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太湖真光层深度的计算及遥感反演

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太湖 真光层 深度 计算 遥感 反演
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J. 湖泊科学 ), 2009, 21(2): 165@2009 湖真光层深度的计算及遥感反演∗李云亮1,2, 张运林1**, 刘明亮1 (1: 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室 , 太湖湖泊生态系统研究站 , 南京 210008) (2: 南京大学地理与海洋科学学院 , 南京 210093) 摘 要 : 真光层是浮游植物进行光合作用的水层 , 真光层反演有利于初级生产力的进一步估算 . 利用 2007006 建立太湖水体非色素颗粒物浓度和叶绿素 反演出太湖冬、夏两季的非色素颗粒物、叶绿素 然后根据在太湖建立的真光层深度与非色素颗粒物、叶绿素 计算得到太湖冬、 夏两季真光层深度空间分布 . 结果表明 , 就整个湖区而言 , 冬季真光层深度变化范围为 均值为 夏季真光层深度变化范围为 均值为 从空间上看 , 冬季时真光层深度的变化规律为 : 南太湖 <西部沿岸 <湖心区 <胥口湾 <贡湖湾 <梅梁湾 <东太湖 <竺山湾 ; 夏季时的变化规律为 : 西部沿岸 <梅梁湾 <东太湖 <湖心区 <贡湖湾 <竺山湾 <南太湖 <胥口湾 . 从季节上看 , 夏季真光层深度显著大于冬季 , 但不同湖区真光层深度季节变化也存在一定差异 , 其中梅梁湾、贡湖湾、西部沿岸、湖心区、胥口湾、南太湖夏季真光层深度大于冬季 , 而竺山湾和东太湖夏冬变化则不是很明显 . 关键词 : 太湖 ; 真光层深度 ; 非色素颗粒物 ; 叶绿素 a; 反演 of by I , : 10008, P. R . C h i n a ) (2: 10093, P. R . C h i n a ) is as is of is M 007006by of to of on of in in In In as in in of ay in in no ay 光层深度 (般指光强下降到水面光强 1%的深度 , 也有人将水下光强为 14μm2·s)* 中国科学院知识创新工程项目 (国家自然科学基金重点项目 (40730529)联合资助 . 2008−10−01 收稿 ; 2008−12−15 收修改稿 . 李云亮 , 女 , 1983 年生 , 硕士研究生 ; ** 通讯作者 ; J. 湖泊科学 ), 2009, 21(2) 166 对应的深度称为真光层深度[1]. 真光层深度是描述水体表观光学特性的重要参数之一 , 它能表征水体的清澈程度 , 且比透明度更为准确 . 真光层深度受制于水体中非色素颗粒物、浮游植物和有色可溶性有机物 (度和组成[2]. 由于浮游植物和沉水植物光合作用主要发生在这一层 , 因此真光层深度直接影响到浮游植物初级生产力和沉水植物的分布[3 目前 , 计算真光层深度最常见的方法有两种 , 一种是用 进而推算真光层深度[5 一种是根据可见光漫射衰减系数 , 利用辐射传输模式[8 反演出真光层深度 . 这两种方法操作起来都费时费力 , 大面积的同步获取水体真光层深度存在着比较大的困难 . 随着遥感技术的发展、水色遥感的广泛应用 , 水质参数的大面积观测、大尺度调查成为可能 , 遥感手段为真光层的计算提供了新的方法 . 