好文推荐丨利用夜晚灯光数据等监测洪泽湖非法采砂活动及其环境效益
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研究背景
洪泽湖，我国第四大淡水湖泊，是南水北调东线工程的重要过水通道，其水质状况和湖泊生态安全，对于保障周围城市居民用水和南水北调工程的顺利实施具有重要意义。但是，洪泽湖湖底由于存在大量建筑使用的优质黄沙，非法采砂现象严重。这些采砂活动，不仅破坏了原有的湖泊生态环境和湖泊底质结构，导致湖水变浑浊，鱼虾死亡，更严重威胁洪泽湖东部大堤安全，产生巨大安全隐患。中央政府和当地出台了各种政策法规，采取了多种措施，严厉打击非法采砂活动；但是采砂船机动性强，甚至昼伏夜出，躲避监管，常规监控手段很难发挥作用。本研究尝试利用MODISAqua、VIIRS、LandsatTM/ETM和VIIRSDNB夜晚灯光数据等多源卫星传感器，对洪泽湖非法采砂活动及其环境效应进行监测和时空特征分析，并评估打击采砂船的政策执行效果，为科学管理服务。
研究方法
1
基于MODIS、VIIRS数据的悬浮物高精度算法构建
由于洪泽湖水体和大气浑浊，常用的水色大气校正算法难以获取高精度的水体遥感反射率数据，因此，本文基于去除瑞利散射校正后的反射率（Rrc, Rayleigh-Corrected Reflectance），利用红光与短波红外的差值构建了适用于洪泽湖悬浮物的高精度算法（R2=0.64, RMS = 39.4%），该算法能够有效地应用于MODIS、VIIRS等传感器，在10-80mg/L的悬浮物范围具有较好的估算精度。
2
基于Landsat的采砂船识别算法
船只在Landsat数据的短波红外波段伤具有较高反射率，明显区别于水体，因此基于Landsat数据的短波红外波段，结合真彩色合成影像，对洪泽湖的采砂船只进行识别提取，获取了2002-2017年的洪泽湖采砂船数量。
3
基于VIIRS灯光数据的采砂船夜晚监测方法
VIIRS的夜间灯光数据能够获取地球表面的光信号，夜晚，洪泽湖面出现的灯光物体为非法采砂船聚集造成，基于梯度阈值分割的方法，对洪泽湖的采砂船聚集的灯光区域进行提取，获取采砂船灯光2012-2017年的采砂船像元分布。
主要结果和结论
非法采砂活动的影响
利用2012-2015年洪泽湖111个星地同步观测数据集，建立了基于MODIS Aqua数据的较高精度的水体悬浮物浓度估算模型(RMSE = 7.64mg/L，RMS = 46.9%）。将该算法成功应用到了2002-2015年1602景MODIS Aqua无云影像上，获取了洪泽湖的悬浮物14年来的时空分布。洪泽湖悬浮物浓度在2002-2011年全湖悬浮物浓度较低且变动较小，2012年之后湖体悬浮物浓度显著上升；同时，洪泽湖水体悬浮物浓度存在显著的年内季节差异，2002-2011年悬浮物浓度在夏季最高，春季最低；但2012-2015则展现出完全不同的季节变化，在秋、冬季高，春、夏季低。实际上2012年前后两个阶段，洪泽湖地区降雨和风速等气象数据并没有出现较大变化，这种年际和季节上的显著变化是由于2012年开始的非法采砂活动造成的。初步估算全湖悬浮物上升了21.54%，在12.5米常水位下，采砂活动每年约向洪泽湖贡献150.48亿吨的泥沙。
采砂活动真的停止了吗？
洪泽湖非法采砂严重，中央和当地政府出台了各种政策法规，采取了多种措施，严厉打击非法采砂活动。利用2002年以来Landsat系列数据，发现2012年2月第一观测到采砂船，2016年达到最多（月均658艘），2017年3月后禁止采砂船采砂，移除船只的采砂设备，并统一注册并集中停放到韩桥、界集水域。但是，很多采砂船昼伏夜出，是否真正停止偷采，采砂船究竟何时真正停止，政策的效力如何？作者利用VIIRS DNB灯光数据，很好地监测了夜晚非法采砂船只，结果与Landsat观测结果趋势一致，且由于其观测频率高（每天1次），更准确的展示了采砂船的时空分布特征。同时，发展了一种利用白天和夜晚采砂船数据的采砂强度评估方法，可以有效区分采砂活动对水体的扰动强度。最后，科学评估了政府不同阶段政策对打击采砂船的效果，发现2015年8月前，只对白天采砂有所控制，且只能维持两个月；之后到2016年8月，对白天和晚上都有作用，偷采强度显著下降；但直到2017年“利剑2017”行动，非法采砂全面停止。2002年以来MODIS观测结果表明，洪泽湖水体悬浮物浓度明显呈现3个阶段，与采砂分布时间分布一致：2002-2011年偏低，2012-2017年显著升高，2017年3月份后浓度开始下降，已经接近2012年之前水平。由此，说明在2017年3月以后洪泽湖的非法采砂活动已经全面停止。
