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1、 J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(2): 288-297 http:/www.jlakes.org. E-mail: 2009 by Journal of Lake Sciences 基于时间序列MODIS影像的鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度反演及变化* 邬国锋1, 崔丽娟2*, 纪伟涛3 (1: 武汉大学资源与环境科学学院, 教育部地理信息系统重点实验室, 武汉 430079) (2: 中国林业科学研究院林业研究所, 国家林业局林木培育重点实验室, 北京 100091) (3: 鄱阳湖国家级自然保护区管理局, 南昌 330038) 摘 要: 悬浮泥沙浓度是描述水质的重要
2、参数之一, 获得其在空间和时间上的分布信息对于理解、管理和保护湖泊生态系统是必要的. 此研究旨在建立基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)影像的鄱阳湖悬浮泥沙浓度反演模型, 并利用建立的模型反演2000-2007 年鄱阳湖丰水期的悬浮泥沙浓度, 分析其在时间和空间上的变化特征并对引起这些变化的原因进行讨论. 研究结果揭示: MODIS Terra 影像红波段与悬浮泥沙浓度具有显著的相关性(R2=0.92, s.e.=12.02mg/L, F=154.30, P0.001), 可以用于鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度的反演; 自 2000-2007 年间, 鄱阳湖悬浮泥沙浓度呈明显的时间和空间分布特征,
3、在南部水体悬浮泥沙浓度无明显变化, 在北部呈增加趋势, 而中部水体泥沙浓度波动较大; 鄱阳湖北部的采砂活动是导致此区域悬浮泥沙浓度增加的主要原因, 其与长江江水倒灌鄱阳湖共同作用引起鄱阳湖中部泥沙浓度的波动, 抚河、信江和饶河输沙量的非显著变化也导致南部鄱阳湖水体悬浮泥沙浓度的非显著变化. 关键词: 鄱阳湖; MODIS; 悬浮泥沙浓度; 反演; 变化分析 Time-series MODIS images-based retrieval and change analysis of suspended sediment concentration during flood period in
4、Lake Poyang WU Guofeng1, CUI Lijuan2 2008-09-14收修改稿. 邬国锋, 男, 副教授; E-mail: . * 通讯作者; E-mail: . 邬国锋等: 基于时间序列 MODIS 影像的鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度反演及变化 289of sediments from Rivers Fuhe, Xinjiang and Raohe caused the non-significant change of SSC in the south lake. Keywords: Lake Poyang; MODIS; suspended sediment conc
5、entration; retrieval; change analysis 湖泊在经济、旅游、娱乐以及生物多样性保护等方面承担着多种非常重要的功能1, 这些功能实施的成败在很大程度上受水质的影响. 因此, 水质监测和保护对保持湖泊功能的可持续性是必不可少的. 悬浮泥沙浓度是描述水质的重要参数之一2-4, 高悬浮泥沙浓度对水体的生态环境带来一定的影响, 例如传输养分和污染物5-6和消弱光在水体内的传播7-8. 其中, 光的消弱将影响水生植物的生长9-10, 进而影响整个湖泊生态系统11. 因此, 获得悬浮泥沙浓度在空间和时间上的分布信息对于理解、管理和保护湖泊生态系统是必要的. 遥感技术已经广泛
6、地用于悬浮泥沙浓度的估计. 例如, Nellis 等12以及 Keiner 和 Yan13分别利用Landsat TM 影像反演美国 Tuttle Creek 水库和 Delaware 湾的悬浮泥沙浓度, Tyler 等14借助 TM 影像估计欧洲 Balaton 湖的悬浮泥沙浓度. 然而, 由于悬浮泥沙浓度在一些区域具有快速变化的特点, 同时鉴于重复周期(16d)的限制, TM 影像对于这样的动态变化监测并不非常适合. 另外, 在世界的很多区域, 频繁的云层覆盖减少实际可用的影像数目, 这将进一步限制 TM 影像在动态监测悬浮泥沙浓度领域的应用15. Islam 等16和 Ruhl 等17使
7、用改进型甚高分辨率扫描辐射仪(AVHRR)影像分别在孟加拉国的 Ganges 和Brahmaputra 河流以及美国的 San Francisco 湾预测水体的悬浮泥沙浓度. 尽管 AVHRR 影像具有非常高的时间分辨率(每天超过 4 次), 但其低的空间分辨率(1.1km)限制了它在面积较小水域的应用. 中分辨率成像光谱仪(MODIS), 因其中等的空间分辨率(红和红外波段为 250m)、日重复周期、高度的敏感性以及免费下载等优点18-19, 在动态监测悬浮泥沙浓度方面具有非常大的应用潜力. 国内外很多的研究人员已经在不同地区对这样的潜力进行了尝试, 例如, Hu 等3、 Miller 和
8、McKee18, Sipelgas 等20, Li 等21以及 Yan和 Tang22等分别在美国、芬兰、非洲、中国和印度利用 MODIS 影像进行悬浮泥沙浓度的反演, 还有学者基于 MODIS 影像在长江南京段、福建近岸海域、黄海及东海海域和长江口反演悬浮泥沙浓度23-26. 鄱阳湖是当前中国第一大淡水湖, 也是水质最好的湖泊之一. 近年来, 随着鄱阳湖流域经济的快速发展, 鄱阳湖水体的污染情况日趋严重. 据江西省水环境监测部门监测, 2002年鄱阳湖水质类水以上的比例占99.7%, 而2006年下降到82.1%, 基本上呈逐年下降趋势. 鄱阳湖的水质和污染问题一直受到多方的高度关注, 保护
9、鄱阳湖这一湖清水是当前鄱阳湖管理和保护工作的重点之一. 基于野外水样采集-实验室分析这样传统方法悬浮泥沙浓度监测已经在鄱阳湖水域或其流域不同程度地展开, 但这样的监测方法很难反映悬浮泥沙浓度在空间上的连续变化情况. 同时, 遥感技术在鄱阳湖水域悬浮泥沙浓度监测方面的应用研究还处于探索阶段. 因此, 基于鄱阳湖当前的情况以及目前监测手段的局限性, 此研究旨在建立基于 MODIS 影像的鄱阳湖悬浮泥沙浓度反演模型, 并用建立的模型反演 2000-2007 年鄱阳湖丰水期的悬浮泥沙浓度, 分析泥沙浓度在时间和空间上的变化特征并对引起浓度变化的原因进行分析. 1 数据 1.1 研究区域 鄱阳湖(东经
10、11550-11644, 北纬 2825-2945)位于江西省北部、长江中下游南岸, 其承赣江、抚河、信江、饶河以及修河等江河来水, 经调蓄后由湖口注入长江, 是一个过水性、吞吐型、季节性的湖泊, 具有“高水是湖、低水似河”独特的自然地理景观, 枯水期面积 1290km2, 平水期面积 2797km2, 丰水期面积 3900km2, 其湿地面积占江西省湿地总面积的 97.2%. 鄱阳湖是长江流域最大的天然洪水调蓄区、长江中下游的重要水源地、我国最大的淡水鱼产区和鱼类种质资源库、世界著名的候鸟越冬栖息地27, 也是中国第一批列入“国际最重要湿地名录”的湿地之一, 其社会、经济和生态地位极其重要.
