法進(jìn)一步移植到呼倫湖,從而實(shí)現(xiàn)呼倫湖水體富營(yíng)養(yǎng)化遙感評(píng)價(jià),生成1986–2020 共35 年的呼倫湖夏季TSI 空間分布時(shí)間序列產(chǎn)品。本數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于分析氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)呼倫湖富營(yíng)養(yǎng)化的影響,為呼倫湖富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。
表1 湖泊野外采樣日期與樣點(diǎn)數(shù)量Table 1 Sampling dates and site numbers of water samples
2013–2018 年間在江淮流域開展湖泊野外采樣活動(dòng),選擇不同流域的代表性湖泊共17 個(gè)(見表1),共采集了224 組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其中星地匹配數(shù)據(jù)共31 條;各個(gè)湖泊的空間位置如圖1 所示。本數(shù)據(jù)集使用Landsat TM、ETM+和OLI 的地表反射率(Surface Reflectance,SR)Tier 1 Collection 1產(chǎn)品,該產(chǎn)品數(shù)據(jù)在GEE(Google Earth Engine)平臺(tái)上免費(fèi)獲取。
圖1 采樣湖泊與采樣點(diǎn)位的空間分布Figure 1 Spatial distribution of sampling lakes and water samples
SDD(m)在野外試驗(yàn)過程中測(cè)量獲得。在每個(gè)采樣點(diǎn)處,使用標(biāo)準(zhǔn)的20 cm 直徑的Secchi 圓盤垂直于水面放入水中。當(dāng)它剛好消失在視野時(shí),記錄此時(shí)圓盤距離水面的高度,作為該樣點(diǎn)處的水體SDD。在每個(gè)站點(diǎn)處用采水器采集表層水樣(< 0.3 m),避光冷藏保存并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水體物質(zhì)濃度的測(cè)定,Chla 濃度(μg/L)采用丙酮萃取法和分光光度計(jì)測(cè)定[14-15],實(shí)測(cè)光譜的離水反射比Rrs(sr-1)通過FieldSpec Pro Dual VNIR 測(cè)定[16]。
本數(shù)據(jù)集對(duì)Landsat TM/ETM+/OLI 數(shù)據(jù)的處理流程包括大氣校正、水體邊界提取、水生植被掩膜和構(gòu)建基于ABI 的TSI 反演模型。具體流程如圖2 所示。
圖2 數(shù)據(jù)處理方法流程圖Figure 2 Flow chart of data processing
1.2.1 傳感器一致性評(píng)價(jià)
由于Landsat TM/ETM+/OLI 三者的過境時(shí)間沒有重合,因此無(wú)法直接進(jìn)行對(duì)比。已有研究在清水湖泊中利用兩顆傳感器重疊處相差一天進(jìn)行對(duì)比,但本研究區(qū)呼倫湖的水體變化快,一天內(nèi)湖泊環(huán)境會(huì)發(fā)生顯著差異,因此我們參考CAO[17]的方法,借助MODIS 進(jìn)行間接對(duì)比。MODIS(中分辨率成像光譜儀)是美國(guó)航天局研制的大型遙感儀器。自2000 年開始投入運(yùn)行,時(shí)間分辨率為1 天,其成像時(shí)間可以與Landsat 系列的三個(gè)傳感器重合,因此可以作為不同傳感器一致性評(píng)價(jià)的參考。因此,本數(shù)據(jù)集使用MODIS Aqua 地表反射率產(chǎn)品對(duì)Landsat 系列衛(wèi)星的地表反射數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析。MODIS Aqua 地表反射率產(chǎn)品空間分辨率為250 m,可以從GEE 平臺(tái)獲取[18]。
分析Landsat 系列衛(wèi)星的一致性,需要進(jìn)行以下主要步驟:首先,從37 張Landsat 影像中選取14 張OLI 影像、13 張ETM+影像和10 張TM 影像。這些影像覆蓋了渾濁、藍(lán)藻水華和較為清澈的水體狀況,這樣可以確保評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。其次,在野外采樣過程中,各采樣點(diǎn)之間距離大于1 公里,且距離湖岸超過1 公里,以避免臨近像元與臨岸混合像元對(duì)計(jì)算精度的影響。然后,計(jì)算點(diǎn)位處25×25 窗口的ABI 平均值,基于Landsat 各景影像的地表反射率,并計(jì)算匹配的MODIS 相同點(diǎn)位處3×3 窗口的ABI 平均值,以統(tǒng)一不同傳感器空間分辨率下的像元尺度。最后,參考公式(1)和公式(2),比較兩個(gè)傳感器SR 計(jì)算的ABI 相關(guān)性,并根據(jù)擬合關(guān)系將基于TM、ETM+的ABI校正到OLI 上。
1.2.2 遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理
為消除大氣吸收和散射對(duì)反射率的影響,本數(shù)據(jù)集采用LEDAPS(Landsat Ecosystem Disturbance Adaptive Processing System)算法對(duì)TM 和ETM 地表反射率產(chǎn)品進(jìn)行大氣校正,使用LaSRC(Landsat Surface Reflectance Code,Version 2.0)算法對(duì)OLI 地表反射率產(chǎn)品進(jìn)行大氣校正[19-20]。利用CFMASK算法生成的質(zhì)量評(píng)估波段,對(duì)像元進(jìn)行篩選,去除云、云陰影、冰雪像元。基于大氣校正后的反射率,根據(jù)公式(3),將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為水體表面的離水反射比Rrs(sr-1)。
