王 芳，青 松，劉 楠，郝艷玲，包玉海

(1:內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022)(2:內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010021)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為內(nèi)陸湖泊面臨的最緊迫的水環(huán)境問(wèn)題之一[1-2].湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是在自然因素和人類活動(dòng)雙重影響下使得氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加，導(dǎo)致湖泊生產(chǎn)力和生物量過(guò)度提高，溶解氧含量和湖泊透明度降低，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生毒素和難忍氣味，從而威脅到水生生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性以及人類健康[3].因此，為水體富營(yíng)養(yǎng)化的防治提供科學(xué)依據(jù)，加強(qiáng)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化方面的方法研究尤為重要.

“營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)”是一個(gè)與生態(tài)系統(tǒng)功能和人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)影響密切相關(guān)的屬性[4].自1960s以來(lái)，人們嘗試用單變量營(yíng)養(yǎng)指數(shù)或多參數(shù)方法定量評(píng)價(jià)湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[5].Carlson提出了溫帶湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，該指數(shù)可以在葉綠素、透明度和總氮的對(duì)數(shù)尺度上表征營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，用以評(píng)價(jià)湖泊的養(yǎng)分富集狀況和初級(jí)生產(chǎn)力.其中，水體透明度與懸浮藻類的生物量和生產(chǎn)能力密切相關(guān)[6]，是直接反映水上植物初級(jí)生產(chǎn)力和水中微生物活動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)[7].透明度是湖泊管理機(jī)構(gòu)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)的一種簡(jiǎn)單而廣泛使用的工具[8]，與湖泊水體光譜輻射觀測(cè)密切相關(guān)[9].

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化遙感評(píng)價(jià)是通過(guò)分析水體反射、吸收和散射光譜特征與水質(zhì)參數(shù)濃度之間的關(guān)系，建立富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)參數(shù)的定量遙感反演模型[10].隨著內(nèi)陸水色遙感研究的發(fā)展，水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)從定性發(fā)展到定量，其中伴隨著多光譜遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)而發(fā)展起來(lái)一系列經(jīng)驗(yàn)算法.這些方法是基于遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)波段或波段組合，與水質(zhì)參數(shù)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)而評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[11-14].

水體顏色作為最古老的時(shí)間序列水質(zhì)數(shù)據(jù)之一，是水質(zhì)調(diào)查中的一項(xiàng)重要內(nèi)容.關(guān)于水體顏色的早期研究主要是試圖建立顏色與水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系.Alf?ldi等[15]采用Landsat MSS假彩色數(shù)據(jù)作為CIE標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)中的X、Y、Z三刺激值，分析了水體顏色與水體狀況的關(guān)系.自此，隨著后續(xù)學(xué)者的研究和逐步完善，構(gòu)建了完整的FUI水色指數(shù)[16].FUI水色指數(shù)是基于光學(xué)特性的水色分類，取值為1～21的離散值.Wang等[17]結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和MODIS產(chǎn)品，建立了FUI與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)之間的關(guān)系，提出了一種評(píng)估全球內(nèi)陸水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的方法.然而，根據(jù)Pitarch等[18]的研究指出，與色度角alpha相比，F(xiàn)UI作為大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)海洋水域的監(jiān)測(cè)工具是粗糙的.色度角alpha是CIE色度系統(tǒng)中計(jì)算FUI的過(guò)程參量，取0°～360°之間的連續(xù)值[19]，是自然水體的一個(gè)簡(jiǎn)單客觀參數(shù)，被稱為自然水域的真實(shí)顏色[20].van der Woerd等[21]證明了由色度角alpha表示的顏色能夠從海洋水色衛(wèi)星儀器中準(zhǔn)確獲取，并指出色度角在Sentinel_2 MSI、Landsat_8 OLI和Landsat_7 ETM+等傳感器上有很大的推廣應(yīng)用潛力.Xu等[22]基于色度角，揭示了洞里薩湖19年間水體顏色變化趨勢(shì)及規(guī)律，并分析了色度角變化率的空間分布和富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài).然而，到目前為止還沒(méi)有相應(yīng)的文獻(xiàn)是由連續(xù)變量alpha與TSI指數(shù)之間的相互關(guān)系來(lái)評(píng)估湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).此外，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)已廣泛應(yīng)用于溫帶、熱帶和亞熱帶地區(qū)湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析[23]，但在我國(guó)北方半干旱地區(qū)湖泊水體中的研究較少.

