鄱阳湖HJ－1A／1B卫星CCD影像TSM 浓度时空变化分析

张 伟 ，陈晓玲，2＊ ，田礼乔 ，陆建忠 ，李 熙，张 媛

（1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；2.江西师范大学 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，南昌 330022）

湖泊及其流域水环境问题一般比较复杂，生态系统和生物资源的变化与人类经济发展密切相关，近几十年来，随着全球人类活动的加剧，世界上很多湖泊面临水质下降和富营养化等一系列问题，严重影响了湖泊功能的可持续利用［1－3］.卫星水色遥感具有大尺度周期性快速同步获取水体信息的优势，可以有效监测水体组分含量的时空动态分布变化，克服传统地面监测方法的不足.

水体总悬浮物（Total Suspended Matter，TSM）是影响水色要素的主要因素之一，TSM 浓度含量的高低直接影响水体的透光性和富氧条件，并且影响水生生物的光合作用，同时对水生态环境产生重要影响，近年来国内外许多学者针对水体总悬浮物浓度反演进行了大量的研究［4－9］.由于单时相TSM 浓度遥感反演结果可能存在偶然误差，难以表征研究水域的整体水环境特征，因此，利用长时间序列遥感影像开展研究区域的TSM 时空动态分析，对保护湖泊及其流域水生态环境具有重要的实际意义和科学研究价值.

本研究利用2008年～2011年近4年HJ－1A／1B卫星CCD 传感器影像TSM 浓度反演结果，从日变化、季相变化、年变化分析鄱阳湖南北湖TSM 浓度的时空动态分布及其变化规律.

1 研究区域和数据

鄱阳湖是中国第一大淡水湖泊（115°47′～116°45′E，28°22′～29°45′N），作为长江中下游的一个重要支流水系，汇集赣江、抚河、信江、饶河、修水五条河流（简称“五河”）的来水经湖口注入长江，形成了完整的鄱阳湖水系［4］.鄱阳湖通常以都昌和吴城之间的松门山岛为界，分为南北两个湖区，松门山岛以北的湖面狭窄，实为狭长入江水道，松门山岛以南湖面辽阔，是湖区主体.因此本研究参考鄱阳湖湖区地理位置的划分，以松门山岛为界分别对南、北两个湖区进行鄱阳湖区内TSM 浓度时空变化规律分析.

2008年10月、2009年10月和2011年7月课题组开展了3次鄱阳湖水域野外观测，调查期间共获取无云且质量清晰HJ－1A／1B 卫星CCD影像7景，同步LISST （Laser In－Situ Scattering and Transmissomentry）传感器体积浓度数据42组，在反演建模时，结合同步水样过滤称重法获取的质量浓度进行体积－质量浓度转换［10］.

2 总悬浮物浓度遥感反演

2.1 总悬浮物指数

卫星影像在大气层顶（TOA）接收到的总辐亮度信号为Lt（λ），针对HJ－1A／1B 卫星CCD 传感器数据应用Gordon单次瑞利散射理论［11］计算各波段瑞利散射校正后的反射率：

其中，为双层臭氧吸收修正后的太阳辐照度，ρr（λ）为单次瑞利散射反射率，θ0为太阳天顶角.综合常用内陆浑浊水体大气校正算法的业务化程度、效率、稳定性等因素，本研究没有进行严格的气溶胶散射校正，而是借鉴荧光高度法FLH／MCI反演叶绿素浓度［12］和FAI方法监测水表浮游植物的经验［13］，提出了一种总悬浮物指数TSMI（Total Suspended Matter Index）方法进行总悬浮物反演［10］.该方法采用CCD 传感器蓝光通道ρrc（475）－近红外通道ρrc（830）为基线，红光通道ρrc（660）相对基线的高度变化来表征水体总悬浮物浓度的变化趋势.TSMI指数计算如公式（2）所示：

2.2 总悬浮物浓度反演模型

应用42组HJ－1A／1BCCD传感器影像同步TSMI指数与LISST 传感器TSM 浓度数据进行分析表明，TSM 浓度的对数Ln（TSM）与TSMI指数两者呈现比较好的线性关系，模型决定系数R2为0.94（见图1），反演平均相对误差为17.5%.因此，应用TSMI指数的对数模型能够有效反演鄱阳湖水体TSM 浓度，满足内陆二类浑浊水体水色要素遥感反演需求.

