基于環境一號衛星數據的洞庭湖葉綠素a濃度反演

湯 健，薛 云，劉劍鋒，文殿軍

(1.南華大學土木工程學院，湖南衡陽 421001；2.廣東省肇慶市國土資源局高要分局，廣東肇慶 526100；3.湖南城市學院，湖南益陽 413000;4.湖南省桃江縣石牛江聯校，湖南益陽 413400)

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基于環境一號衛星數據的洞庭湖葉綠素a濃度反演

湯 健1，2，薛 云3*，劉劍鋒4，文殿軍4

(1.南華大學土木工程學院，湖南衡陽 421001；2.廣東省肇慶市國土資源局高要分局，廣東肇慶 526100；3.湖南城市學院，湖南益陽 413000;4.湖南省桃江縣石牛江聯校，湖南益陽 413400)

通過星地同步地面試驗，建立起洞庭湖水體的葉綠素a濃度遙感反演模型，運用2011年4月～2012年4月的多期環境一號衛星CCD數據，對洞庭湖葉綠素a濃度進行動態監測和分析。結果表明：環境一號衛星CCD數據第三通道(HJ3)反射率與第二通道(HJ2)和第四通道(HJ4)反射率之和的比值與洞庭湖水體葉綠素濃度具有較高的相關性，從而構建基于環境一號衛星多光譜數據的洞庭湖葉綠素a濃度反演模型；采用多期環境一號衛星CCD數據對洞庭湖的葉綠素a濃度進行了連續監測，較好地反映了洞庭湖葉綠素a的時空分布變化。

葉綠素a；環境一號衛星；洞庭湖

目前，我國內陸江河湖泊水質監測和分析主要依賴于高精度的儀器進行周期性的濕地監測以及實驗室分析。這種監測方法耗費人力、物力，受氣候和水文條件的限制，難以長時間跟蹤監測，且較少數據點難以反映湖泊的整體分布狀況[1]。遙感技術為長期、快速地監測水體環境提供了一種有效的方式，同時大范圍的觀測還彌補了觀測樣點的不足，因而在葉綠素a(Chl-a)定量估算和動態監測中具有明顯的優越性[2]。目前，多種遙感數據(如Landsat MSS、TM、SPOT、MODIS、IRS-1C、NOAA/AVHRR)和各種航空高光譜數據(如AVIRIS、CASI、AISA及CIS)廣泛地應用于水質遙感監測研究。環境一號衛星是我國自主研發的衛星，主要用于對生態破壞、環境污染和災害進行大范圍、全天候、全天時動態監測。環境一號衛星的CCD相機共分4個譜段，空間分辨率為30 m，幅寬360 km，重訪天數為4 d[3]。筆者利用環境一號衛星數據，結合地面同步觀測數據，建立Chl-a濃度反演模型，研究洞庭湖Chl-a濃度變化特征，以期為洞庭湖富營養化的修復和管理提供理論依據。

1　研究區概況

洞庭湖是我國第二大淡水湖，跨湖南、湖北2省，是長江中游重要吞吐湖泊。地理坐標為111°40′～113°10′ E、28°30′～29°31′ N，是全球重要濕地。近年來，洞庭湖地區經濟快速發展，來自各方面的污染，如工業污染、城鎮生活污染、農業生產污染、水產養殖及船舶污染，對洞庭湖生態環境造成嚴重威脅。其中，工業污染、生活污染及農業生產污染是主要污染源。在某些季節，污染使東洞庭湖處于輕度富營養化狀態，南洞庭湖和西洞庭湖處于中營養化狀態，甚至局部地區出現“水華”現象。

2　數據來源與處理

選擇天氣晴朗、少云的2012年4月1～2日，對洞庭湖進行野外地面試驗。在洞庭湖均勻布設91個采樣點，在各采樣點野外實地采集水樣帶回實驗室分析，獲取Chl-a濃度等水質數據。

選用2012年4月1日HJ-1A的CCD數據二級產品作為遙感數據源，經過空間配準的1∶5萬地形圖為參考圖像，進行輻射定標、幾何校正、大氣校正、反射率轉換、云層與水草區的剔除等預處理工作后，利用歸一化差異水體指數(NDWI)提取洞庭湖水體。

