基于MODIS影像的洪泽湖chla监测研究

论文总字数：8575字

摘 要

使用卫星遥感影像监测叶绿素a浓度已经成为水质监测的常规技术。本文针对MODIS影像，采用归一化植被指数构建模型反演洪泽湖叶绿素a浓度，使用地面实测数据对反演结果的精度进行了比较分析。结果表明，在进行比较的2013年1-6月份数据中，1-3月误差增大，4-6月份误差减小；对于监测的位点而言，岸边的监测点误差较大，而离岸较远的监测点误差较小，总体而言，利用MODIS影像可以满足洪泽湖叶绿素a浓度的监测需求，为水质监测提供比较可靠的信息。

关键词：洪泽湖，遥感，叶绿素a，监测

Abstract: Inversion for the concentration of Chlorophyll a had become a routine water quality monitoring. In this paper, the concentration of Chlorophyll a in Hongze Lake was inverted by MODIS image using the model constructed by the normalized difference vegetation index and compared with the measured data. The results showed that the error increased from Jan to March, and decreased from April to June in 2013. The Inversion error in the site at the edge of the Hongze Lake was higher than in the center. Overall, MODIS images could provide more reliable information for the monitoring of water quality and meet the demand of chlorophyll-a concentration monitoring in Hongze Lake.

Keywords: Hongze Lake, Remote sensing, Chlorophyll a, monitor

目 录

1 前言 4

2 研究区域与数据源 5

2.1 研究区域 5

2.2 数据源 5

3 处理步骤及分析 6

3.1 图像获取 6

3.2 几何校正 6

3.3 大气校正 6

3.4 作图取点 7

3.5 反演 8

3.6 结果分析 8

4 讨论 12

结 论 14

参 考 文 献 15

致 谢 16

1 前言

洪泽湖是我国五大淡水湖之一，位于淮河干流中下游、位于江苏省淮安市西北部，是我国最大的具有调水、灌溉、防洪、水运、水产、水电等综合利用的平原性水库。近年来随着洪泽湖地区经济的发展，特别是洪泽湖周边和上游淮河流域工业的发展，对洪泽湖的污染也逐年加重，洪泽湖蓝藻爆发的可能性和危害性越来越大。对于chl-a的监测是实时动态监测，对遥感数据时间分辨率有较高要求。中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectrometer ， MODIS数据的出现， 给内陆水体叶绿素a的遥感监测提供了新的机遇^[1]。MODIS数据由于可免费获得、光谱分辨率高、获取周期短等优势被广泛应用于湖水chl-a的检测。杨广利等^[2]的研究表明，由于工农业和人们生活产生的污水的排入，造成洪泽湖水体总磷，总氮含量提高，同时与洪泽湖水体中的chl-a数量呈正相关。根据地面水质监测点（断面）的实测数据，使用对应的MODIS影像，计算分析洪泽湖chl-a变化情况，从而分析出洪泽湖水质，最终保护洪泽湖生态环境系统，避类似于太湖水华的事件再次发生。

在遥感技术尚未成熟前，人们对于湖泊环境的监管，通常都是采用人工观察记录，此方法不仅繁琐耗时，而且在很大程度上限制了对偏远地区的湖泊的监管^[3]。目前国内外学者基于MODIS影像对水体叶绿素a状况监测的研究已有不少，但是对洪泽湖水体叶绿素a的研究不够深入,且相对较少。 刘远书等^[4]通过对洪泽湖20个月的数据研究得出，洪泽湖目前暂时不具备条件，蓝藻不会大面积爆发，但局部地区有一定的风险，应采取综合治理措施预防水体富营养化，并加强跟踪监测和预警措施，保持湖水清澈，保证南水北调工程东线水质的安全。这与本文研究的结果相同。近年来，随着遥感影像的快速发展，遥感监测已经成为湖泊水质监测的有力的技术手段。其中，MODIS可对洪泽湖地区实现一天2次的成像频率，可以实现高频的洪泽湖水质监测。通过结合地面监测点（断面）的水质监测数据，反演洪泽湖chl-a浓度，从而实现洪泽湖chl-a的监测。

近年来，随着社会经济的快速发展，内陆湖泊水生态环境发生了非常大的变化，湖泊水环境现已成为一个全球性的普遍问题。遥感技术具有速度快、监测范围大、成本相对低廉、周期性强等优点，能够弥补常规水质监测方法定时定点的不足，节省大量的人力、物力，因此利用卫星遥感技术进行湖泊水质监测与评价的研究和应用越来越多。此外，MODIS数据具有较高的时间分辨率(0.5d)和光谱分辨率，且有长时间序列数据，可以生产几乎实时的图像，而且该数据质量稳定、获取容易，成本低廉，是非常理想的水环境遥感数据源。太湖等湖泊蓝藻遥感监测已开展，并实现业务化运行（每天均开展监测工作）。然而洪泽湖蓝藻遥感监测工作至今尚未开展。

2 研究区域与数据源

2.1 研究区域

洪泽湖是中国第四大淡水湖泊，江苏省第二大湖，是南水水北调工程东线工程的重要枢纽，位于E118°10’~118°52’，N33°06’~33°40’。洪泽湖东岸平直，其余岸线曲折多弯，水位12.37m，长65.0km，最大宽55.0km，平均宽24.26km，面积1576.9km²，最大水深4.37m平均水深1.77m^[5]。20世纪70年代以来，随着工农业生产的迅速发展和人口的快速增长，洪泽湖水质不断恶化，湖区出现了明显的富营养化趋势。

图1 洪泽湖水质监测点分布

2.2 数据源

地物对电磁波的反射及自身的热辐射信息时可以通过卫星遥感图像来记录。波普特征的不同是由于不同的地物的结构、组成及物理、化学性质的差异导致的，在卫星图像上，各种地面物体都有一个能使一个最佳显示的波段。

叶绿素具有特定的光谱，叶绿素a的显著吸收光谱位于蓝波段的440nm处和红波段的678nm处。

MODIS是美国国家航天局（NASA）地球观测系统中极地球轨道环境卫星系列中的主要探测仪器，是当前世界上新一代“图谱合一”的光学遥感仪器^[6]。MODIS是传感器，它搭载在terra和aqua卫星上，可以免费接收数据并无偿使用的星载仪器，是卫星上唯一将实时观测数据通过x波段向全世界直接广播，全球许多国家和地区都在接收和使用MODIS数据。其最大空间分辨率可达250m。MODIS数据是经过仪器标定的，是经过大气校正，包含地理坐标的产品。

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