3 TSM 浓度时空变化分析

应 用2008年9月～2011年12月 共151 景HJ－1A／1B卫星CCD 影像反演得到TSM 浓度产品，分析近年来鄱阳湖TSM 浓度的时空变化规律.由于受HJ－1A／1B 卫星在轨测试工作的影响，研究区域无2009年2月、3月的CCD 影像，为了减小年平均统计结果的误差，2009年2、3月的数据采用3年月平均代替.

图1 总悬浮物浓度反演模型Fig.1 Total suspended matter concentration inversion model

3.1 日变化分析

日变率为前后两个时相的TSM 浓度之差与两景影像以d为单位的时间之差的比值.如表1所示的鄱阳湖南北湖日变率数据的统计结果，TSM浓度日变率最大值北湖为17.19 mg／L，南湖为12.95mg／L，日变率TSM浓度最小值北湖为0.14mg／L，南湖为0.005 mg／L，从鄱阳湖2008年至2011年日变率数据平均值结果看，北湖为5.66mg／L，南湖为3.01mg／L.日变率北湖具有明显高于南湖的特征，从151景CCD 影像的日变率统计结果看，北湖TSM 浓度平均日变率约在0～17mg／L 之间，南湖大约在0～12mg／L 之间.北湖在丰水期的8月和枯水期的12月日变率出现极大值，而南湖在丰水期的8月日变率出现极大值，结果显示8月北湖TSM 浓度日变率高于南湖.

日变率数据能够表征鄱阳湖日平均TSM 浓度数值变化状况，枯水期日变率出现极大值的主要原因是枯水期水位较低、水体面积小、水体流速降低，湖区换水周期增长；另一个原因是航运船只对水体的扰动，以及其他人为活动的干扰影响.在丰水期也可能出现部分区域空间分布上出现日变率极大值情况，结合外业实地调查经验，针对同一湖区前后两日水体采样的TSM 浓度数值差异有超过50mg／L的观测站位，但是对于南北湖两个湖区空间分布的平均TSM 浓度统计结果影响不大.因此，综合考虑南北湖TSM 浓度的日变率差异能够客观反映整个湖区的TSM 浓度变化状况和南北湖的差异特征.

表1 2008年～2011年鄱阳湖南北湖TSM 浓度日变率／（mg·L－1）Tab.1 The daily variation rate of total suspended matter concentration in Poyang North and South Lake from 2008to 2011

3.2 月变化分析

对2008年～2011年近4年的TSM 浓度数据统计结果分析，时间序列HJ－1A／1BCCD 影像月平均TSM 浓度反演结果能够客观反映鄱阳湖南北湖TSM 浓度的时空分布状况.如图2所示各月月平均TSM，在月变化尺度上鄱阳湖TSM 浓度较高的月份主要集中在枯水期的10月至来年3月，枯水期的11月、12月和来年的1月TSM 浓度较高.2月至3月，进入春季，随着降雨量的增加，湖区水量逐渐增多，湖区TSM 浓度逐渐降低.4月鄱阳湖进入丰水期，近3年中月平均TSM 浓度极高值为2010年3月、4月，对比分析影像水面积和水文监测数据，2010年3月、4月鄱阳湖水位上升较快，水面积迅速增加，湖区水量增加的同时，受上游来水来沙的影响，TSM 浓度呈现较高值.7月、8月为鄱阳湖丰水期，一般是水位、水面积最大值月份，分析2008年至2011年4年7、8月的统计数据显示，月平均TSM 浓度有逐年增加的趋势.9月、10月为丰－枯水期转换月份，水位水面积逐渐减小，水体TSM 浓度增加.