式中,min(SRNIR:SRSWIR)表示近紅外和短波紅外地表反射率的最小波段值。λ對(duì)應(yīng)各波段處的波長(zhǎng)。公式(1)利用清潔水體在近紅外波段低反射率、渾濁水體在短波紅外波段低反射率的特性,將各個(gè)波段的反射率與二者的最小值做差值運(yùn)算,從而達(dá)到去除殘余氣溶膠、水面天空反射光以及太陽(yáng)耀斑影響的目的[21-22]。
1.2.3 呼倫湖水體提取與水生植被掩膜
首先對(duì)呼倫湖水體邊界進(jìn)行識(shí)別與提取,具體流程如下:
(1)結(jié)合NASA 官方提供的遙感影像,對(duì)其進(jìn)行目視判斷,剔除呼倫湖有云層覆蓋的TM、ETM+和OLI 影像數(shù)據(jù);
(2)根據(jù)1.2.1 中經(jīng)過的轉(zhuǎn)換得到的離水反射比Rrs(sr-1),計(jì)算呼倫湖地區(qū)的歸一化水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index, NDWI),使用基于NDWI 的動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)水體邊界進(jìn)行提取,獲取最初的水體邊界范圍[23];
(3)為消除水陸邊界的混合像元,對(duì)提取的呼倫湖水體邊界向內(nèi)取三個(gè)像元[24],將該結(jié)果作為最終的呼倫湖水體邊界。
藻華像元和水生植被像元對(duì)遙感反演精度有著不可忽視的影響。本數(shù)據(jù)集進(jìn)一步對(duì)湖泊水體中的藻華與水生植被像元進(jìn)行掩膜,參照了Hu[25]所提出的浮游藻類指數(shù)FAI(Floating algal index),將其應(yīng)用至內(nèi)陸二類水體。FAI 計(jì)算過程見公式(4),水生植被和藻華的去除結(jié)果如圖3 所示。
圖3 藻華與水生植被像元掩膜Figure 3 Masking of pixels contaminated by bloom and aquatic vegetation
式中,SRSWIR、SRNIR、SRRED分別對(duì)應(yīng)OLI 短波紅外(1609 nm)、近紅外波段(865 nm)與紅光波段(655 nm)的地表反射率,λ對(duì)應(yīng)各波段處的波長(zhǎng)。本數(shù)據(jù)集利用統(tǒng)一閾值去除浮游藻類像元,結(jié)合直方圖將FAI 閾值確定為-0.004,進(jìn)一步去除藻華與水生植物像元。
1.2.4 基于ABI 的TSI 遙感反演模型構(gòu)建
呼倫湖的采樣數(shù)據(jù)表明,呼倫湖水體中的Chla 濃度均值大于20 μg/L。相關(guān)的研究表明Chla 對(duì)于藻類生物量的指示更加穩(wěn)定[26],因此本數(shù)據(jù)集將使用基于Chla 的TSI 作為呼倫湖營(yíng)養(yǎng)級(jí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)(參考公式(5))?;赥SI(Chla)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn):TSI(Chla)≤ 40 屬于貧營(yíng)養(yǎng)型;41
水體富營(yíng)養(yǎng)化的本質(zhì)是藻類生物量的增加,遙感技術(shù)所探測(cè)到的信號(hào)不僅包括水體表面的信息,也包括真光層內(nèi)水體綜合信息,例如垂向藻類生物量[2]。對(duì)此,Hu 等人[27]提出了藻類生物量指數(shù),以定量評(píng)估二類水體的藻類生物量,它與藻類生物量之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系。該指數(shù)通過分別基于近紅外波段、藍(lán)光波段及綠光波段和紅光波段、藍(lán)光波段及綠光波段構(gòu)建的兩條基線的差值,對(duì)真光層內(nèi)藻類生物量具有很好響應(yīng)。ABI 計(jì)算方法如公式(6):
式中,BLUE、GREEN、RED和NIR分別對(duì)應(yīng)Landsat-8 OLI 在482 nm、561 nm、665 nm 與865 nm處的地表反射率,λ為相應(yīng)波長(zhǎng)。
由于呼倫湖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量的限制,本數(shù)據(jù)集利用東部江淮地區(qū)湖泊的實(shí)測(cè)離水反射比Rrs(sr-1),計(jì)算ABI 和TSI,并以之為基礎(chǔ)建立基于ABI 的TSI 反演模型,將其運(yùn)用至呼倫湖。模型的擬合結(jié)果如圖4 所示,隨著ABI 的增加,藻類生物量減少,TSI 也隨之降低。該模型在東部的湖泊水質(zhì)遙感反演中效果良好,因此本研究將該模型嘗試用于呼倫湖,以獲取呼倫湖TSI 時(shí)空變化信息。
圖4 基于ABI 的TSI 反演模型Figure 4 ABI-based TSI inversion model
1986–2020 年呼倫湖夏季TSI 數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)實(shí)體名稱為:HulunLake_TSI.tif。本數(shù)據(jù)集空間分辨率為30 m,均為柵格數(shù)據(jù),數(shù)值范圍為50–100。呼倫湖TSI 空間分布如圖5 所示,1986–2020 年間,呼倫湖TSI 最大值達(dá)到100,最小值為0;從空間分布模式上看,湖心區(qū)的TSI 通常低于近岸區(qū)的TSI。在1986–1994、1999–2004、2017–2020 年間,呼倫湖TSI 呈現(xiàn)驟降趨勢(shì);然而在1998–2001、2007–2008、2013–2016 年間,呼倫湖的TSI 呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。2013 年之后,呼倫湖的TSI 基本維持在較高水平。