因此，本文試圖探究色度角alpha和TSI之間的相關(guān)性，建立適合于北方典型湖泊——岱海的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估模型.本文以內(nèi)蒙古岱海為研究區(qū)，進(jìn)行如下研究：(1)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立岱海水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估模型；(2)將評(píng)估模型應(yīng)用于Landsat TMETM+OLI和Sentinel_2A MSI遙感數(shù)據(jù)；(3)分析岱海水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的時(shí)空分布特征及影響因素.

1 數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

岱海盆地在新構(gòu)造斷塊活動(dòng)時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，是典型的地塹式斷陷盆地，早更新世初開(kāi)始形成為湖泊[24]，現(xiàn)稱其為岱海(40°29′07″～40°37′06″N，112°33′31″～113°46′40″E)，位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市涼城縣東南部，四周環(huán)山，是一個(gè)典型的封閉性內(nèi)陸咸水湖(圖1).湖泊水源補(bǔ)給方式主要為降水補(bǔ)給、地表徑流和地下補(bǔ)給等[25].岱海地處我國(guó)半干旱與半濕潤(rùn)的過(guò)渡帶，即北方環(huán)境敏感地帶，屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季長(zhǎng)而干冷，夏季短而炎熱[26].岱海，是內(nèi)蒙古的第三大內(nèi)陸湖，與呼倫湖、烏梁素海統(tǒng)稱為 “一湖兩?！?，在調(diào)節(jié)氣候、生態(tài)修復(fù)、涵養(yǎng)水源方面起著重要作用，是我國(guó)北方生態(tài)安全屏障的重要組成部分.岱海是被列入《中國(guó)濕地保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》的第179塊國(guó)家重要濕地之一，同時(shí)也是自治區(qū)級(jí)湖泊濕地自然保護(hù)區(qū)[27].多年來(lái)，由于降雨量減少、地下水過(guò)度開(kāi)采和環(huán)境污染多種因素的疊加，岱海水體水面急速縮減，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出[28-29].

1.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1.2.1 遙感反射率 在2019年10月9日、2020年6月14日、7月19日、8月24日、9月17日和10月12日，在岱海水域共開(kāi)展了6次野外調(diào)查，進(jìn)行水面光譜測(cè)量，共獲取了216組遙感反射率(Rrs)光譜數(shù)據(jù).Rrs測(cè)量采用“水上法”[30]，每個(gè)采樣點(diǎn)需要測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰板、水體和天空的輻射亮度.本研究中采用美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的ASD Field Spec 4 地物光譜儀，測(cè)量水體光譜.遙感反射率計(jì)算公式如下，文中采用400～900 nm波段處的遙感反射率.

(1)

式中，LW、LSky、Lp分別為測(cè)量的水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)灰板的輻射亮度；r為氣-水界面的反射率；ρp為標(biāo)準(zhǔn)灰板的反射率.根據(jù)上述處理過(guò)程得到216個(gè)采樣點(diǎn)的遙感反射率光譜曲線，如圖2.由于水體中各種物質(zhì)的影響，水體光譜曲線表現(xiàn)出明顯的峰值.水體實(shí)測(cè)反射率光譜曲線在藍(lán)波段處的反射率較小，無(wú)明顯峰谷，在波段550 nm處由于懸浮物濃度的影響出現(xiàn)高吸收峰值，在700 nm左右的波段出現(xiàn)較小峰值.

圖2 岱海水體實(shí)測(cè)遙感反射率光譜曲線

1.2.2 透明度 在岱海水域開(kāi)展的6次野外調(diào)查中，與遙感反射率同步采集了216組透明度(SDD)數(shù)據(jù).透明度是以塞氏圓盤現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，將塞氏圓盤放入水中，以消失在視野中時(shí)的下沉深度作為觀測(cè)點(diǎn)的透明度值[31].本文將透明度作為基本參數(shù)計(jì)算了水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI(詳見(jiàn)2.1節(jié)).

1.3 遙感數(shù)據(jù)

本文利用Sentinel_2 MSI和Landsat_5 TM、Landsat_7 ETM+、Landsat_8 OLI遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)反演.MSI Level-2A數(shù)據(jù)是由Sen2cor軟件得到.OLI-SR 數(shù)據(jù)是基于 6S 大氣輻射傳輸模型處理獲得[32].TM/ETM+的SR數(shù)據(jù)由LEDAPS算法生成[33].使用ENVI IDL進(jìn)行批量裁剪及重采樣處理，隨后利用MATLAB軟件進(jìn)行NDVI水體提取和遙感反演.