水体真光层的遥感计算一般有 2种模式 : 一是机理模式 , 即利用真光层深度与水体漫衰减系数的关系 , 根据辐射传输模型计算出真光层深度[10 另一种是统计模式 , 很多学者发现真光层深度与某种或多种水质参数 (透明度、 叶绿素和悬浮物浓度 )之间有着较好的统计关系[13 如在大洋水体往往通过叶绿素浓度来计算真光层深度 , 而对于以非色素颗粒物为主的浑浊二类水体 , 真光层深度很大程度上受制于非色素颗粒物浓度 , 其次才是叶绿素 8 本文尝试利用 2007007 建立太湖水体非色素颗粒物浓度和叶绿素 反演出太湖冬、夏季非色素颗粒物、叶绿素 然后根据真光层深度与非色素颗粒物、叶绿素 通过遥感手段反演出冬、夏季太湖真光层深度 . 1 材料与方法 样与测量方法 2006 2006 20070070个采样点(图 1), 进行了表层水质采样 , 样点分布在 4条航线 , 基本覆盖了太湖不同生态类型的湖区 . 采样期间风速均较小 , 因此藻华在不同湖区间漂移堆积的变化不会太明显 . 此外 , 从 2003到 2007年对全湖共进行了 14次采样 , 样点分布均匀 , 遍布全湖 , 涵盖了各个季节 , 共得到 298个采样点的非色素颗粒物、叶绿素 悬浮物用 滤纸过滤 , 采用电子天平称重法测定 . 叶绿素 用90%的热酒精萃取提取色素 , 然后在分光光度计上测定吸光度换算得到叶绿素 1]. 为了从总悬浮物中分离得到非色素颗粒物 , 在实验室培养太湖优势藻种微囊藻和栅列藻 , 在其不同生长阶段测定浮游植物干重和色素浓度 . 同时在风平浪静的天气下 , 从太湖取表层水华回实验室用蒸馏水清洗得到较为纯的浮游植物样品 , 然后置于黑暗条件下让其自然降解 , 定期取样测定浮游植物干重和色素浓度 . 从而得到浮游植物干重与色素浓度的换算关系 , 而非色素颗粒物浓度为总悬浮物浓度与浮游植物干重之间的差值[20]. a+Pa(n=31, P< (1) ) 式中 , a, )、 色素浓度 (µg/L)、 非色素颗粒物 ()和总悬浮物浓度 (). 图 1 太湖采样站点分布 of 云亮等 : 太湖真光层深度的计算及遥感反演 167漫射衰减系数按下式计算[2]: )0 , ,AR(=(3) 式中 , 射衰减系数 , z 为从湖面到测量处的深度 , z)为深度 z 处的向下辐照度 , 0)为水面起始向下辐照度 , 其测定选用美国 司的 92下光量子仪 , 分水下0, 6 层 , 每层记录 3 个数据 , 取平均值 . 通过对不同深度处水下辐照度进行指数回归得到 , 回归效果只有当 深度数 n≥3 时其 才被接受 , 实际拟合的效果 M 数据预处理 本次选用的两期陆地卫星 007006基于 (1)以一幅已经进行过精纠正的 投影为 椭球体为 底图 , 对两期遥感图像进行几何精纠正 , 总误差 图像重采样采用最近邻近点法 , 投影选择 (2)采用 6 校正时需要输入的主要参数有 : 太阳天顶角、卫星天顶角、太阳方位角、卫星方位角 (这些参数可以从 ; 大气组分参数 , 包括水汽、灰尘颗粒度等参数 (本次因缺乏大气实测数据 , 就选用 6—中纬度夏天和中纬度冬天来替代 ); 气溶胶组分参数 , 包括水分浓度以及烟尘、灰尘等在空气中的百分比等参数 (本次选用 “大陆模型 ”来描述标准大气的气溶胶组分等 ); 气溶胶的大气路径长度 (本次用能见度参数表示 ); 观测目标的海拔高度及传感器高度 ; 光谱条件 (可以直接输入光谱波段范围 ,也可以将遥感器波段作为输入条件 ). 6 同时也给出了大气校正系数 大气校正后的反射率以用下式获得 : Y=) (1+ (5) 式中 , (3)利用阈值法以及目视判读 , 确定水域 , 制作水域掩膜 , 利用掩膜进行图像的掩膜操作 , 提取水域 . 2 结果与讨论 光层深度计算式 真光层定义为辐照度为水表面辐照度 1%的上层水域 , 在光学性质均一的水体内 , 透过水域的光线遵从 即辐照度随着深度的增加呈指数衰减 . 