太湖蓝藻水华与水生植被的MODIS卫星同步监测方法及其应用

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蓝藻水华暴发,水体中叶绿素含量显著升高,蓝、红光反射率降低、近红外波段出现明显的植被特征“陡坡效应”,是卫星监测蓝藻水华的主要依据,而水生植被(尤其是挺水植被和浮叶植被)拥有类似光谱特征,在光学遥感影像上容易混淆。目前太湖蓝藻水华日常遥感监测中通常将太湖水生植被区直接去除,随着太湖各种污染整治和生态修复措施的深入实施,太湖梅梁湖等蓝藻水华易发区域出现了大量的水生植物,实现太湖蓝藻水华和水生植物的同步遥感监测有助于精确评估水华蓝藻的实际强度和水生植被分布范围,为富营养化湖泊的水环境管理和决策提供重要的科技支撑。  基于太湖野外实测光谱数据和相关文献分析蓝藻水华与水生植被的光谱特征,蓝藻水华与普通水体光谱上最大的差别在于近红外波段,水生植被区别于蓝藻水华的光谱特征主要有三个:440nm附近蓝藻水华反射率低于浮叶/挺水水生植被反射率;550nm附近藻类色素的低吸收和无机悬浮物的高散射,使得蓝藻水华反射率高于浮叶/挺水水生植被反射率;短波红外波段处,蓝藻水华反射率下降,而浮叶/挺水水生植被由于体内细胞多次反射,仍处于“近红外高台”。沉水植被由于叶片位于水体表面以下,光谱特征受水体影响较大,除了近红外波段有明显的“植被特征”,在可见光和短波红外波段反射率都较低。湖泊水体中高悬浮物水体在可见光波段具有较高的反射率,甚至高于蓝藻水华和水生植被的反射率,会影响蓝藻水华和水生植被的遥感识别精度。  根据蓝藻水华与水生植被的光谱特征在蓝光波段、绿光波段和短波红外波段处的差异,并考虑到短波红外是大气校正的关键波段,构建蓝藻水华与水生植被的判别指数CMI(Cyanobacteria and Macrophytes Index);水生植被的光谱特征明显区别于普通水体,而浮叶/挺水植被与沉水植被由于叶片是否在水面以上的区别,光谱特征也有显著的差异,叶片在水面以上的浮叶/挺水植被光谱“植被信号”要强于叶片在水面以下的沉水植被,采用植被指数FAI(Floating Algae Index)识别浮叶/挺水植被与沉水植被;高悬浮物水体具有高反射率,影响蓝藻水华与水生植被的监测精度,借鉴相关研究,采用悬浮物特征波段红光和短波红外的差值,构建浑浊水体指数TWI(Turbid Water Index)用于剔除高悬浮物水体像元。  结合TWI、CMI和FAI构建太湖蓝藻水华与水生植被MODIS卫星同步监测决策树,并基于2010~2015年MODIS/Aqua Rrc数据获取遥感指数的阈值。分别采用野外实测光谱和野外调查数据进行直接检验:野外实测光谱验证表明了CMI蓝藻水华>CMI水生植被,FAI蓝藻水华水体和FAI水生植被水体都>FAI普通水体,FAI浮叶/挺水植被>FAI沉水植被;野外实测数据验证分类精度高达86%(归一化精度为87%),浮叶/挺水植被和蓝藻水华的分类精度相较低,误差来源主要是MODIS卫星数据的空间分辨率较低产生的混合像元效应。除了直接检验,还分别针对东部太湖和北部太湖水生植被监测结果与相关研究的高空间分辨率卫星(分别为HJ/CCD和Landsat/ETM+)监测结果进行交叉检验:对于东部太湖,2013年8月16日和9月26日与HJ/CCD监测结果一致的像元比例为71.4%和70.9%,不一致的像素主要分布在水陆交界带和不同地物交界带(湖水与水生植被的交界带和沉水植被与浮叶/挺水植被交界带);对于北部湖区,与Landsat/ETM+监测结果一致的像元比例为83.8%。不一致的像素同样主要分布在水陆交界带和不同地物交界带(主要是湖水与水生植被的交界带)。  分别围绕云覆盖、高悬浮物水体、气溶胶与观测角度以及混合像元展开了监测方法干扰因素分析,采用Rrc(1240)>0.1剔除云覆盖,验证了TWI能有效剔除高悬浮物,分析表明监测方法对于气溶胶厚度、气溶胶类型和观测角度等因素有良好的阻抗性。  采用2000~2015年565景MODIS无云卫星数据建立太湖水生植被的长时间序列,分析太湖水生植被的时空分布变化和种类结构变化,并从环境因子和人为因素两个方面进行驱动力分析:主要由于太湖流域管理局实施的“引江济太”工程通过太浦河流出东太湖,在东太湖形成回流,导致东太湖透明度下降,2000~2015年,东太湖透明度和沉水植被占比都呈下降趋势,太浦河累计出水量与东太湖透明度呈高度负相关,相关系数为-0.86,而东太湖的透明度与东太湖沉水植被的占比呈正相关,相关系数为0.73;在“蓝藻打捞”、“控源截污”、“生态清淤”、“引江济太”等一系列措施下,太湖水质出现了明显改善,梅梁湾水域从2011年开始出现大量菹草繁殖,太湖水生植被的长时间序列结果显示:2013年开始,梅梁湾和竺山湾4~5月出现大面积水生植被;2000~2007年期间,东太湖水生植被面积大,且出现频率高,2007年提出包括“退渔还湖”工程的东太湖整治方案,规划清退东太湖大部分围网养殖,并于2008年实施,2009年围网养殖面积就减少到2000年的四分之一,随着围网养殖的面积的大幅度减少,东太湖水生植被的面积也大幅度缩减,两者呈高度相关,相关系数为0.95;自2012年以来,政府组织了多次水生植被收割、打捞,2013~2015年收割、打捞水生植被的总量分别为14、28和17万吨(太湖2009年夏季水生植被生物量约为49万吨),导致东西山之间水域和东太湖湾口水生植被面积都出现了明显的缩减,2015年东西山之间水域和东太湖湾口几乎没有了大规模水生植被出现。
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