圖5 呼倫湖夏季TSI 空間分布圖Figure 5 Spatial distribution of TSI of Hulun Lake in summer
本數(shù)據(jù)集為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,根據(jù)光譜響應(yīng)函數(shù)(Spectral Response Function,SRF),將實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)換算成OLI 模擬的離水反射率Rrs(sr-1)。為提高星地同步匹配的準(zhǔn)確性,采用鄰近像元的方式進(jìn)行空間匹配,同時(shí)在時(shí)間匹配中,將時(shí)間差小于3 小時(shí)的觀測(cè)值視為同步觀測(cè)。Landsat-8 OLI 各波段Rrs(λ)與基于實(shí)測(cè)光譜模擬的OLI 各波段Rrs(λ)對(duì)比結(jié)果如圖6 所示,在不同的波長(zhǎng)處,模擬的反射率Rrs(λ)的均方根誤差均小于0.0045,平均絕對(duì)百分比誤差均小于11.51%;基于模擬反射率得出的ABI 與衛(wèi)星反射率得出的ABI 相比,均方根誤差為0.0045,平均絕對(duì)百分比誤差為9.73%。
圖6 基于模擬OLI 的Rrs(sr-1)和OLI 的Rrs(sr-1)對(duì)比結(jié)果圖Figure 6 Comparison betweem simulated OLI Rrs(sr-1)and OLI Rrs(sr-1)
本數(shù)據(jù)集利用呼倫湖現(xiàn)有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基于東部江淮地區(qū)湖泊實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的TSI 反演模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià),結(jié)果如圖7(a)所示,基于實(shí)測(cè)離水反射比的TSI 和基于OLI 反射率的TSI 的平均絕對(duì)百分比誤差為3.53%,均方根誤差為2.39,均保持在較低的水平。根據(jù)呼倫湖富營(yíng)養(yǎng)化已有的研究結(jié)果[28],對(duì)本數(shù)據(jù)集的精度進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見圖7(b),平均絕對(duì)百分比誤差和均方根誤差分別為7.53%和4.50。
圖7 模型精度評(píng)價(jià)圖Figure 7 Evaluation of the model accuracy
TSI 作為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的指示器,是對(duì)水體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo),因此在二類水體的富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)空變化研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本數(shù)據(jù)集是基于ABI 的TSI 反演結(jié)果,精度較高。本數(shù)據(jù)實(shí)體解壓后的tif 數(shù)據(jù)可以使用專業(yè)的GIS軟件打開和編輯,也可以使用R 語(yǔ)言或python 的相關(guān)package直接讀取分析;其時(shí)間序列涵蓋了1986–2020 的呼倫湖TSI 的空間分布信息,可以為呼倫湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供必不可少的數(shù)據(jù)支持。
致 謝
感謝Google Earth Engine(簡(jiǎn)稱GEE)平臺(tái)提供的豐富數(shù)據(jù)資源和強(qiáng)大技術(shù)支持,為本數(shù)據(jù)集提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和分析工具;感謝NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)提供的衛(wèi)星數(shù)據(jù)支持,為本數(shù)據(jù)集提供了非常寶貴的數(shù)據(jù)資源。
數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)
禹政陽(yáng)(1997—),男,山東省煙臺(tái)市人,博士生,研究方向?yàn)楹喘h(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)生產(chǎn),結(jié)果驗(yàn)證,論文撰寫和修改。
馬榮華(1972—),男,山東省臨沂市人,博士,研究員,研究方向?yàn)楹喘h(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作:總體思路設(shè)計(jì),論文修改。
許金朵(1982—),女,江蘇省睢寧縣人,碩士,工程師,研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、數(shù)據(jù)共享和地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備,數(shù)據(jù)整理與上傳。
王貞(1983—),女,河南安陽(yáng)人,碩士,研究方向?yàn)榈乩硇畔⒅茍D。主要承擔(dān)工作:論文數(shù)據(jù)下載及處理、數(shù)據(jù)編輯。
胡旻琪(1994—),女,江蘇省南京市人,博士,助理研究員,研究方向?yàn)楹喘h(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作:衛(wèi)星一致性評(píng)估,論文修改。
中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)(中英文網(wǎng)絡(luò)版)2023年4期