假定真光层深度为 由式 (3)可推导出如下真光层深度计算式[2]: ()1 2() ((K=− = =,,(6) 张运林等[20]通过对 2004年 10月 207个采样点的实测数据进行分析 , 认为非色素颗粒物和浮游植物色素能解释 漫射衰减系数变化 , 而真光层深度与漫射衰减系数存在着如公式 6所示的定量关系 , 因此真光层的计算可以通过漫射衰减系数与非色素颗粒物与叶绿素 将 20034次采样的 298个采样点 , 按非色素颗粒浓度从大到小的顺序排列 , 每隔 3个点取出 1个点 , 剩余的 199个点用来建立模型 , 在 绿素 结果如下 : (n=199, P< (7) 将取出的 99个点的非色素颗粒物、叶绿素 7), 计算得到漫射衰减系数 , 与实测值的对比得到平均相对误差为 由此可见 , 由非色素颗粒物和叶绿素 其计算式如下 : J. 湖泊科学 ), 2009, 21(2) 168 a+ (8) 色素颗粒物遥感反演 太湖冬、夏两季各类水质参数浓度如下 : 冬季非色素颗粒物的变化范围为 , , 叶绿素 μg/L, 均值为 ; , 均值为 , 叶绿素 μg/L, 均值为 . 冬夏两季水质参数浓度存在着较大的差异 , 为了获得良好的反演精度 , 采取分季节分别建立两项参数的反演模型 . 为寻找反演太湖非色素颗粒物最合适的波段组合 , 在 计算 段组合与非色素颗粒物浓度之间的 结果表明冬季非色素颗粒浓度与 (b3+ 夏季非色素颗粒浓度与 (b3+2相关系数最高 , 故分别选择 (b3+(b3+2来反演冬、夏两季非色素颗粒浓度 . 剔除受天空状况和水面藻华影响严重的站点 , 有效站点个数冬季为 44, 夏季为 42, 将其按从小到大的顺序排列 , 每隔 3个点取出 1个点 , 剩余的点用来建立模型 , 取出的点用来检验模型 , 最后得到冬夏两季非色素颗粒物反演模型 (表 1). 表 1 基于 像的非色素颗粒物和叶绿素 a 遥感估测模型与误差描述 of of M 号 反演参数 季节 模型 r P 平均相对误差 (%) 1 非色素颗粒物 冬季 b3+ 非色素颗粒物 夏季 b3+2) 叶绿素 a 冬季 叶绿素 a 夏季 两期 中的模型 1、 2逐像元估测太湖的冬夏两季非色素颗粒物浓度 (图 2). 太湖非色素颗粒物的区域分布为湖心区最高 , 其次是梅梁湾、 竺山湾和胥口湾 , 东太湖的浓度最低 . 非色素颗粒物浓度的空间分布究其本质 , 主要是由于风浪、湖区位置、浮游藻类及水中高等植物生长分布共同作用的结果 (图 2). 湖心区非色素颗粒物浓度最高 , 这是由于湖心区开阔 , 风速较大 , 年月平均风速要比湖岸大 s[22] , 在风浪作用下底泥发生再悬浮 . 非色素颗粒物最低值发生在东太湖是由于东太湖位于太湖东南部的一个狭长湖湾 , 受风浪的作用小 , 再加上东太湖的沉水植物和挺水植物对水体起着过滤、净化、 消浪和抑制底泥上浮的作用[23]. 从不同的季节来看 , 对反演出的非色素颗粒物浓度进行统计 , 冬季浓度为 , 平均值为 ; 夏季浓度为 , 平均值为 . 遥感反演得到冬、夏两季非色素颗粒物浓度均出现了 0值 , 对所有的 0值点进行统计 , 冬夏两季分别仅占全湖的 可以认为是影像噪声引起的 , 因此并不影响反演结果 . 冬季的变化范围、平均值均明显高于夏季 , 主要是由于不同季节风速、风向不一样 , 加之动植物季节生长差异所致 . 2007年冬季采样前经历了一次大风浪过程 , 据太湖湖泊生态系统研究站自动气象观测记录采样前 10s. 风浪引起的沉积物再悬浮明显增加水体中非色素颗粒物浓度 . 而夏季风速小 , 持续时间短 , 采样前一天平均风速仅 s, 风浪引起的沉积物再悬浮不如冬季明显 , 并且冬季水生植物处于越冬期 , 对悬浮物过滤、抑制底泥上浮的作用明显减弱 . 绿素荣华等认为 2、 第 3 和第 4 波段是太湖夏季叶绿素的敏感波段 , 并基于 3 波段建立了 两个叶绿素反演模型 , 反演误差在 间[24]. 本研究为寻找反演太湖叶绿素 a 最合适的波段组合 , 在 持下 , 计算 个波段、波段组合与叶绿素浓度之间的关关系 , 结果表明冬季叶绿素 a 浓度与 关系数最高 , 夏季叶绿素 a 浓度与植被指数(b4+相关系数最高 . 