謝 杰,王心源,張 潔,李 偉(.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 蕪湖 24003；2.安徽遙感考古工作站,安徽 蕪湖 24000；3.中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心,北京 0090；4.安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽 蕪湖 24003)

基于TM/ETM+影響分析巢湖葉綠素a濃度變化趨勢(shì)

謝 杰1,2,王心源2,3*,張 潔2,4,李 偉1(1.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241003；2.安徽遙感考古工作站,安徽 蕪湖 241000；3.中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心,北京 100190；4.安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽 蕪湖 241003)

對(duì)1995～2007年6景巢湖地區(qū)TM/ETM+數(shù)據(jù)利用多暗像元法進(jìn)行大氣校正并利用修正歸一化水體指數(shù)(MNDWI)進(jìn)行水體信息提取,在此基礎(chǔ)上,使用(TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]模型提取了巢湖水體葉綠素a相對(duì)濃度信息.結(jié)果表明:高濃度區(qū)域主要分布在巢湖西半湖;南淝河水質(zhì)情況對(duì)巢湖藍(lán)藻暴發(fā)的貢獻(xiàn)較大;1995～2006年間高濃度區(qū)域擴(kuò)大了1.82倍,并有向巢湖東部擴(kuò)展的趨勢(shì),富營(yíng)養(yǎng)化程度仍在加劇.

葉綠素a；遙感；相對(duì)濃度信息；變化分析；巢湖

Abstract：6 periods remote sensing data from 1995～2007 of Chaohu area were processed. The method of many dark pixels was adopted to carry out atmospheric modification and the modified normalized difference water index (MNDWI) was adopted to get the information of water. On this basis, the information of chlorophyll-a relative concentration in Chaohu Lake was extracted by the model of (TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]. The area of high concentration was mainly distributed in the western of Chaohu Lake; The water quality of Nanfei River contributed more to algae bloom in Chaohu Lake; The area of high concentration increased by 1.82-fold from 1995 to 2006 and had tendency of expanding to the east of Chaohu Lake, with the degree of eutrophication still aggravating.

Key words：chlorophyll-a；remote sensing；information of relative concentration；analysis of change；Chaohu Lake

葉綠素a含量是衡量湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo),是湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容[1?2].因此葉綠素a含量的調(diào)查對(duì)于了解湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度及其變化趨勢(shì)以及防控藍(lán)藻暴發(fā)帶來(lái)的危害具有重要意義.常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)是人工進(jìn)行實(shí)地取樣,只能了解監(jiān)測(cè)斷面上的水質(zhì)狀況,不能全面反映大型湖泊內(nèi)的葉綠素分布情況.由于遙感技術(shù)具有綜合、宏觀、信息量大、獲取信息快、更新周期短、便于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn),因此可以有效地解決傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的局限性,節(jié)省人力物力財(cái)力.

目前,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)湖泊葉綠素的研究做了大量的工作[3?6],結(jié)果表明應(yīng)用該技術(shù)估測(cè)內(nèi)陸湖泊葉綠素a濃度是可行的.

由于應(yīng)用遙感技術(shù)來(lái)定量反演葉綠素a濃度時(shí)都需要由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)擬合,并且每種模型都要做精確的大氣校正.因此在缺乏大氣參數(shù)或沒(méi)有足夠?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的情況下,這些模型的精度和準(zhǔn)確性得不到保證[7-8].針對(duì)這種情況,本文以巢湖為實(shí)驗(yàn)區(qū),利用多暗像元大氣校正方法[9]進(jìn)行大氣校正,并在分析該湖區(qū)水體光譜反射率特征的基礎(chǔ)上提出了一種不需要實(shí)測(cè)資料來(lái)提取葉綠素a相對(duì)濃度信息的方法.并利用實(shí)測(cè)資料對(duì)此方法的分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

1 研究區(qū)概況

巢湖是我國(guó)五大淡水湖泊之一,位于長(zhǎng)江下游左岸、安徽省中部.經(jīng)緯度范圍:E117°16′54″～E117°51′46″,N30°25′28″～N31°43′28″.由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大量的含N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入湖內(nèi),導(dǎo)致巢湖水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度大大加快,水華爆發(fā)頻率及范圍不斷增加.巢湖水體水質(zhì)的惡化已嚴(yán)重影響并制約了周邊城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,并被國(guó)務(wù)院列為重點(diǎn)治理水域.

