紀(jì)偉濤,鄔國鋒,吳建東,劉觀華,文思標(biāo),羅盛金,余俊,曾南京

(1.鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)管理局,江西南昌 330038;2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北武漢 430079;3.教育部地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室,湖北武漢 430079)

湖泊在經(jīng)濟(jì)、旅游、娛樂以及生物多樣性保護(hù)等方面承擔(dān)著多種非常重要的功能[1]。這些功能的實現(xiàn)在很大程度上受水質(zhì)影響。水體透明度是描述湖泊總體水質(zhì)的重要參數(shù)之一[2],獲得、分析其季節(jié)性變化規(guī)律以及研究這種變化規(guī)律與其他影響因子(如水位)之間的關(guān)系對于管理和保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng),維持其功能的可持續(xù)發(fā)展是必要的。

傳統(tǒng)上,采用塞克盤(secchi disk)測量水體透明度,即塞克盤在水中的最大可見深度,因此水體透明度也稱為塞克盤深度(secchi disk depth,SDD)。由于太陽光在湖面的反射以及操作者自身因素的影響,這種方法獲得的量測值存在很大誤差。而且這種方法勞動強(qiáng)度大,獲取的量測值也只具有局部代表意義,不能精確反映透明度的空間變化。另外,在監(jiān)測透明度隨時間動態(tài)變化時,要進(jìn)行重復(fù)測量,往往需要大量的人力和財力。再者,在偏遠(yuǎn)的、人們無法親臨的水域,這種方法更是無能為力[3]。

遙感技術(shù)現(xiàn)已逐漸成為估算水體透明度的一種快速且費(fèi)用低廉的方法。其中,中分辨率成像光譜儀(MODIS)影像在很多地方的水體透明度反演中得到應(yīng)用,如Wu等[4]基于MODIS建立了鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)的水體透明度反演模型,并且總結(jié)因MODIS影像的免費(fèi)獲得、光譜敏感性以及重復(fù)周期短等優(yōu)點(diǎn),其在動態(tài)監(jiān)測水體透明度方面具有很大的潛力。

本研究結(jié)合鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大湖池野外量測的和基于MODIS影像反演得到的水體透明度分析其季節(jié)性變化規(guī)律,并探討其與水位之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)位于鄱陽湖西北角(圖1),大湖池是其所屬的9個湖泊之一。該保護(hù)區(qū)具有豐富的生物多樣性,其中有約102種水生植物和122種魚類;鳥類多達(dá)300多種,是世界上最大的鳥類保護(hù)區(qū)之一,其中,鄱陽湖(包括保護(hù)區(qū))越冬白鶴占全球總數(shù)的 95%以上,被稱為“白鶴世界”[5]。在夏季豐水期保護(hù)區(qū)與鄱陽湖水體融為一體,而在冬季枯水期與之分離。因大部分時間受鄱陽湖水位的影響,大湖池水位存在明顯的季節(jié)性變化規(guī)律,而且波動明顯。

圖1 鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)和大湖池的位置

1.2 水位和水體透明度

自1999年開始,鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)管理局開始實施系統(tǒng)的水體透明度量測工作。量測涵蓋包括大湖池在內(nèi)的4個湖泊。量測時間從每年的4月初開始,10月底結(jié)束,每次量測間隔大約1周。每次在每個湖泊中進(jìn)行5個固定采樣點(diǎn)的水體透明度量測,量測的工具為?20 cm的塞克盤。同時在這些湖泊中記錄每日的水位信息。研究中僅采用2003～2006年大湖池的水體透明度和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 MODIS影像

大湖池的水體透明度記錄僅局限于4～10月,借助MODIS影像反演水體透明度可以補(bǔ)充這種記錄的不足。利用美國國家航空航天局(NASA)的Earth Observing System Data Gateway下載覆蓋鄱陽湖地區(qū)2003～2006年MODIS Terra 250m分辨率地面反射率產(chǎn)品,每月一景。對下載影像作如下預(yù)處理:首先把所有影像的投影方式轉(zhuǎn)換為WGS84/UTM投影;然后裁剪出只包括大湖池的矩形區(qū)域;接下來進(jìn)行裁剪影像的非監(jiān)督分類以及目視判讀,確定水域,制作掩膜層,并利用掩膜層進(jìn)行圖像的掩膜操作,提取大湖池水域。

1.4 基于MODIS的水體透明度反演

Wu等[4]建立了鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)水體透明度的自然對數(shù)值(ln(SDD))與MODIS影像紅波段反射率Rred之間的線性關(guān)系模型(ln(SDD)=0.76～14.72Rred),此模型利用MODIS紅波段能夠反映85%的水體透明度的變化。利用此模型結(jié)合處理的時間序列MODIS影像進(jìn)行大湖池水體透明度的反演。

1.5 水位和水體透明度的季節(jié)性變化及其關(guān)系

計算大湖池每次實地測量的5個采樣點(diǎn)水體透明度平均值以及從每景MODIS影像反演的整個湖區(qū)的水體透明度平均值。用這些平均值代表野外量測時或者影像獲取時大湖池水體透明度的一般情況,進(jìn)而合并這些數(shù)據(jù)進(jìn)行大湖池水體透明度的季節(jié)性變化分析。然后在分析大湖池水位變化規(guī)律的基礎(chǔ)之上,研究其與水體透明度之間的關(guān)系,并用雙線性回歸模型對其關(guān)系進(jìn)行模擬。