因此分别选择 ((b4+值来反演太湖冬、夏季叶绿 李云亮等 : 太湖真光层深度的计算及遥感反演 169素 a 浓度 . 模型的建立方法同悬浮物 , 反演模型如表 1. 对两期 像分别应用表 1 中的模型 3、 4 逐像元估测太湖的冬夏两季叶绿素 a 浓度 , 结果如图 3 所示 . 太湖水体冬、夏两季叶绿素 冬季浓度为 , 平均值为 , 夏季浓度为 , 平均值为 , 虽然浓度差别很大 , 但总体趋势是南太湖 <湖心区、胥口湾 <梅梁湾、竺山湾 . 图 3可看出 , 2006年 8月 1号 , 全湖的叶绿素 叶绿素 山湾西北部沿岸区以及太湖西部近岸区 , 三区的叶绿素浓度都大于 100µg/L, 是水华最严重的区域 , 这与采样期间现场记录相符 . 太湖水华一般从 4 水华覆盖面积一直比较大 , 采样的 7 以上三区湖面漂浮着大量的蓝藻 . 此外在湖的大部分边缘区即水陆交接处 , 叶绿素的浓度也偏高 , 这一方面是由于水华易在岸边带堆积 , 另一方面与岸边带芦苇分布以及湖边陆地植被干扰有关 . 南面的湖州附近以及西山岛北面部分湖区叶绿素浓度最低 . 图 2 太湖冬、夏两季非色素颗粒物浓度 ()分布 ) in 3 太湖冬、夏两季叶绿素 µg/L)分布 hl.a g/L) in 太湖在冬、夏两季均显示出叶绿素浓度很高 , 而实际东太湖大部分水体较为清澈 , 处于中营养水平[23,25 造成其误差的主要原因有 : (1)东太湖为草型湖区 , 夏季分布着大量沉水植物和挺水植物 , 其反射光谱特征与蓝藻极为相似 , 在 680 而在 72010 对应着叶绿素 、 4波段[28]. 由于 波段范围较宽 , 因此不能很好的区分两者 , 从 J. 湖泊科学 ), 2009, 21(2) 170 而造成了估测值误差 ; (2)湖中过多过密的网围养殖等人工设施影响了影像的辐亮度 , 在一定程度上也会造成误差 ; (3)此次采样东太湖并没有相应的采样点 , 也是造成误差的原因之一 . 光层深度时空变化 将前面反演得到的非色素颗粒物浓度和叶绿素 代入公式 (8): 对 得到真光层深度的理论分布值 , 然后与湖底地形数据进行叠加分析 , 真光层深度理论值大于水深的点用水深代替 , 最后结果如图 4所示 . 对整个湖区真光层深度进行分季节统计分析 , 冬季真光层深度变化范围在 平均值为 标准差为 夏季真光层深度变化范围在 平均值为 标准差为 夏季真光层深度平均值明显大于冬季 , 是冬季的 图 4 太湖冬夏两季真光层深度 (m)分布 of m) 了更直观的了解真光层深度在时空上的分布规律 , 本文将整个太湖地区分为 8个区域 , 对各个区域的真光层深度进行统计分析 , 统计的结果如表 2, 同时选取 30个散布在 8个区的样点 , 分别提取冬、夏两季的真光层深度 , 对比结果如表 3. 从图 4以及表 2、 3可以看出 , (1)从空间上看 , 冬季时真光层平均深度的变化规律为 : 南太湖 <西部沿岸 <湖心区 <胥口湾 <贡湖湾 <梅梁湾 <东太湖 <竺山湾 ; 夏季时的变化规律为 : 西部沿岸 <梅梁湾<东太湖 <湖心区 <贡湖湾 <竺山湾 <南太湖 <胥口湾 . 与张运林等利用 1993 西部沿岸开阔区和湖心区真光层深度一般都较低[18]. 但东太湖的结果存在较大的出入 , 这主要是由于东太湖受沉水植物和围网养殖的影响 , 叶绿素 从图 3可以看出不论冬夏季东太湖的叶绿素 甚至高出北部藻型湖区很多 , 从而造成基于非色素颗粒物和叶绿素 因而研究如何消除沉水植物对叶绿素 真光层深度分区统计站点分布 of of 李云亮等 : 太湖真光层深度的计算及遥感反演 171的遥感反演同样显得非常重要 . (2)从季节上看 , 全湖夏季真光层平均深度大于冬季 , 对表 4中 30个站点真光层深度进行组间方差分析 , 发现存在显著性季节差异 (P< 但不同的湖区真光层深度季节变化还是存在一定差异 , 