2 研究方法

2.1遙感影像預(yù)處理

2.1.1幾何精校正 研究所用的TM/ETM+數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站,所有遙感影像數(shù)據(jù)均已經(jīng)過(guò)幾何精校正.所有影像的投影坐標(biāo)系均采用UTM投影(通用橫軸墨卡托投影)及北京坐標(biāo)系.

2.1.2大氣校正 影像大氣校正的主要目的是消除大氣、太陽(yáng)高度角、視角和地形等對(duì)地面光譜反射信號(hào)的影響[10].由于水體本身光譜值較低,受大氣影響相對(duì)較大,為了保證數(shù)據(jù)的可比性,必須進(jìn)行大氣校正,從而剔除大氣以及其他因素影響.多暗像元大氣校正方法以暗目標(biāo)減法(DOS)[11]為基礎(chǔ),結(jié)合大氣輻射傳輸模型,通過(guò)選取TM/ETM+影像上多個(gè)暗像元,并計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的大氣校正系數(shù)對(duì)整幅圖像進(jìn)行大氣校正.該方法不依賴(lài)任何外部信息,并且考慮了大氣的非均質(zhì)性,校正精度較高.因此采用該方法對(duì)此次研究所需的TM/ETM+各個(gè)波段進(jìn)行大氣校正.

選取了經(jīng)大氣校正后的2006年7月30日TM圖像巢湖水體光譜反射率與實(shí)測(cè)的巢湖水體光譜反射率做了對(duì)比(圖1),其中TM第2波段絕對(duì)誤差為0.5%,相對(duì)誤差為5.1%.第3波段絕對(duì)誤差為0.8%,相對(duì)誤差為15.7%.第4波段絕對(duì)誤差為0.7%,相對(duì)誤差為6.1%.各波段的大氣校正誤差較小,由此可見(jiàn)多暗像元大氣校正方法具有較高的校正精度,大氣校正結(jié)果能夠滿(mǎn)足提取葉綠素a相對(duì)濃度的要求.

圖1 大氣校正后水體反射率與實(shí)測(cè)水體反射率的比較Fig.1 Comparison of water spectral reflectance after atmospheric correction and water spectral reflectance based on measurement

2.1.3水體信息的提取 采用修正歸一化水體指數(shù)MNDWI來(lái)進(jìn)行水體信息的提取.修正歸一化水體指數(shù)是徐涵秋[12]對(duì)McFeeters的歸一化水體指數(shù)NDWI[13]進(jìn)行修正后提出的,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:MIR和Green分別代表中紅外波段和綠光波段的反射率,對(duì)Landsat衛(wèi)星而言,分別代表TM/ETM+的2和5波段.巢湖整個(gè)湖岸線既有人工建設(shè)的水泥道路和裸露的基巖,也有植被覆蓋的淤泥質(zhì)岸線和裸地,修正歸一化水體指數(shù)可以有效抑制這些非水體信息.利用MNDWI指數(shù)法,按照設(shè)定的閾值,對(duì)研究區(qū)水域進(jìn)行提取,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用AOI工具繪制多邊形AOI,利用此多邊形AOI提取巢湖水域.由于巢湖內(nèi)有兩個(gè)小島對(duì)葉綠素a提取有一定影響,因此,先用AOI工具提取小島區(qū)域,而后應(yīng)用Modeler工具從巢湖水域中減去小島區(qū)域,最后得到巢湖水體范圍作為本次研究區(qū)域.

2.1.4葉綠素a信息提取 李素菊等[14](2002)通過(guò)對(duì)巢湖水體藻類(lèi)葉綠素濃度與反射光譜特征關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn),巢湖水體光譜反射率呈現(xiàn)出典型的內(nèi)陸水體光譜特征.在400～ 500nm范圍內(nèi),水體的反射率較低,當(dāng)藻類(lèi)密度較高時(shí)水體光譜反射曲線在這兩個(gè)波段附近出現(xiàn)吸收峰值.550～580nm范圍內(nèi),由于葉綠素a和胡蘿卜素的吸收和細(xì)胞的散射作用從而出現(xiàn)反射峰,可以作為葉綠素定量標(biāo)志.由于藻藍(lán)素的吸收峰在624nm處,所以630nm附近出現(xiàn)的反射率谷峰呈肩狀.685～715nm范圍內(nèi)反射峰的出現(xiàn)是含藻類(lèi)水體最顯著的光譜特征,其存在與否通常被認(rèn)為是判定水體是否含有藻類(lèi)葉綠素的依據(jù).含藻類(lèi)水體的這些光譜特征是葉綠素濃度信息提取的主要依據(jù).