利用VIIRS延续MODIS在未来的观测
利用MODIS获取了洪泽湖近16年的悬浮物数据集，但是MODIS传感器因远超设计年限（Terra, 1999-; Aqua, 2002-），面临随时停止运行的可能；因此，2012年NASA新发射了VIIRS传感器，拟接替MODIS工作；但是两者数据的一致性，特别是在内陆湖泊水环境监测的一致性有待评价。利用2012-2015年大量MODIS和VIIRS同步数据（±1 hour），对比了卫星的Rrc反射率的差异，基于之前构建的悬浮物反演算法，评价了它们在水体悬浮物浓度估算的一致性。MODIS和VIIRS的Rrc数据在红光和绿光波段具有很好的一致性（UPD在10%左右）。利用之前构建的洪泽湖的悬浮物浓度区域经验模型，分别应用于MODIS和VIIRS，都具有较高的估算精度(R2>0.70,UPD<15%)；并且，二者在悬浮物浓度估算具有很好的一致性，对于全湖80%的像元差异都在20%以下。这表明VIIRS能够延续MODIS在内陆水体悬浮物浓度的观测，未来可以提供更长时间序列的水体悬浮物卫星产品数据。
主要发表成果
论文标题
Climate-and human-induced changes in suspended particulate matter over Lake Hongze on short and long timescales
发表期刊
Remote Sensing of Environment
论文全文链接
论文标题
Using VIIRS/NPP and MODIS/Aqua data to provide a continuous record of suspended particulate matter in a highly turbid inland lake
发表期刊
International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation
论文全文链接
论文标题
Detection of illicit sand mining and the associated environmental effects in China's fourth largest freshwater lake using daytime and nighttime satellite images
发表期刊
Science of the Total Environment
论文全文链接
第一作者简介
曹志刚，中国科学院南京地理与湖泊研究所博士研究生，主要从事湖泊水环境遥感的研究工作，第一作者已发表SCI论文4篇。
通讯作者简介
段洪涛，中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员，博士生导师。长期从事湖泊水色遥感研究，主持国家水专项课题、国家自然科学基金，中科院知识创新工程方向性项目等课题10余项。发表SCI论文70余篇，第一/通讯作者SCI论文20余篇。曾荣获中科院院长特别奖，全国青年地理科技奖、中科院青年创新促进会优秀会员等荣誉称号。2016年获江苏省杰出青年基金支持。
团队介绍
中科院南京地理与湖泊研究所湖泊环境遥感团队（http://www.rslakes.com），主要从事湖泊水色遥感、湖泊水生态遥感、湖泊-流域相互作用遥感和全球变化区域湖泊响应遥感等方向的研究工作。近年来，承担了国家863项目、国家重大专项（水专项）、国家自然科学基金重点项目等课题20余项，出版专著2部，发表学术论文100余篇（其中SCI论文70余篇），获得省部级奖项4项。
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