本文獲取到1986-2020年間(缺少1988年遙感影像)岱海區(qū)域遙感數(shù)據(jù)，包括1986-1999年間Landsat_5 TM影像共69景，2000-2012年間Landsat_7 ETM+影像共66景，2013-2020年間Landsat_8 OLI影像共47景，2019-2020年間Sentinel_2 MSI 影像共29景.采用gapfill插件進(jìn)行了ETM+影像條帶修補(bǔ).Landsat系列數(shù)據(jù)均來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)(https://earthexplorer.usgs.gov/)的地表反射率產(chǎn)品，Sentinel_2數(shù)據(jù)來(lái)自歐空局官網(wǎng)(https://scihub.copernicus.eu/)的MSI Level-2A 級(jí)地表反射率產(chǎn)品.

此外，從中國(guó)氣象信息中心(http://data.cma.cn)下載了1986-2020 年間涼城氣象站的氣溫、降水和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，用于研究湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)與氣象因素之間的關(guān)系.由于岱海湖泊存在結(jié)冰期，對(duì)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用4-10月份的月平均值以及年平均值.

2 方法

2.1 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

卡爾森(1977年)提出了TSI與透明度、葉綠素和總磷等參數(shù)相關(guān)聯(lián)的理論解釋，開(kāi)發(fā)了基于透明度為核心的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù).透明度易于獲得，是水生生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的綜合代理，由水體中的懸浮物、藻類和溶解有機(jī)物控制，通過(guò)控制水下光場(chǎng)而影響水生植物和生物的初級(jí)生產(chǎn)能力[34].本文采用透明度單個(gè)水質(zhì)指標(biāo)來(lái)計(jì)算營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[35-36]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，SDD為透明度，ln2為2的自然對(duì)數(shù).根據(jù)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站頒布的《湖泊(水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)技術(shù)規(guī)定》，可將湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分為3類，TSI<30為貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、30≤TSI≤50為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、TSI≥50為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)又可分為，輕度富營(yíng)養(yǎng)化(5070).

2.2 色度角alpha

與FUI相比，色度角alpha是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值變量，用一個(gè)數(shù)字表示光譜的顏色[22].色度角是(x，y)坐標(biāo)的極角，通過(guò)將3個(gè)可見(jiàn)光波段的Rrs轉(zhuǎn)換到國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)色彩空間中的坐標(biāo)(X，Y，Z)，再將其轉(zhuǎn)化為CIE色度系統(tǒng)內(nèi)的色度坐標(biāo)(x，y，z).為了清晰量化CIE系統(tǒng)中的顏色，將坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到(1/3，1/3)處，則每個(gè)(x，y)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的坐標(biāo)(x′，y′)[37-39].CIE-RGB分別選取為665、560、490 nm波段.

CIE-RGB與CIE-XYZ之間的轉(zhuǎn)換公式如下：

X=2.7689R+1.7517G+1.1302B

Y=1.0000R+4.5907G+0.0601B

Z=0.0000R+0.0565G+5.5934B

(3)

CIE色度坐標(biāo)(x，y，z)是從X、Y、Z通過(guò)歸一化到0～1之間計(jì)算獲得.又基于色度坐標(biāo)(x，y)，建立新的坐標(biāo)系(x′，y′).公式如下：

x′=y-1/3

y′=x-1/3

(4)

基于新坐標(biāo)，色度角計(jì)算公式如下：

alpha=arctan2(x′,y′)180/π

(5)

式中，arctan2函數(shù)表示雙變量反正切函數(shù)，值域?yàn)?0°，360°)，x′和y′表示新坐標(biāo)系中的坐標(biāo).

2.3 經(jīng)驗(yàn)算法建立

色度角是一個(gè)定義明確的物理量，它直接與光學(xué)深水的組成和固有光學(xué)性質(zhì)有關(guān)[22]，可以表示水體顏色，且不同混濁和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水在色階上的呈現(xiàn)不同[37].因此，本文通過(guò)最小二乘回歸試圖建立TSI與alpha之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系.

TSI=a·alpha+b

(6)

式中，a和b為模型系數(shù).