11、 1.2 水样采集及悬浮泥沙浓度的实验室分析 利用覆盖鄱阳湖 2005 年 10 月 31 日的 Landsat TM 影像目视分析鄱阳湖水体悬浮泥沙浓度的空间分布特征, 然后根据分析的结果进行水样采样样线和 42 个样点的设计(图 1). 在 2007 年 9 月 27 日根据设计的采样方案进行水样的收集. 在野外水样收集时, 通过全球定位系统(GPS)使采样船只定位到预先设计J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(2) 290 的采样点, 然后借助水样采集器在 0.3-0.5m 水深处进行水样的采集. 水样采集之后, 在 24h 之内运回实验室, 并根据悬浮泥沙实验室分析
12、标准进行每个水样的悬浮泥沙浓度的计算. 另外, 武汉大学陈晓玲教授提供了 2005 年 7 月 3-4 日的鄱阳湖悬浮泥沙采样分析结果, 9 个样点的分布如图 1 所示, 信息包括采样点的经纬度和悬浮泥沙浓度, 用此独立数据对建立的模型进行检验. 图 1 MODIS Terra 影像(获取时间: 2007 年 9 月 27 日)红波段影像显示用于建立( ) 和评价()悬浮泥沙浓度反演模型的水样采样点 Fig.1 Red band of MODIS Terra image (captured on 27th September, 2007) showing the sampling sites
13、for developing (+) and validating () suspended sediment concentration retrieval model 1.3 MODIS 影像 为了反演和分析鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度, 借助 NASA 的 Earth Observing System Data Gateway(http:/edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome)下载了覆盖鄱阳湖地区 2000-2007 年 7-9 月的MODIS Terra 地面反射率产品, 除 2007 年 8 月无质量好的影像之外, 其它月份各一景. 此产品包含了经过大
14、气校正的 250m 和 500m MODIS 红、 红外、 蓝和绿波段的地面反射率(关于此产品的详细信息请参照: http:/modis-sr.ltdri.org). 对下载的影像作如下预处理: 首先把所有影像的投影方式转换为 WGS84/UTM投影; 然后裁剪出只包括鄱阳湖的矩形范围内的影像; 其次, 对空间分辨率为 500m 的 3、4 波段(蓝、绿)进行空间重采样, 使其与 1、2 波段(红、红外)的空间分辨率(250m)一致, 然后合并 1-4 波段形成一个影像文件, 以便后续的处理; 最后, 进行影像的非监督分类以及目视判读, 确定水域, 制作掩膜层, 并利用掩膜层进行图像的掩膜操作
15、, 提取水域. 2 方法 2.1 悬浮泥沙浓度反演 首先, 借助 Statistica 6.0 软件, 利用 2007 年 9 月 27 日的 MODIS Terra 影像和同一天野外采集的悬浮泥沙浓度数据进行了如下模型的测试, 以发现最适合的反演模型: (1)悬浮泥沙浓度或其自然对数变换值与波段或波段自然对数变换值的单变量线性和非线性模型: 包11600E邬国锋等: 基于时间序列 MODIS 影像的鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度反演及变化 291括 Linear(线性)、Logarithmic(对数)、Inverse(倒数)、Quadratic(二次)、Cubic(三次)、Power(幂)、Com
16、pound(复合)、 S-curve(S-曲线)、 Growth(增长)和 Exponential(指数)模型; (2)悬浮泥沙浓度或其自然对数变换值与任意两波段或两波段自然对数变换比值的单变量线性和非线性模型, 使用的模型与上同. 然后, 利用发现的最适合模型和 2005年 7月5 日的 MODIS 影像反演当日的鄱阳湖悬浮泥沙浓度, 并与 2005 年 7 月 3-4 日的鄱阳湖悬浮泥沙采样分析结果进行比较分析, 评价模型的精度. 最 后 , 利 用 最 适 合 的 反 演 模 型 对 鄱 阳 湖2000-2007 年 7-9 月的悬浮泥沙浓度进行预测. 2.2 悬浮泥沙浓度分析 利用定义的位于鄱阳湖北部、中部和南部的3 个采样区域(图 2), 针对从每景 MODIS 影像反演的悬浮泥沙浓度, 分别计算这些区域内的平均悬