研究選擇用于葉綠素提取的TM/ETM+波段為2、3、4波段.其中2波段波長(zhǎng)為520～600nm,處于反射峰位置;3波段波長(zhǎng)為630～690nm,處于吸收峰位置;4波段波長(zhǎng)為760～900nm,處于葉綠素a反射峰處[7].為了使水體葉綠素a信息得到增強(qiáng),抑制水體中其他物質(zhì)的干擾,本文提出使用(TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]模型來(lái)提取TM/ ETM+圖像的葉綠素a信息,得到水體葉綠素a濃度分布圖.

2.1.5圖像處理 為了進(jìn)行不同時(shí)期巢湖葉綠素a濃度變化研究,分別選取1995年8月1日(TM)、1995年9月18日(TM)、2001年9月26日(ETM+)、2002年7月11日(ETM+)、2006年7月30日(TM)、2007年10月5日(TM)共6景巢湖遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行不同年份夏秋季節(jié)葉綠素a濃度對(duì)比及變化研究.

TM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大氣校正以及巢湖水域信息提取后在利用ERDAS9.2軟件的Modeler工具下,以(TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]波段組合的方式提取葉綠素a濃度信息,在此之后進(jìn)行葉綠素a濃度高低分類(lèi).由于各時(shí)期巢湖水體中葉綠素a濃度的變化,故其反射率也是變化不一的,本研究通過(guò)多次嘗試比較,發(fā)現(xiàn)選取占圖像直方圖中部約95%的主要數(shù)據(jù)作為分類(lèi)依據(jù)能夠得到較為合理的濃度高低分類(lèi)效果.1995年8月1日、1995年9月18日、2001年9月26日、2002年7月11日、2006年7月30日、2007年10月5日?qǐng)D像95%數(shù)據(jù)的DN值范圍依次為: 1.77312～4.97882、1.74080～4.90593、1.67498～3.78742、1.83450～5.46808、1.74284～5.95395、1.70566～4.87869.為了使圖像分類(lèi)后具有代表性以及可比性,用于分類(lèi)的DN值范圍為DNmin≤DN≤DNmax,其中DNmin為不同時(shí)期圖像95%數(shù)據(jù)的DN最小值的平均值,DNmax為不同時(shí)期圖像95%數(shù)據(jù)的DN最大值的平均值, 因此用于分類(lèi)的DN值范圍為1.74532≤DN≤4.99548.將DN值范圍進(jìn)行密度分割, 最終將巢湖水體葉綠素a濃度按由低到高分成4個(gè)等級(jí):DN≤2.55786(低)、2.55786＜DN≤3.37040(較低)、3.37040＜DN≤4.18294(中)、DN＞4.18294(高),使用ERDAS9.2軟件的Modeler工具下的條件操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的分類(lèi).

3 圖像處理結(jié)果

遙感影像經(jīng)過(guò)大氣校正、葉綠素a濃度信息提取以及濃度等級(jí)劃分后,得到各個(gè)時(shí)期巢湖葉綠素a相對(duì)濃度分布圖(圖2).最后使用2006年7月30日進(jìn)行的同步巢湖葉綠素a濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(巢湖葉綠素a監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖3)對(duì)葉綠素a相對(duì)濃度提取模型進(jìn)行檢驗(yàn),實(shí)測(cè)值與圖像DN值對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1.圖4顯示了葉綠素a相對(duì)濃度提取模型與實(shí)測(cè)值的線性擬合情況.

經(jīng)以上分析計(jì)算分析可知,葉綠素a濃度提取模型與實(shí)測(cè)值有較高的對(duì)應(yīng)關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)為0.9134.經(jīng)顯著性檢驗(yàn)得t＞t0.01(10),顯著性水平P＜0.01,因此線性相關(guān)具有非常顯著的意義.這說(shuō)明利用(TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]的值來(lái)提取TM/ETM+圖像的葉綠素a相對(duì)濃度信息與實(shí)際情況比較吻合,能夠正確有效地反映出湖區(qū)葉綠素a濃度的實(shí)際情況.