2.4 精度檢驗(yàn)

利用均方根誤差(RMSE)、平均百分比誤差(MAPE)評(píng)價(jià)反演模型精度，公式分別為：

(7)

(8)

式中，ximea和xipre分別為模型估計(jì)TSI和實(shí)測(cè)估計(jì)TSISDD，N為采樣點(diǎn)數(shù).

2.5 數(shù)據(jù)分析

為了探究岱海水體營(yíng)養(yǎng)化的主要?dú)夂蜃兞浚紫壤肧PSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了Z-score標(biāo)準(zhǔn)化，隨后使用Amos 24.0軟件創(chuàng)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)，量化了氣溫、降雨量和風(fēng)速對(duì)岱海水體營(yíng)養(yǎng)化的影響，并利用絕對(duì)擬合值數(shù)：擬合優(yōu)度指數(shù)(GFI)、近似均方根誤差(RMSEA)和相對(duì)擬合值數(shù)：比較擬合指標(biāo)(CFI)進(jìn)行模型擬合度檢驗(yàn).則GFI和CFI大于0.9，越接近1越好，RMSEA小于0.05時(shí)模型擬合良好.

3 結(jié)果與分析

3.1 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)遙感反演模型

本文試圖尋找基于遙感反射率R、G、B波段運(yùn)算的alpha與TSISDD之間的關(guān)系.將alpha作為自變量，TSISDD視為因變量(圖3a)，利用隨機(jī)抽樣選取的162組實(shí)測(cè)透明度和遙感反射率數(shù)據(jù)，采用最小二乘法確定模型參數(shù)，建立岱海湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)遙感評(píng)估模型，公式如下：

圖3 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的TSISDD與色度角alpha散點(diǎn)圖(a); 模型檢驗(yàn)(b)

TSI=0.65alpha-45.78

(9)

利用剩余的54組數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?圖3b)，可以看出反演TSI與實(shí)測(cè)TSISDD較均勻分布在1∶1線兩側(cè).根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，R2=0.74，MAPE=4.84%，RMSE=3.66，表明本文建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途容^高，可以很好地反映岱海的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).將模型應(yīng)用于216組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，如表1所示.岱海共216個(gè)采樣點(diǎn)，其中3個(gè)采樣點(diǎn)為中營(yíng)養(yǎng)化，213個(gè)采樣點(diǎn)為富營(yíng)養(yǎng)化(其中，屬于輕度富營(yíng)養(yǎng)化的站點(diǎn)最多，為96)，無(wú)貧營(yíng)養(yǎng)化采樣點(diǎn).

表1 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估模型評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估模型的遙感應(yīng)用

3.2.1 Sentinel_2 MSI反射率驗(yàn)證 利用時(shí)空匹配的實(shí)測(cè)遙感反射率數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了 MSI 和 OLI 數(shù)據(jù)的大氣校正結(jié)果，見(jiàn)圖4.從圖4a、b、c和e可以看出，2019年10月9日(R2=0.82，RMSE=0.01 sr-1，MAPE=31.70%)、2020年6月14日(R2=0.92，RMSE=0.01 sr-1，MAPE=49.84%)、2020年7月19日(R2=0.77，RMSE=0.01 sr-1，MAPE=27.37%)和2020年10月12日(R2=0.72，RMSE=0.01 sr-1，MAPE=42.42%)的實(shí)測(cè)與Sentinel_2 MSI光譜反射率具有較好的一致性.圖4d為2020年8月24日實(shí)測(cè)與Landsat_8 OLI光譜反射率之間的R2=0.57，RMSE=0.01 sr-1，MAPE=31.0%.這些結(jié)果表明了MSI和OLI數(shù)據(jù)大氣校正結(jié)果的可靠性.

3.2.2 Sentinel_2 MSI反演結(jié)果驗(yàn)證 根據(jù)同步野外實(shí)測(cè)日期的時(shí)空匹配遙感影像，利用2019年10月8日、2020年6月14日和2020年10月12日的MSI數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了alpha和TSI反演結(jié)果(圖5).從圖5a中可以看出，實(shí)測(cè)與同一天MSI數(shù)據(jù)反演得到的色度角alpha具有較好的一致性，R2=0.69，MAPE=2.51%，RMSE=5.43°.圖5b中，基于本文經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱莸玫降腡SI與實(shí)測(cè)TSISDD的驗(yàn)證結(jié)果為，R2=0.42，MAPE=4.87%，RMSE=6.31.這些結(jié)果表明了基于MSI數(shù)據(jù)的alpha和TSI反演結(jié)果的可靠性.