图2 鄱阳湖南北湖TSM 浓度月平均统计分析Fig.2 The TSM concentration average monthly statistics analysis in Poyang north and south lake

如表2所示对南北湖区内近4年月平均TSM浓度进行统计分析，月平均TSM 浓度最大值／最小值之比变化最大的区域出现在北湖，2011年9月比2008年9月的TSM 浓度高出20.4倍，而对比分析南湖，2011年9月比2008年的9月的TSM浓度月平均仅高出4.72 倍数，结合2008年和2011年的现场调查情况看，主要原因是2008年鄱阳湖禁止采砂，湖区水体相对较清澈，而2011年鄱阳湖松门山岛附近聚集有大量的采砂船，采砂活动直接影响了鄱阳湖北湖TSM 浓度.

图2和表2给出近4年来鄱阳湖南北湖月平均TSM 浓度统计结果，TSM月平均高值出现在枯水期11月、12月和来年的1月；低值出现在丰水期4月～9月，南北湖TSM 浓度总体变化比较规律.总体概括1月至7月TSM 浓度呈现降低的趋势，7月最低；7月至12月TSM 浓度呈现增加的趋势.对比分析南北湖月平均TSM 浓度差异特征，北湖明显高于南湖.结合现场调查结果看，从2009年～2011年北湖TSM 浓度升高与近年来鄱阳湖松门山岛附近的采砂活动有关，采砂活动日益频繁，是造成鄱阳湖北湖TSM 浓度持续升高的主要原因.

表2 鄱阳湖南北湖区总悬浮物浓度月平均统计值／（mg·L－1）Tab.2 The monthly average of TSM concentration in Poyang north and south lake／（mg·L－1）

3.3 年变化分析

根据鄱阳湖典型的地理位置特征，湖水经松门山岛至湖口的过江水道注入长江，虽然存在长江倒灌的情况，但在年际尺度上TSM 浓度变化不大.结合表3和图3分析，2009 至2011年的3年中年平均TSM浓度南湖分别为23.40mg／L、31.50mg／L、33.28mg／L；北湖分别为37.96mg／L、50.57mg／L、74.54mg／L.南湖年平均TSM 浓度2010年、2011年比2009年略有上升，但2010年、2011年两年相比差异较小，北湖从2009年到2011年年平均TSM 浓度呈现持续增加趋势.

表3 鄱阳湖南北湖TSM 浓度最大、最小月及年平均Tab.3 The maximum，minimum month and annual TSM concentration in Poyang north and south lake

结合图4，3年平均年和年平均TSM 浓度时空分布分析，南湖TSM 浓度年际变化不大，而北湖持续增加.分析主要原因是鄱阳湖近年采砂活动日益频繁，且采砂区有从松门山岛向南移动的趋势，结合现场调查资料，松门山岛附近2008年因鄱阳湖禁止采砂而无采砂船，从2009年到2011年鄱阳湖采砂船数量持续增加和采砂区范围扩大，结合图4鄱阳湖南北湖年平均TSM 浓度空间分布分析，松门山岛以北的北湖整体呈现年平均TSM 高浓度特征，受采砂活动干扰影响较大，因此制定合理的采砂政策对保护鄱阳湖水生态环境具有重要的意义.

4 结语

图3 鄱阳南北湖TSM 浓度年平均统计Fig.3 The annual TSM concentration statistics analysis in Poyang north and south lake

图4 鄱阳湖2009年～2011年平均与平均年TSM 浓度时空分布Fig.4 The annual average and annual of TSM concentration distribution in Poyang Lake form 2009to 2011

本文采用2008年～2011年长时间序列HJ－1A／1B卫星CCD 数据产品，分析了鄱阳湖TSM浓度时空变化规律.从近4年的鄱阳湖南北湖区TSM 浓度时间尺度统计结果看，在鄱阳湖南湖水体TSM 浓度变化不大的情况下，北湖呈现持续增加的趋势，结合现场调查结果分析，近年来北湖水体TSM 浓度持续增高的主要原因是松门山岛附近采砂活动的影响.

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