樂興華，樊哲文，方豫，劉木生，萬美英，陳琦，黃國金，劉成林

（1.江西省開發(fā)治理委員會辦公室遙感新系統(tǒng)中心，南昌 330046；2.南昌大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南昌 330046）

1 引言

水資源是生態(tài)系統(tǒng)的血液，是地球環(huán)境中最重要和最有活力的因素。由于受到經(jīng)濟快速發(fā)展、工業(yè)化進程以及其它人為活動的影響，全球淡水資源日趨衰竭，湖泊、河流水體污染以及富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益加重［1］。20世紀80年代鄱陽湖Ⅰ、Ⅱ類水約占85%；2003年，Ⅰ、Ⅱ類水只占50%，水質(zhì)下降趨勢明顯加快。2007年鄱陽湖Ⅰ～Ⅱ類水占15%，主要超標的水質(zhì)指標為總磷和氨氮，存在富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

湖泊營養(yǎng)狀況是對湖泊富營養(yǎng)化發(fā)展過程中某一時刻營養(yǎng)狀態(tài)的定量描述，通過對水體營養(yǎng)狀況代表性指標的調(diào)查，判斷湖泊的富營養(yǎng)狀態(tài)，預(yù)測其發(fā)展趨勢并制定相應(yīng)的對策措施。國內(nèi)外已經(jīng)提出了眾多的湖泊富營養(yǎng)化評價方法，如特征法、參數(shù)法、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、生物指標評價法等［2～4］。其中，通過測定葉綠素a含量來表明水體中藻類存量，進而評價水體營養(yǎng)化狀況是目前湖泊水質(zhì)監(jiān)測中最常用、最直接有效的方法。1977年，Carlsno提出了營養(yǎng)狀態(tài)評價指數(shù)（TSI），按照不同的數(shù)值范圍等級作為評價湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級標準。日本的相崎守弘等改進了這一做法，采用以葉綠素濃度為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，即修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）［5］。

水體污染現(xiàn)象日益加重凸顯了水質(zhì)監(jiān)測的緊迫性和嚴肅性。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測是在水域內(nèi)點定剖面采點，獲取的是典型區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不能獲取水域面狀數(shù)據(jù)。而遙感水質(zhì)監(jiān)測可以對大面積水域水質(zhì)情況實施定量分析，具有及時、動態(tài)獲取水域面狀數(shù)據(jù)等特點，從而為科學(xué)合理選擇和布設(shè)地面監(jiān)測點提供依據(jù)［6］。

論文以鄱陽湖主湖體水域為研究區(qū)，采用同步獲取的水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)、光譜測量數(shù)據(jù)和MODIS影像數(shù)據(jù)，來分析鄱陽湖水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，獲取地表水質(zhì)反射率，并結(jié)合卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式，得到了基于遙感技術(shù)的TSI指數(shù)分布圖。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)獲取

三類數(shù)據(jù)進行分析，分別為水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)、光譜數(shù)據(jù)、MODIS影像數(shù)據(jù)。

2.1 水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)

2.1.1 野外采樣方法

采樣時間為2009年9月16日～2009年9月18日，此時間為鄱陽湖豐水期。采用點的選擇主要考慮的因素：1）空間代表性，能夠反映測量區(qū)水質(zhì)的整體特性；2）考慮衛(wèi)星過境時間，以獲得水質(zhì)與衛(wèi)星同步數(shù)據(jù)；3）天氣狀況。

2.1.2 實驗室檢測與數(shù)據(jù)預(yù)處理

水樣在實驗室分析方法以 《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中推薦的方法為準，主要分析葉綠素a。葉綠素a分析采用的是熱乙醇萃取分光度法。

2.2 光譜測量數(shù)據(jù)

2.2.1 光譜測量設(shè)備與方法

水面光譜測量采用的儀器為由美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec襆3。光譜范圍：350-2500nm；最快采集速度：100ms；光譜分辨率：10nm；數(shù)據(jù)間隔：1nm；波長精度：±1nm；波長重復(fù)性：±0.02nm；重復(fù)性：優(yōu)于0.3%；雜散光：優(yōu)于0.1%；靈敏度：全自動；重量：大約8.5公斤（含1.2公斤電池）。

測量方法參考了唐軍武［7］的水面以上光譜測量法。

圖1給出的是17號采樣點的DN值圖，從圖中可以看出信號最強的是天空光信號，其次是標準板信號，位于曲線圖的中間，最弱的是水體信號，說明天空光對水體光譜信號的影響是比較大的。

圖1 天空灰板水面DN值對比圖

2.2.2 歸一化光譜數(shù)據(jù)

歸一化處理是利用水體在420～750nm波段范圍內(nèi)的平均反射率作為歸一化點值，各波長的遙感反射率值除以歸一化點的反射率值，即是各波長的歸一化反射率值。

2.3 MODIS影像數(shù)據(jù)

2.3.1 數(shù)據(jù)獲取

通過NASA網(wǎng)站獲取同步MODIS衛(wèi)星影像。通過MODIS影像可以清楚地看到鄱陽湖水域情況，由于分辨率較低，水生植被以及水質(zhì)參數(shù)等信息在圖像上看不出來。

圖2 MYD02HKM.A2009260.0520.005影像

圖3 MYD02QKM.A2009260.0520.005影像

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

下載后的MODIS影像數(shù)據(jù)按照以下步驟進行處理。

圖4 MODIS數(shù)據(jù)處理流程圖

A.幾何糾正

采用等經(jīng)緯度投影：Geographic Lat/Lon，基準面：WGS-84，結(jié)合MODIS 1B數(shù)據(jù)自帶信息由ENVI軟件完成。