3　洞庭湖Chl-a濃度反演

針對Chl-a濃度對比分析了39個單波段、波段比值和多波段組合算法，并對這些算法的線性模型、指數模型、對數模型和二次方程模型進行了對比分析[4-5]，得出環境衛星多光譜數據第三通道(HJ3)反射率與第二通道(HJ2)和第四通道(HJ4)反射率之和的比值與洞庭湖水體葉綠素濃度具有較高的相關性，從而構建基于環境一號衛星多光譜數據的洞庭湖Chl-a反演模型：

Chl-a=-164.46M+134.78(R2=0.849 2)

(1)

M=HJ3/(HJ2+HJ4)

(2)

根據Chl-a濃度反演模型，結合6景環境一號衛星多光譜影像數據，對2011年4月～2012年4月的洞庭湖Chl-a濃度進行反演，結果見圖1。

從圖1可以看出，洞庭湖葉綠素濃度總體較低且變化不大，最大濃度為11.82 mg/m3。總體上7～9月濃度較高，而其他月份濃度較低。從空間上看，東洞庭湖葉綠素濃度較其他地區偏高。

圖1　2011年4月～2012年4月6景洞庭湖葉綠素a濃度空間分布Fig.1　Spatial distribution of chlorophyll a concentration in Dongting Lake from April 2011 to April 2012

4　結論

基于星地同步地面試驗，對洞庭湖葉綠素a濃度進行動態監測和分析，結果表明，環境衛星多光譜數據第三通道(HJ3)反射率與第二通道(HJ2)和第四通道(HJ4)反射率之和的比值與洞庭湖水體葉綠素濃度具有較高的相關性，從而構建基于環境一號衛星多光譜數據的洞庭湖Chl-a反演模型。采用2011年4月～2012年4月的環境一號衛星CCD數據對洞庭湖的葉綠素a濃度進行了連續監測，較好地反映了洞庭湖葉綠素a的時空分布變化，驗證了該模型的實用性。

[1] 陳靜，吳傳慶，申維，等.基于環境一號衛星CCD數據的巢湖葉綠素a的動態監測[J].中國環境監測，2012，28(1)：116-119.

[2] 曠達，韓秀珍，劉翔，等.基于環境一號衛星的太湖葉綠素a濃度提取[J].中國環境科學，2010，3(9)：1268-1273.

[3] 王橋，楊煜，吳傳慶.環境減災-1A衛星超光譜數據反演葉綠素a濃度的模型研究[J].航天器工程，2009，18(6)：133-137.

[4] 曲偉，路京選，李琳，等.環境減災小衛星影像水體和濕地自動提取方法研究[J].遙感信息，2011，4(6)：28-33.

[5] 薛云，趙運林，張維，等.基于環境一號衛星CCD數據的洞庭湖夏季富營養狀態評價[J].環境科學學報，2014，34(10)：2534-2539.

Quantitative Estimation of Chlorophyll-a Concentration in Dongting Lake Based on HJ-1 Satellite Images

TANG Jian1,2, XUE Yun3*, LIU Jian-feng4et al

(1. School of Civil Engineering, Nanhua University, Hengyang, Hunan 421001; 2. Zhaoqing Land Resource Bureau, Zhaoqing, Guangdong 526100; 3. Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000; 4. The Associated School of Shiniujiang Town of Taojiang County, Taojiang, Hunan 413400)

Chlorophyll-a concentration remote sensing inversion model was built through satellite-ground synchronization ground test. Chlorophyll-a concentration in Dongting Lake was dynamically monitored and evaluated using HJ-1 CCD data from April 2011 to April 2012. The results showed that HJ3/(HJ2+HJ4) of HJ-1 satellite CCD data had relatively high correlation with chlorophyll concentration in water body of Dongting Lake, so as to construct the inverse model of chlorophyll a concentration of Dongting Lake based on HJ-1 satellite multi-spectrum data. Chlorophyll a concentration was continuously monitored by multi-phase HJ-1 satellite CCD data, which reflected the spatial and temporal distribution variation of chlorophyll a in Dongting Lake.

Chlorophyll a; HJ-1 satellite; Dongting Lake

湖南省自然科學基金項目(13JJ6073);湖南省教育廳開放基金項目(15K021)。

湯健(1986- )，男，湖南益陽人，工程師，在讀碩士，從事國土資源管理研究。*通訊作者，副教授，博士，從事GIS與RS應用研究。

2016-08-09

S 127

A

0517-6611(2016)27-0212-02