其中梅梁湾、贡湖湾、西部沿岸、湖心区、胥口湾、南太湖夏季真光层深度明显大于冬季 , 而竺山湾和东太湖夏冬变化则不是很明显 . (3)同一季节 , 同一湖区内部 , 真光层的变化也显示出一定的规律性 : 冬季时 , 梅梁湾、竺山湾、东太湖内部真光层变化比较明显 , 梅梁湾的真光层深度呈现从湾内向湾口逐渐降低的趋势 , 竺山湾的真光层深度与前者呈相反的趋势 , 从湾内向湾口逐渐增加 , 东太湖中心区域的真光层深度要明显大于其他区域 , 而胥口湾、贡湖湾、湖心区以及南太湖湖区内的变化不是很明显 ; 夏季时 , 同一湖区内真光层的变化规律与冬季基本一致 , 只有梅梁湾的真光层深度变化趋势与冬季相反 , 从湾内向湾口逐渐递增 . 表 2 太湖冬夏两季真光层深度的分区统计值 (单位 : m) he of in in 区 1 区 (梅梁湾 ) 2 区 (竺山湾 ) 3 区 (贡湖湾 )4 区 (西岸区 )5 区 (湖心区 )6 区 (胥口湾 )7 区 (南太湖 ) 8 区 (东太湖 )季节 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏 冬 夏最小值 太湖冬夏两季 30 个样点的真光层深度值 (单位 : m) of 0 in 点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15冬季 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30冬季 论 (1)非色素颗粒物空间分布的总体趋势为湖心区最高 , 其次是梅梁湾、竺山湾和胥口湾 , 东太湖的浓度最低 ; 冬夏两季浓度差别比较大 , 冬季的变化范围、平均值均明显高于夏季 . (2)冬夏两季叶绿素 a 浓度空间分布的总体趋势是南太湖口湾山湾浓度逐渐增加 ; 夏季水华的全面暴发 , 引起叶绿素 a 浓度普遍偏高 . (3)太湖真光层深度分布存在显著的时空差异 . 从空间上看 , 冬季真光层深度的变化规律为 : 南太湖<西部沿岸 <湖心区 <胥口湾 <贡湖湾 <梅梁湾 <东太湖 <竺山湾 ; 夏季时的变化规律为 : 西部沿岸 <梅梁湾 <东太湖 <湖心区 <贡湖湾 <竺山湾 <南太湖 <胥口湾 . 从季节上看 , 夏季真光层平均深度显著大于冬季 , 但不同湖区其季节变化存在一定差异 . 对于同一季节同一湖区内部 , 真光层深度的变化也不尽一致 , 如冬季时梅梁湾的真光层深度呈现从湾内向湾口逐渐降低的趋势 , 而竺山湾则恰好相反 . (4)受沉水植物影响东太湖冬、夏季遥感反演的叶绿素均明显偏高 , 从而造成计算得到的真光层深度偏低 . 因此如何消除沉水植物对叶绿素 致谢 : 野外采样得到冯胜、王鑫、赵巧华、李俊生、张浩等同志的鼎力帮助 , 在此一并表示谢意 . J. 湖泊科学 ), 2009, 21(2) 172 4 参考文献 [1] , , et of I: 2001, 6: 75[2] in 1994, 47[3] D, G, AS et of on in a of , 1997, 45: 135[4] L, , et of on of a in a of J 2003, 25(9): 1107[5] W. in 1970, 15: 688[6] , , . in ea 2003, 32(8): 577[7] 费尊乐 . 近海水域漫射衰减系数的估算 . 黄渤海海洋 , 1984, 2(1): 26[8] 曹文熙 , 黄良民 . 海洋生物 自然科学进展 , 2004, 14(1): 20[9] 曹文熙 , 杨跃忠 . 海洋光合有效辐射分布的计算模式 . 热带海洋学报 , 2002 , 21(3): 47[10] W, J. of of FR 1981: 239[11] W, J. of diffus
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