基于MODIS影像的鄱阳湖营养状况研究

乐兴华，樊哲文，方豫，刘木生，万美英，陈琦，黄国金，刘成林

（1.江西省开发治理委员会办公室遥感新系统中心，南昌 330046；2.南昌大学环境学院，南昌 330046）

1 引言

水资源是生态系统的血液，是地球环境中最重要和最有活力的因素。由于受到经济快速发展、工业化进程以及其它人为活动的影响，全球淡水资源日趋衰竭，湖泊、河流水体污染以及富营养化现象日益加重［1］。20世纪80年代鄱阳湖Ⅰ、Ⅱ类水约占85%；2003年，Ⅰ、Ⅱ类水只占50%，水质下降趋势明显加快。2007年鄱阳湖Ⅰ～Ⅱ类水占15%，主要超标的水质指标为总磷和氨氮，存在富营养化现象。

湖泊营养状况是对湖泊富营养化发展过程中某一时刻营养状态的定量描述，通过对水体营养状况代表性指标的调查，判断湖泊的富营养状态，预测其发展趋势并制定相应的对策措施。国内外已经提出了众多的湖泊富营养化评价方法，如特征法、参数法、营养状态指数法、生物指标评价法等［2～4］。其中，通过测定叶绿素a含量来表明水体中藻类存量，进而评价水体营养化状况是目前湖泊水质监测中最常用、最直接有效的方法。1977年，Carlsno提出了营养状态评价指数（TSI），按照不同的数值范围等级作为评价湖泊营养状态分级标准。日本的相崎守弘等改进了这一做法，采用以叶绿素浓度为基准的营养状态指数，即修正的营养状态指数（TSIM）［5］。

水体污染现象日益加重凸显了水质监测的紧迫性和严肃性。常规的水质监测是在水域内点定剖面采点，获取的是典型区域的监测数据，不能获取水域面状数据。而遥感水质监测可以对大面积水域水质情况实施定量分析，具有及时、动态获取水域面状数据等特点，从而为科学合理选择和布设地面监测点提供依据［6］。

论文以鄱阳湖主湖体水域为研究区，采用同步获取的水质采样数据、光谱测量数据和MODIS影像数据，来分析鄱阳湖水质参数的光谱特征，获取地表水质反射率，并结合卡尔森营养状态指数和修正的营养状态指数公式，得到了基于遥感技术的TSI指数分布图。

2 研究区及数据获取

三类数据进行分析，分别为水质采样数据、光谱数据、MODIS影像数据。

2.1 水质采样数据

2.1.1 野外采样方法

采样时间为2009年9月16日～2009年9月18日，此时间为鄱阳湖丰水期。采用点的选择主要考虑的因素：1）空间代表性，能够反映测量区水质的整体特性；2）考虑卫星过境时间，以获得水质与卫星同步数据；3）天气状况。

2.1.2 实验室检测与数据预处理

水样在实验室分析方法以 《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中推荐的方法为准，主要分析叶绿素a。叶绿素a分析采用的是热乙醇萃取分光度法。

2.2 光谱测量数据

2.2.1 光谱测量设备与方法

水面光谱测量采用的仪器为由美国ASD公司生产的FieldSpec襆3。光谱范围：350-2500nm；最快采集速度：100ms；光谱分辨率：10nm；数据间隔：1nm；波长精度：±1nm；波长重复性：±0.02nm；重复性：优于0.3%；杂散光：优于0.1%；灵敏度：全自动；重量：大约8.5公斤（含1.2公斤电池）。

测量方法参考了唐军武［7］的水面以上光谱测量法。

图1给出的是17号采样点的DN值图，从图中可以看出信号最强的是天空光信号，其次是标准板信号，位于曲线图的中间，最弱的是水体信号，说明天空光对水体光谱信号的影响是比较大的。