4 討論

由分類(lèi)后的圖像可得出不同時(shí)期葉綠素a各濃度等級(jí)面積(表2).

以上不同時(shí)期的巢湖葉綠素a各濃度等級(jí)面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及圖像反應(yīng)的葉綠素a空間分布可以很清晰地反應(yīng)出1995～2007年巢湖葉綠素a相對(duì)濃度在7～9月份的分布變化情況.

圖2 不同時(shí)期巢湖葉綠素a相對(duì)濃度分布Fig.2 Distribution of relative concentration of chlorophyll-a in Chaohu Lake at different periods

圖3 巢湖葉綠素a監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.3 Sites of chlorophyll-a monitoring in Chaohu Lake

從圖2可見(jiàn),高濃度的葉綠素a區(qū)域主要分布在巢湖的西半湖,特別是在南淝河的入湖區(qū)高濃度的葉綠素a區(qū)域分布尤為集中,從側(cè)面印證了南淝河的水質(zhì)較差,由南淝河向巢湖注入了大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素,對(duì)巢湖藍(lán)藻的爆發(fā)具有較大的推動(dòng)作用,這與前人所做的研究相吻合[15?16],同時(shí)說(shuō)明了利用(TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]來(lái)提取葉綠素a相對(duì)濃度具有一定的準(zhǔn)確性,能夠反映巢湖水體的實(shí)際情況.

通過(guò)對(duì)1995年8月1日與1995年9月18日?qǐng)D像以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)橫向比較分析,1995年8月1日與1995年9月18日巢湖葉綠素a各濃度等級(jí)從分布上來(lái)看具有一定的相似性,但1995年9月18日初秋時(shí)期巢湖高濃度及中等濃度葉綠素a面積卻比1995年8月1日夏季時(shí)期面積大,出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于1995年9月份的氣溫異常偏高所致.根據(jù)1995年《中國(guó)氣象年鑒》[17],巢湖地區(qū)9月份的最高氣溫高達(dá)38.6℃,比7月份的最高氣溫37.2℃高出1.4℃,由于氣溫對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用,氣溫越高越有利于藍(lán)藻等藻類(lèi)的繁殖[18],因此1995年9月18日巢湖出現(xiàn)了大面積高濃度葉綠素a的現(xiàn)象.這說(shuō)明氣溫的變化對(duì)藻類(lèi)繁殖具有很大的影響,巢湖藍(lán)藻暴發(fā)隨著季節(jié)的更替呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性.

表1 實(shí)測(cè)值與圖像DN值對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 The corresponding relation between the data based on measurement and the DN value of images

通過(guò)對(duì)1995年8月1日、2002年7月11日、2006年7月30日?qǐng)D像以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)縱向比較分析,1995～2006年11年期間,巢湖高濃度的葉綠素a區(qū)域面積由5.61%增加到了15.83%,擴(kuò)大了1.82倍,中等濃度區(qū)域面積由14.05%增加到了52.19%,擴(kuò)大了2.71倍,較低濃度及低濃度區(qū)域面積均呈下降趨勢(shì),說(shuō)明巢湖藍(lán)藻暴發(fā)的強(qiáng)度以及范圍都呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì),富營(yíng)養(yǎng)化程度增強(qiáng).由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,2002～2006年期間高濃度葉綠素a區(qū)域面積的增長(zhǎng)速率比1995～2002年增長(zhǎng)速率慢、增加量小,說(shuō)明了通過(guò)采取加強(qiáng)對(duì)重污染工礦企業(yè)的監(jiān)督管理、增強(qiáng)城市污水處理能力、巢湖底泥疏浚工程以及生態(tài)修復(fù)等一系列的治理控制措施,在一定程度上減緩了巢湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì),但是從2006年7月30日的濃度分布圖上來(lái)看,高濃度區(qū)域有向巢湖東部擴(kuò)展的趨勢(shì),特別是巢湖東部的裕溪河河口處也出現(xiàn)了較大面積的高濃度葉綠素a的聚集區(qū),表明了雖然采取各種治理措施,巢湖富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)并沒(méi)有得到根本性的轉(zhuǎn)變,富營(yíng)養(yǎng)化程度仍在加劇.