3.2.3 Landsat _8 OLI與Sentinel_2 MSI反演結(jié)果對(duì)比 利用 2020 年 8 月 24 日數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了OLI 數(shù)據(jù)反演得到的alpha和TSI結(jié)果.從圖6可以看出精度檢驗(yàn)看出，alpha和TSI都得到了較好的反演結(jié)果，檢驗(yàn)精度分別為R2=0.84，RMSE=9.28°，MAPE=4.65%和R2=0.85，RMSE=5.76，MAPE=7.64%，說(shuō)明反演效果較好.

圖6 實(shí)測(cè)alpha(a)、TSI(b)與Landsat_8 OLI遙感反演對(duì)比

利用 2019 年 4 月 16 日的 MSI 與 OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，alpha驗(yàn)證結(jié)果如圖7a，為R2=0.86，RMSE=1.60°，MAPE=0.70%.TSI驗(yàn)證結(jié)果如圖7b，為R2=0.86，RMSE=1.04，MAPE=1.18%.從精度檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看 MSI 和 OLI 數(shù)據(jù)在反演水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)方面有很好的一致性.

圖7 Sentinel_2 MSI 與 Landsat_8 OLI 的交叉驗(yàn)證

根據(jù)本文建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利?019年10月8日、2020年6月14日、7月21日、8月24日和10月12日的遙感影像進(jìn)行岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)遙感反演(圖8).從圖中可以看出，在6月14日水體南部富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象較嚴(yán)重，7月21日水體東部富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象增加南部稍緩，且8月24日岱海西南部富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象增加，水質(zhì)整體下降，到10月12日水體富營(yíng)養(yǎng)化逐漸緩和.2019年10月相較于2020年10月水質(zhì)狀況較好(圖8a).如圖8b岱海富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)圖中可以看出，2019年10月8日、6月14日以及7月21日岱海主要處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，8月24日和10月12日處于輕度富養(yǎng)狀態(tài)，但 8月24日邊緣部分富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重，7月21日相較于其他日期水質(zhì)狀況較好.總體上，岱海水體水陸邊界附近營(yíng)養(yǎng)化存在較嚴(yán)重現(xiàn)象，且逐漸往湖中心趨于緩和.

圖8 岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)遙感反演(a)和富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)(b)

3.2.4 岱海水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)年際變化 本文利用時(shí)間序列Landsat_5 TM、Landsat_7 ETM+、Landsat_8 OLI和Sentinel_2A遙感影像，用上述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)反演，并除以給定年份的圖像總數(shù)得到1986-2020年岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)年平均空間分布圖(圖9)和岱海富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)空間分布圖(圖10).

圖9 岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)年平均空間分布

從1986-2020年岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)年度動(dòng)態(tài)中(圖9)可以看出，1986-1993年岱海湖富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，主要在南部以及西南部富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重，1992年和1993年湖泊污染最嚴(yán)重，湖泊整體呈現(xiàn)出中度富營(yíng)養(yǎng)化.從1994年開(kāi)始富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象逐漸好轉(zhuǎn)，2002年中營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象最為明顯.到2006年輕度富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象又逐漸加重，2007年南部離岸附近富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象進(jìn)一步加重.2008年水體中營(yíng)養(yǎng)化所占區(qū)域增大，到2009年又進(jìn)入輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，中營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域減少，且南部邊緣區(qū)營(yíng)養(yǎng)化稍加嚴(yán)重.2010年和2011年水體又轉(zhuǎn)變?yōu)橹袪I(yíng)養(yǎng)化，尤其在2010年出現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，為水質(zhì)最好時(shí)期.2012年又恢復(fù)到富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，且在2013年以及2014年?duì)I養(yǎng)化現(xiàn)象好轉(zhuǎn)，中營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域逐漸增加但從2015年以來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化又加重，在2016年開(kāi)始水體輕度富營(yíng)養(yǎng)化開(kāi)始出現(xiàn)在湖岸附近，水體整體以重度富營(yíng)養(yǎng)化為主，到2018年逐漸轉(zhuǎn)變中度富營(yíng)養(yǎng)化.2019年水體營(yíng)養(yǎng)狀況好轉(zhuǎn)，但在2020年又進(jìn)入輕度富營(yíng)養(yǎng)化.總體來(lái)講，從1986-2020年之間，岱海水體營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象大體上從邊緣逐漸向湖中心趨于緩和，重度富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象主要出現(xiàn)水陸邊界線附近，離岸邊越近富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象越嚴(yán)重，趨向湖中心則以中營(yíng)養(yǎng)為主，可得出岱海水體長(zhǎng)期處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，并在中度富營(yíng)養(yǎng)化或中營(yíng)養(yǎng)化之間轉(zhuǎn)換(圖10).