2 結(jié) 果

基于時間序列MODIS影像的水體透明度反演結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)大湖池水體隨時間和空間的變化規(guī)律,即水體透明度在春、秋和冬季較低,其空間分布差別比較小,而在夏季較高,空間分布差別也比較大。

圖3(a)顯示了2003～2006年大湖池野外量測和從MODIS影像反演得到的水體透明度的動態(tài)變化情況。從圖3(a)中可以發(fā)現(xiàn)水體透明度的季節(jié)性變化規(guī)律,即水體透明度在冬季和春季比較低,從4～5月份開始增加,于7～8月份達(dá)到最高值,從9月開始下降;水體透明度在冬季變化不明顯,而在夏季波動較大。圖3(b)顯示了大湖池每日的水位信息,從圖3(b)中可以發(fā)現(xiàn)水位動態(tài)變化的一般規(guī)律,即水位在冬季和早春比較低,從春末開始增加,在夏季達(dá)到最高,然后從秋末開始回落;水位在春季的上升趨勢和秋末的下降趨勢比較明顯;水位冬季波動比較小,而夏季較大。

圖2 從時間序列的中分辨率成像光譜儀(MODIS)影像反演的大湖池2003～2006年的水體透明度

通過對大湖池水體透明度(野外量測值和影像反演值)和水位之間關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)如下雙線性回歸模型能夠比較好地反映二者之間的關(guān)系(圖4),水位變化能夠反映70%的透明度變化:

式中:ln(SDD)為水體透明度的自然對數(shù)值;hWL為水位。

圖3 野外量測以及從中分辨率成像光譜儀(MODIS)反演的大湖池水體透明度;大湖池水位過程(國家85高程系統(tǒng))

圖4 大湖池水體 ln(SDD)和 hWL之間的回歸擬合

當(dāng)hWL低于大約14.75m時,水體透明度隨著水位的增加而增加;當(dāng)hWL高于這個值時,水體透明度無明顯的變化趨勢,水體透明度的自然對數(shù)值約等于0,即水體透明度約為1m。

3 討論和結(jié)論

用大湖池水體透明度實測數(shù)據(jù)無法全面反映其季節(jié)性變化規(guī)律,因為記錄值僅局限于4～10月份。通過與遙感技術(shù)結(jié)合,補(bǔ)充了實地測量記錄的局限性,為全面分析大湖池水體透明度的季節(jié)性變化規(guī)律提供了可能。

筆者通過大湖池野外量測和從MODIS影像反演的水體透明度的結(jié)合發(fā)現(xiàn)大湖池水體透明度的季節(jié)性變化規(guī)律,進(jìn)而在分析水位季節(jié)變化規(guī)律的基礎(chǔ)之上,發(fā)現(xiàn)水位和水體透明度具有很好的相關(guān)性,水位變化能夠反映70%的透明度變化。然而,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),水體透明度和水位之間并不存在直接的因果關(guān)系,即水位變化無法直接反映水體透明度變化的。內(nèi)陸湖泊水體透明度主要受浮游藻類、懸浮泥沙和溶解性有機(jī)物的影響,而在鄱陽湖其主要影響因素是懸浮泥沙[6]。這樣,在低水位時(冬季水深一般小于1m)因風(fēng)力的作用而引起泥沙的再懸浮降低水體透明度,而在高水位時(夏季水深大于2m,甚至5 m)風(fēng)力引起泥沙再懸浮的作用減弱,而保證水體透明度比較穩(wěn)定。另外,夏季湖中生長的水生植物也可以在一定程度上限制泥沙的再懸浮,而在冬季無植物生長的湖底為泥沙的再懸浮提供了條件。

盡管懸浮泥沙通過水位的變化能夠解釋水體透明度的一般變化規(guī)律。但這樣的統(tǒng)計規(guī)律是基于其他潛在影響因素一般水平的基礎(chǔ)之上,而這些因素的變化,如降雨的多和少,風(fēng)速的強(qiáng)與弱都有可能在相同水位下引起水體透明度的波動。

[1] JORGENSEN S E,LOFFLER H,RAST W,et al.Lake and reservoir management[M].Developments in Water Science.Amsterdam:Elsevier Publishers,2005,54:502.

[2] LI Rui-qiu,LI J.Satellite remote sensing technology for lake water clarity monitoring:an overview[J].Environmental Informatics Archives,2004(2):893-901.

[3] 鄔國鋒,劉耀林,紀(jì)偉濤.基于TM影像的水體透明度反演模型:以江西鄱陽湖國家自然保護(hù)區(qū)為例[J].湖泊科學(xué),2007,19(3):235-240.

[4] WU G,De LEEUW J,SKIDMORE A K,et al.Comparison of MODIS and Landsat TM5 images for mapping tempo-spatial dynamics of Secchi disk depths in Poyang Lake national nature reserve,China[J].International Journal of Remote Sensing,2008,29(8):2183-2198.

[5] 吳英豪,紀(jì)偉濤.江西鄱陽湖國家自然保護(hù)區(qū)研究[M].北京:中國林業(yè)出版社,2002.

[6] 金相燦,屠清瑛.中國湖泊富營養(yǎng)化[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1990.