编辑推荐丨草型湖泊总悬浮物浓度和浊度遥感监测

原创曹引，冶运涛等遥感学报 2021-09-20

遥感人的成长家园

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鸟鸣涧——王维

人闲桂花落，夜静春山空。

月出惊山鸟，时鸣春涧中。

人与自然关系的最高境界，就是与自然和谐相处。微山湖是中国北方最大的淡水湖，是迁徙水禽极其重要的越冬栖息地，也是植物群落的涵养地，具有防洪、灌溉、养殖和航运等生态系统服务功能。然而随着社会经济的高速发展，微山湖生态环境面临严重威胁。如何利用遥感手段动态监测微山湖水质呢？

《遥感学报》2019年第6期发表的论文《草型湖泊总悬浮物浓度和浊度遥感监测》，提出定性和定量相结合的总悬浮物浓度和浊度分区监测方法，实现微山湖水体总悬浮物浓度和浊度的时空变化监测。

论文信息

题目:草型湖泊总悬浮物浓度和浊度遥感监测

作者:曹引,冶运涛,赵红莉,蒋云钟,王浩

单位:东华大学，中国水利水电科学研究院

DOI:10.11834/jrs.20198144

引用格式:曹引,冶运涛,赵红莉,蒋云钟,王浩.2019.草型湖泊总悬浮物浓度和浊度遥感监测.遥感学报, 23(6): 1253-1268

研究背景

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草型湖泊水质遥感监测中水生植物会造成“水体—水生植物”混合像元问题，导致草型湖泊水生植物覆盖区域水质难以直接利用遥感进行监测。

目前草型湖泊水生植物覆盖区域水质遥感监测手段主要包括：

(1) 对水生植物生长区域不做特殊处理，直接利用水质遥感模型对水生植物生长区域水质进行反演。

(2) 利用目视解译、光谱指数、监督或非监督分类方法、生物光学模型和混合像元分解方法将水生植物生长区域和水体区域分离，仅对水体区水质参数进行遥感监测。

(3) 将草型湖泊分为水生植物覆盖区和非覆盖区，利用水生植物对水质的指示作用对水生植物覆盖区总悬浮物浓度进行定性反演，但未考虑水生植物类型和水生植物生长状况对水质的影响。

处于不同物候期的水生植物对水质的影响存在差异，如何实现不同物候期内不同水生植物生长水域水质遥感监测对实现整个草型或混合型湖泊水质遥感监测至关重要。

该文利用草型湖泊微山湖中不同物候期内的不同水生植物对总悬浮物浓度和浊度的指示作用，基于分区反演思路，提出水生植物覆盖区水质定性遥感监测和水体区水质定量遥感监测相结合的草型湖泊遥感监测方法，实现了整个微山湖区总悬浮物浓度和浊度的动态遥感监测。

创新点

(1) 针对草型湖泊水生植物覆盖区水质无法直接利用遥感监测的问题，基于分区思想，提出水生植物覆盖区水质定性遥感监测和水体区定量遥感监测相结合的遥感监测方法，为整个草型湖泊水质动态遥感监测提供了新思路。

(2) 利用时序MODIS NDVI产品提取了草型湖泊微山湖中典型水生植物的时谱曲线，根据时谱曲线识别出微山湖中典型水生植物的物候特征，在此基础上分析了微山湖中典型水生植物的时空变化规律。

(3) 基于定性和定量相结合的监测方法，实现了草型湖泊微山湖区水体总悬浮物浓度和浊度的时空变化监测。

研究方法

图1 草型湖泊水体总悬浮度浓度和浊度

遥感监测方法流程图

关键步骤：

(1) 利用MODIS NDVI产品(MOD13A1)识别微山湖典型水生植物菹草、光叶眼子菜和穗花狐尾藻的物候特征。

(2) 利用归一化水体指数NDWI提取出微山湖水生植物覆盖区，将微山湖分为水生植物覆盖区和水体区。

(3) 针对水生植物覆盖区，基于水生植物物候特征和影像时间判断水生植物种类及所处的物候期，利用不同物候期内不同水生植物对微山湖总悬浮物浓度和浊度的指示作用对微山湖水生植物覆盖区总悬浮物浓度和水质进行定性监测。

(4) 针对水体区，利用GF-1和HJ-1A/B影像和微山湖实测总悬浮物浓度和浊度构建反演模型对微山湖水体区总悬浮物浓度和浊度进行定量监测。

重要结果

利用MODIS植被指数时序数据获取的微山湖区光叶眼子菜、菹草、水体、农田和湿地的时谱曲线如图2，其中穗花狐尾藻和光叶眼子菜的时谱曲线类似，将两者归为一类。

图2 微山湖典型地物的时谱曲线

图3和图4展示了微山湖水生植物覆盖区水体总悬浮物浓度定性监测结果和水体区总悬浮物浓度定量监测结果。由定量监测结果可以看出，2014年7月21日微山湖区东北方向水体总悬浮物浓度普遍高于100 mg/L，而西南湖区水体总悬浮物浓度整体较低，总悬浮物浓度大都低于20 mg/L ，这是因为此时该区域长有光叶眼子菜和穗花狐尾藻等沉水植物，沉水植物对悬浮物具有吸附和沉降作用，同时抑制因风浪等原因造成的底泥的再悬浮，降低了沉水植物生长区域水体总悬浮物浓度。

图3 微山湖水生植物覆盖区总悬浮物定性监测结果

图4 微山湖水体区总悬浮物定量监测结果

图5、图6展示了微山湖水生植物覆盖区水体浊度定性监测结果和水体区浊度定量监测结果。对比图3、图5以及图4、图6，可以看出微山湖水体浊度的时空变化规律和总悬浮物浓度变化规律具有一致性，这是因为微山湖水体总悬浮物浓度和浊度具有显著的相关性，微山湖水体浊度主要由总悬浮浓度主导。

微山湖水体总悬浮物浓度和浊度具有明显的时空变化规律，西南湖区生长着具有较长生长周期的光叶眼子菜和穗花狐尾藻，该区域水体总悬浮物浓度和浊度长期保持着较低水平，而东北湖区在6月之前长有大量的菹草，水质整体较好，但菹草在6月初会迅速衰亡降解，短期内产生大量的植物残体，导致该区域水质急剧恶化，随着菹草的降解完全，东北湖区的悬浮物浓度会逐渐降低。

图5 微山湖水生植物覆盖区浊度时空变化图

图6 微山湖水体区浊度定量监测结果

结论

(1) 微山湖区水生植物以光叶眼子菜、穗花狐尾藻和菹草等沉水植物为主，具有显著时空分布规律。

(2) 微山湖区不同水生植物在不同物候期内对总悬浮物浓度和浊度具有不同的指示作用，可用于水生植物覆盖区总悬浮物浓度和浊度定性遥感监测。

(3) 基于水生植物覆盖区水质定性遥感监测和基于水体区水质定量遥感监测相结合的遥感监测方法，可以实现整个草型湖泊水质的遥感监测。但受采样次数的限制，对不同水生植物在不同物候期内对水质的指示作用研究的还不够深入，后续需继续积累数据进行进一步的研究。

第一作者简介

曹引，中国水利水电科学研究院水资源研究所，工程师，研究方向为流域水资源遥感及水循环模型数据同化。

E-mail：yinc0416@163.com

通信作者简介

冶运涛，中国水利水电科学研究院水资源研究所，教授级高级工程师，研究方向为水信息与智慧流域、水资源遥感及流域水循环模拟。

E-mail：yeyuntao@iwhr.com