图1 天空灰板水面DN值对比图

2.2.2 归一化光谱数据

归一化处理是利用水体在420～750nm波段范围内的平均反射率作为归一化点值，各波长的遥感反射率值除以归一化点的反射率值，即是各波长的归一化反射率值。

2.3 MODIS影像数据

2.3.1 数据获取

通过NASA网站获取同步MODIS卫星影像。通过MODIS影像可以清楚地看到鄱阳湖水域情况，由于分辨率较低，水生植被以及水质参数等信息在图像上看不出来。

图2 MYD02HKM.A2009260.0520.005影像

图3 MYD02QKM.A2009260.0520.005影像

2.3.2 数据处理

下载后的MODIS影像数据按照以下步骤进行处理。

图4 MODIS数据处理流程图

A.几何纠正

采用等经纬度投影：Geographic Lat/Lon，基准面：WGS-84，结合MODIS 1B数据自带信息由ENVI软件完成。

B.辐射定标

辐射定标就是将记录的原始DN值转换为大气外层表面反射率，消除传感器本身产生的误差，有实验室定标、星上定标、场地定标［8］等方法。 公式（2）就是将初始的DN值转换为辐射亮度，公式（3）是将辐射亮度值转换为大气表观反射率。

传感器在工作正常的条件下，所获取影像存在辐射误差，这主要是由大气等因素引起的［9］。一般而言，定量遥感是需要做遥感影像的大气校正。

从最早的陆地卫星图像起，最普遍使用的大气校正方法是假设大气向下的散射率为0，利用公式（4）来校正。

本研究采用基于Chavez［10］提出的黑像元选择方式上的黑像元大气校正方法。

3 研究方法

3.1 基于MODIS数据的叶绿素a反演模型构建

根据MODIS波段反射率与实测数据的相关分析结果，选取500m分辨率B2+B7波段反射率数据的来构建叶绿素a的统计反演模型。取反射率数据为自变量，叶绿素a浓度为因变量，作线性、二次项、对数、三次项、指数、幂回归分析。

3.2 卡尔森营养状态指数

卡尔森营养状态指数利用水体透叶绿素a浓度、明度以及总磷浓度三个参数中的任何一个都可以独立用来评价水体的富营养状态。公式如下：

3.3 修正的营养状态指数

3.4 湖泊水体营养状况评价标准

鄱阳湖营养状况评价标准采用国际通用的湖泊营养化程度划分标准，其标准用0-100的连续指数对湖泊营养状况进行分级，而在同一营养状态下，指数越高，营养程度越重（见表6.1）。

表6.1 湖泊水体营养状况划分标准

4 结果与讨论

4.1 基于MODIS数据的叶绿素a反演模型构建结果

图5 叶绿素a回归拟合图

表5.1 叶绿素a回归方程描述表

4.2 鄱阳湖的营养状态指数公式

结合卡尔森营养状态指数公式，得到了分别以叶绿素a为基准的卡尔森营养状态评价指数表达式，其中，x为叶绿素a在500m分辨率B2+B7波段组合反射率值。

结合修正的营养状态指数公式，得到了以叶绿素a为基准的修正营养状态评价指数表达式，其中，x为叶绿素a在500m分辨率B2+B7波段组合反射率值。

4.3 叶绿素a为基准的TSI指数分布结果

图6 以叶绿素a为基准的TSI指数分布图

图7 以叶绿素a为基准的TSIM指数分布图

5 讨论

本文以鄱阳湖水体作为实验区，在分析实测光谱与叶绿素a、悬浮物的相关关系的基础上，分析MODIS波段及波段组合反射率与水色参数的相关性，从而得到叶绿素a敏感波段及其组合。最后，得到了基于遥感技术的营养状况指数模型。主要的结论如下：

（1）基于实测光谱，将归一化的反射率数据与叶绿素a做相关分析。发现鄱阳湖丰水期叶绿素a在波长440nm、585nm、675nm附近呈现较好的相关性。

（2）对MODIS数据不同波段及波段组合与水质参数的进行相关分析。结果显示：叶绿素a的最佳遥感反演波段为500m分辨率的（B2+B7）组合。

（3）最后，采用卡尔森营养状态指数和修正的营养状态指数计算表达式，得到了基于遥感技术的营养状态指数计算表达式。以叶绿素a为基准的营养状态指数表达式较好地反映了鄱阳湖水体叶绿素分布状况。

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