圖10 岱海富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)

3.2.5 岱海水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)月變化 從圖11明顯可以看出，4月和5月水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，其次為10月，主要出現(xiàn)在湖泊邊緣區(qū)域，湖中心則以中度富營(yíng)養(yǎng)化為主.此外，6月雖然是以中度富營(yíng)養(yǎng)化為主，但湖中心區(qū)域出現(xiàn)中營(yíng)養(yǎng)化，7月和9月水質(zhì)情況相同，水體以中營(yíng)養(yǎng)為主，邊緣區(qū)域則為輕度富營(yíng)養(yǎng)化.8月為水質(zhì)狀況最好時(shí)期，主要以中營(yíng)養(yǎng)化為主，湖中心出現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，且湖岸附近明顯為輕度富營(yíng)養(yǎng)化.大致與岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)年度動(dòng)態(tài)變化相同，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重部分主要在水路邊界附近，趨向湖中心營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)一般則降一個(gè)度，水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況最好區(qū)域一般出現(xiàn)在湖中心部分.

圖11 岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)月平均空間分布(a)和富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)(b)

3.3 岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)影響因素分析

為說(shuō)明岱海湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化驅(qū)動(dòng)因素，收集了氣候因素?cái)?shù)據(jù)，分別為氣溫、風(fēng)速、降水量等.在湖泊的演變過(guò)程中，氣候起著十分重要的作用，尤其對(duì)我國(guó)干旱半干旱區(qū)域的內(nèi)陸湖泊，氣候變化對(duì)環(huán)境的影響更為強(qiáng)烈和直接[40].從圖12可以看出，1986-2020年涼城縣氣象站年平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，降雨量和風(fēng)速整體無(wú)明顯趨勢(shì)，但降水量在相鄰年間的波動(dòng)較大.總體上，氣溫、風(fēng)速、降水量等與年平均營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，但在部分時(shí)間段上呈現(xiàn)出正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系.利用1986-2020年涼城縣氣象站獲取月平均降水量、月平均氣溫和月平均風(fēng)速(圖13)用以分析岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).可以看出，TSI與風(fēng)速趨勢(shì)大致相同，都是6-8月逐漸下降，再?gòu)?-10月上升，8月為最低點(diǎn).TSI與降水量趨勢(shì)大致相反，與氣溫之間的相關(guān)性不太顯著.

圖12 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)與年平均氣象因素趨勢(shì)

圖13 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)與月平均氣象因素趨勢(shì)

采用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)方法分析了氣象因素對(duì)TSI的影響.模型擬合度為χ2=2.252、df=2、P=0.324、GFI=0.965、CFI=0.914、近似均方根誤差(RMSEA)=0.062和χ2=9.614、df=2、P=0.008、GFI=0.720、CFI=0.681 和RSEMA=0.797(圖14).結(jié)構(gòu)方程模型表明，潛在變量如氣候因子對(duì)岱海水體年際營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化的解釋率為0.13%，氣溫和風(fēng)速對(duì)其間接影響屬于負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.26和-0.14，降水量對(duì)其間接影響屬于正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.16.對(duì)于月平均營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化的解釋率為93%，其中與氣溫和降雨量為負(fù)相關(guān)，風(fēng)速為正相關(guān)，間接影響可達(dá)93%，與圖13展現(xiàn)的相關(guān)性一致.氣候因子對(duì)岱海水體年際營(yíng)養(yǎng)化影響并不顯著，但與月平均營(yíng)養(yǎng)化的相關(guān)性較高.氣溫對(duì)年際變化或月平均TSI的影響都表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，岱海流域氣溫呈現(xiàn)出逐年上升趨勢(shì)，水體溫度的升高，影響了水體浮游植物的光合作用[41].風(fēng)速無(wú)明顯年變化性，但月變化明顯.風(fēng)速過(guò)大，引起湖底泥沙攪動(dòng)，沉積懸浮物升起使得水體透明度下降，從而影響水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).此外，另有研究表明，風(fēng)浪擾動(dòng)引起懸浮的營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)主要以顆粒態(tài)為主，而能被藻類直接利用的溶解濃度變化不大，并且水柱中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度隨著風(fēng)速減弱、顆粒物沉降而逐漸降低[42].淺層富營(yíng)養(yǎng)化湖泊對(duì)風(fēng)速下降極其敏感，隨著風(fēng)速降低，尤其是低風(fēng)速持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，湖底間歇性缺氧/厭氧的概率增加，會(huì)導(dǎo)致淺水湖泊中底泥溶解性養(yǎng)分的高釋放，從而加重水體富營(yíng)養(yǎng)化[43].降雨量對(duì)年平均TSI的影響并不明顯，是由于岱海地區(qū)降水量少而集中，主要體現(xiàn)在年平均降水量較少，從而對(duì)TSI的影響微小呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；相反，對(duì)于月平均降水量主要表現(xiàn)為集中的特點(diǎn)，從而對(duì)TSI的影響較大呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系.