圖4 葉綠素a模型線性回歸擬合分析Fig.4 Linear regression fitting analysis about the model of chlorophyll-a

表2 不同時(shí)期葉綠素a各濃度等級(jí)的面積Table 2 The area of different chlorophyll-a concentration grades at different periods

通過(guò)對(duì)1995年9月18日、2001年9月26日、2007年10月5日?qǐng)D像以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)縱向比較分析,1995年9月18日出現(xiàn)的高濃度葉綠素a區(qū)域面積比2001年9月26日、2007年10月5日高濃度區(qū)域面積大、分布集中,出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于1995年9月份的氣溫異常偏高所致[17].通過(guò)對(duì)2001年9月26日、2007年10月5日數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),2007年初秋季節(jié)巢湖高濃度及中等濃度葉綠素a面積比2001年初秋季節(jié)分別增大了0.94倍及1.19倍,特別是2007年10月5日巢湖西半湖中部出現(xiàn)了較大面積的高濃度葉綠素a區(qū)域,說(shuō)明了巢湖富營(yíng)養(yǎng)化程度的加劇以及藍(lán)藻暴發(fā)持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng).

隨著全球氣候變化,氣溫逐年升高,將會(huì)為巢湖藍(lán)藻暴發(fā)提供適宜的條件,巢湖藍(lán)藻暴發(fā)的頻率將升高,持續(xù)時(shí)間將增長(zhǎng).因此,需要對(duì)巢湖藍(lán)藻暴發(fā)機(jī)理進(jìn)行深入的研究,特別是應(yīng)用遙感、GIS等新興技術(shù)手段對(duì)巢湖水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期、宏觀、動(dòng)態(tài)研究,為巢湖藍(lán)藻暴發(fā)的防治提供必要的理論技術(shù)支持,實(shí)現(xiàn)巢湖地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.

5 結(jié)論

5.1利用多暗像元法進(jìn)行TM/ETM+遙感影像大氣校正并使用修正歸一化水體指數(shù)(MNDWI)進(jìn)行巢湖水域信息提取,在此基礎(chǔ)上以(TM2+ TM4-TM3)/ln[TM3]波段組合的方式提取葉綠素a相對(duì)濃度信息并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了提取模型的精度,結(jié)果表明利用該提取模型能夠快速、準(zhǔn)確的提取水體葉綠素a濃度信息.

5.2利用葉綠素a濃度分類(lèi)方案進(jìn)行濃度高低分類(lèi)后獲取了葉綠素a相對(duì)濃度分布圖,圖中清晰地反應(yīng)了1995～2007年巢湖葉綠素a各濃度等級(jí)在7～9月份的空間分布變化情況.

5.3通過(guò)對(duì)不同時(shí)期巢湖葉綠素a各濃度等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及圖像的分析,表明高濃度區(qū)域主要分布在巢湖西半湖;南淝河水質(zhì)對(duì)巢湖藍(lán)藻暴發(fā)的貢獻(xiàn)率較大;雖然采取各種治理措施,巢湖富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)并沒(méi)有得到根本性的轉(zhuǎn)變,并且高濃度區(qū)域有向巢湖東部擴(kuò)展的趨勢(shì),富營(yíng)養(yǎng)化程度仍在加劇.

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Analysing developing trend of chlorophyll-a concentration in Chaohu Lake based on TM/ETM+image.

XIE Jie1,2, WANG Xin-yuan2,3*, ZHANG Jie2,4, LI Wei1(1.College of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China；2.Work Station of Auhui Province for Remote Sensing Archaeology, Wuhu 241000, China；3.Center for Earth Observation and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China；4.College of Land Resources and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China). China Environmental Science, 2010,30(5)：677～682

X87

A

1000-6923(2010)05-0677-06

謝 杰(1987-),男,安徽合肥人,安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事環(huán)境科學(xué)與遙感技術(shù)應(yīng)用方面的研究.發(fā)表論文1篇.

2009-09-19

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(ZD200908);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40571162)

* 責(zé)任作者, 教授, xywang@ceode.ac.cn