B.輻射定標

輻射定標就是將記錄的原始DN值轉(zhuǎn)換為大氣外層表面反射率，消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差，有實驗室定標、星上定標、場地定標［8］等方法。 公式（2）就是將初始的DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度，公式（3）是將輻射亮度值轉(zhuǎn)換為大氣表觀反射率。

傳感器在工作正常的條件下，所獲取影像存在輻射誤差，這主要是由大氣等因素引起的［9］。一般而言，定量遙感是需要做遙感影像的大氣校正。

從最早的陸地衛(wèi)星圖像起，最普遍使用的大氣校正方法是假設(shè)大氣向下的散射率為0，利用公式（4）來校正。

本研究采用基于Chavez［10］提出的黑像元選擇方式上的黑像元大氣校正方法。

3 研究方法

3.1 基于MODIS數(shù)據(jù)的葉綠素a反演模型構(gòu)建

根據(jù)MODIS波段反射率與實測數(shù)據(jù)的相關(guān)分析結(jié)果，選取500m分辨率B2+B7波段反射率數(shù)據(jù)的來構(gòu)建葉綠素a的統(tǒng)計反演模型。取反射率數(shù)據(jù)為自變量，葉綠素a濃度為因變量，作線性、二次項、對數(shù)、三次項、指數(shù)、冪回歸分析。

3.2 卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)利用水體透葉綠素a濃度、明度以及總磷濃度三個參數(shù)中的任何一個都可以獨立用來評價水體的富營養(yǎng)狀態(tài)。公式如下：

3.3 修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

3.4 湖泊水體營養(yǎng)狀況評價標準

鄱陽湖營養(yǎng)狀況評價標準采用國際通用的湖泊營養(yǎng)化程度劃分標準，其標準用0-100的連續(xù)指數(shù)對湖泊營養(yǎng)狀況進行分級，而在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)越高，營養(yǎng)程度越重（見表6.1）。

表6.1 湖泊水體營養(yǎng)狀況劃分標準

4 結(jié)果與討論

4.1 基于MODIS數(shù)據(jù)的葉綠素a反演模型構(gòu)建結(jié)果

圖5 葉綠素a回歸擬合圖

表5.1 葉綠素a回歸方程描述表

4.2 鄱陽湖的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式

結(jié)合卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式，得到了分別以葉綠素a為基準的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)評價指數(shù)表達式，其中，x為葉綠素a在500m分辨率B2+B7波段組合反射率值。

結(jié)合修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式，得到了以葉綠素a為基準的修正營養(yǎng)狀態(tài)評價指數(shù)表達式，其中，x為葉綠素a在500m分辨率B2+B7波段組合反射率值。

4.3 葉綠素a為基準的TSI指數(shù)分布結(jié)果

圖6 以葉綠素a為基準的TSI指數(shù)分布圖

圖7 以葉綠素a為基準的TSIM指數(shù)分布圖

5 討論

本文以鄱陽湖水體作為實驗區(qū)，在分析實測光譜與葉綠素a、懸浮物的相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析MODIS波段及波段組合反射率與水色參數(shù)的相關(guān)性，從而得到葉綠素a敏感波段及其組合。最后，得到了基于遙感技術(shù)的營養(yǎng)狀況指數(shù)模型。主要的結(jié)論如下：

（1）基于實測光譜，將歸一化的反射率數(shù)據(jù)與葉綠素a做相關(guān)分析。發(fā)現(xiàn)鄱陽湖豐水期葉綠素a在波長440nm、585nm、675nm附近呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。

（2）對MODIS數(shù)據(jù)不同波段及波段組合與水質(zhì)參數(shù)的進行相關(guān)分析。結(jié)果顯示：葉綠素a的最佳遙感反演波段為500m分辨率的（B2+B7）組合。

（3）最后，采用卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算表達式，得到了基于遙感技術(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算表達式。以葉綠素a為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表達式較好地反映了鄱陽湖水體葉綠素分布狀況。

［1］Ma R,Tang J,Dai J et al.Absorption and scattering properties of water body in Taihu Lake［J］.China:absorption.International Journal of Remote Sensing,2006,27(19):4277-4304.

［2］張兵，申茜，李俊生等.太湖水體3種典型水質(zhì)參數(shù)的高光譜遙感反演［J］.湖泊科學(xué)，2009，21(2):182-192.

［3］王艷紅，鄭正棟，馬榮華.基于實測光譜與MODIS數(shù)據(jù)的太湖懸浮物定量估測［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27(3):509-515.

［4］馬榮華，戴錦芳.結(jié)合Landsat ETM與實測光譜估測太湖葉綠素及懸浮物含量［J］.湖泊科學(xué)，2005，17(2):97-103.

［5］Bukata R P，Jerome T H，Bruton J E，etal.Optical Water Quality Modle of Lake Ontario［J］.Appl Optics，1981，20:1696-1703.

［6］疏小舟，尹球，匡定波.內(nèi)陸水體藻類葉綠素濃度與反射光譜特征的關(guān)系［J］.遙感學(xué)

［7］唐軍武，田國良，汪小勇等.水體光譜測量與分析Ⅰ：水面以上測量法［J］.遙感學(xué)報，2004，8(1):37-4.

［8］Mobley，Curtis D.Light and water-radiative tansfer in natural waters［J］.Academic Press，1994.

［9］亓雪勇，田慶久.光學(xué)遙感大氣校正研究進展［J］.國土資源遙感，2005，(4):1-6.

［10］Chavez JR PT.An improved dark-objectsubtraction technique for atmospheric scattering correction ofmultispectral data［J］.Remote Sens.Environ，1988， 24(5):459-479.