圖14 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)影響因素結(jié)構(gòu)方程模型(年平均數(shù)據(jù)和月平均數(shù)據(jù))(矩形表示測(cè)量變量，而圓圈表示潛在變量.與路徑箭頭相關(guān)聯(lián)的值表示標(biāo)準(zhǔn)化的路徑系數(shù))

4 結(jié)論與討論

本文得到的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)反演結(jié)果存在一定的不確定性，主要體現(xiàn)在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)時(shí)間和空間尺度上的不一致，并且有些年份中月影像數(shù)據(jù)的缺失，以及由于2003年ETM+機(jī)載掃描行校正器發(fā)生故障，導(dǎo)致之后收集的數(shù)據(jù)缺失出現(xiàn)條帶狀，等現(xiàn)象均可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響.本文研究中采用透明度作為參數(shù)，與張運(yùn)林等的研究相比指標(biāo)參數(shù)過(guò)于單一.在進(jìn)一步的研究中，需要結(jié)合其他遙感數(shù)據(jù)以及參數(shù)，需對(duì)alpha展開(kāi)更為深入的研究.

本文利用實(shí)測(cè)光譜和透明度數(shù)據(jù)，基于營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和色度角之間建立了適于岱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)模型進(jìn)行了精度檢驗(yàn).隨后，將算法應(yīng)用到Sentinel_2 MSI、Landsat_5 TM、Landsat_7 ETM+和Landsat_8 OLI遙感影像，分析了1986-2020年間岱海水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)空分布特征，并使用結(jié)構(gòu)方程模型分析了水體富營(yíng)養(yǎng)化的氣候影響因素，具體結(jié)論如下：

1)利用Sentinel_2 MSI和Landsat_8 OLI數(shù)據(jù)，基于實(shí)測(cè)TSI數(shù)據(jù)與色度角，建立了營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估模型，用于預(yù)測(cè)北方內(nèi)陸湖泊-岱海水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).采用交叉驗(yàn)證方法進(jìn)行精度驗(yàn)證，檢驗(yàn)精度結(jié)果較好(R2=0.70，MAPE=7.4%，RMSE=5.20).

2)將該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用到Sentinel_2 MSI和Landsat_8 OLI衛(wèi)星數(shù)據(jù)，反演水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).利用Sentinel_2 MSI反演的TSI進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明遙感反演結(jié)果較好，TSI的檢驗(yàn)精度為R2=0.42，MAPE=4.87%，RMSE=6.31；alpha的檢驗(yàn)精度為R2=0.69，MAPE=2.51%，RMSE=5.43°.

3)通過(guò)時(shí)間序列MSI、TM、ETM+和OLI數(shù)據(jù)得到了岱海1986-2020年的時(shí)空分布圖.從1986-2020年之間，岱海水體面積逐年減少，且多數(shù)時(shí)間處在輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，并與中營(yíng)養(yǎng)化或中度富營(yíng)養(yǎng)化之間切換，水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象大體上從邊緣逐漸向湖中心趨于緩和，離岸邊越近富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象越嚴(yán)重，趨向湖中心則以中營(yíng)養(yǎng)為主，貧營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象極少.

4)岱海的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)空變化與氣溫、風(fēng)速和降水量等相關(guān)性并不顯著，氣候因子對(duì)其解釋率為13%.營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)月變化與氣候因子影響顯著，對(duì)其解釋率為93%.