太湖蓝藻水华的MODIS卫星监测

本文基于MODIS卫星影像探讨太湖蓝藻水华的识别、监测问题.通过比较MODIS影像上不同蓝藻浓度的波段反射率值的差别,得到对蓝藻信息响应的敏感波段,利用特定波段的合成,可基本识别蓝藻的分布信息,并基于蓝藻的光谱响应特征,采用比值模型方法、进一步确定蓝藻分布的相对浓度信息.最后通过不同时相蓝藻浓度的叠加分析,得出了蓝藻水华的动态变化信息.     

太湖蓝藻爆发与水温的关系的MODIS遥感

利用MODIS高光谱遥感数据动态监测太湖地区蓝藻水华发展过程,并结合水温环境因子,探讨蓝藻爆发的环境条件.首先,通过简单的比值植被指数,实现蓝藻生物量的遥感估算;根据六期遥感估算结果,监测太湖蓝藻动态发展过程.然后,利用MODIS热红外波段(31和32),采用分裂窗算法,同步反演出的太湖表面水体温度,探讨蓝藻爆发的水温条件,及蓝藻生长与水-温度之间的关系.研究结果表明,在水体富营养化前提下,水体温度是影响蓝藻生长的重要环境因子;合适的水体温度(24-30℃)是蓝藻爆发的必要条件;大于30℃的高温,对蓝藻的生长有明显的抑制作用.     

基于MODIS数据的太湖藻华水体识别模式

针对2007年5月太湖爆发的蓝藻水华事件,利用MODIS植被指数数据对其进行遥感监测.结果表明:MODIS数据可成功提取蓝藻水华信息.近红外/红光波段比值识别模式和植被指数NDVI值、EVI值识别模式均可确定蓝藻分布范围,但前两者不易将高浑浊水体区分开来,或不易识别低蓝藻分布区域,因此易扩大或缩小蓝藻分布范围;而后者由于引入了背景调节参数,可有效抑制背景水体及泥沙的影响,因此根据EVI值得到的蓝藻范围及强度较为真实的反映了藻华情况.该研究可为今后利用遥感技术,建立太湖蓝藻水华监测系统奠定基础.     

MERIS影像水环境遥感大气校正算法评价——以鄱阳湖叶绿素a浓度反演为例

MERIS是2002年发射的在轨运行近10年的ENVISAT-1卫星上搭载的主要传感器之一,在波段设置和辐射灵敏度等方面有非常突出的优势,能够较好地运用于Ⅱ类水体叶绿素a浓度反演,但Ⅱ类水体的大气校正仍然是亟待解决的一个关键问题.以我国第一大淡水湖——鄱阳湖为研究区域,采用FLAASH、6S、BEAM和QUAC共4种大气校正算法对2005和2011年具有同步实测光谱数据的鄱阳湖ENVISAT-1卫星MERIS影像进行大气校正处理,并对12种叶绿素a浓度反演模型的波段组合因子进行大气校正效果的对比分析.结果表明:(1)4种大气校正中,大气校正结果精度由高到低表现为FLAASH6SBEAMQUAC,平均相对误差分别为31.13%、31.88%、69.48%和42.64%;决定系数(R2)分别为0.60、0.57、0.38和0.24;(2)在12种叶绿素a浓度反演模型的波段组合因子中,FLAASH得到的结果最优,其次是6S,BEAM和QUAC最差,在FLAASH算法中,由665、708和753 nm 3个波段遥感因子((Rrs(510)/[Rrs(443)/Rrs(560)])组成的模型精度最高,平均相对误差为25.12%,R2为0.74.建议采用FLAASH大气校正结果组成这个波段组合进行鄱阳湖叶绿素a浓度反演.     

利用MODIS影像提取太湖蓝藻水华的尺度差异性分析

有效地提取蓝藻水华信息对分析蓝藻动态分布有重要意义,然而低空间分辨率数据提取的蓝藻水华会产生尺度误差.本文以太湖为研究区,利用2005年10月17日和2010年12月3日两景MODIS(250和500m)数据,采用浮游藻类指数(FAI)法提取太湖蓝藻水华面积;通过将FAI50均值化为FAImean(500 m),然后与...     

基于太湖气溶胶类型分区的环境一号卫星CCD大气校正

由两颗卫星组成的环境卫星星座系统所提供的CCD数据具有较高的时间分辨率,使其在内陆湖泊水环境遥感监测中具有较大的应用潜力,对其有效的大气校正方法的研究则是其定量化参数反演的前提.基于准同步的MODIS数据辅助,根据气溶胶的差异性,将太湖划分为北部湖区、其他湖区两块区域,利用辐射传输模型,研究太湖环境一号CCD数据大气校正的方法,并对2009年4月17、21、25日数据进行大气校正.研究结果表明,该大气校正方法直接使用较为成熟的MODIS各类产品,克服了传统大气校正中依赖于现场同步测量大气参数的缺陷,能够快速、有效地完成环境一号CCD数据的大气校正.基于气溶胶类型对太湖进行分区后,所求算的遥感反射率精度高于6S模型和暗像元等大气校正方法得到的结果.     

太湖底泥水华蓝藻复苏的模拟

本实验采集太湖梅梁湾底泥及上覆水,在保持底泥表面完整的前提下在实验室中建立湖泊生态系统模拟装置,探索太湖底泥中蓝藻种群的复苏规律经60d光照升温培养,显微观察蓝藻复苏细胞,测定底泥和上覆水中的色素含量.结果表明,在室内模拟条件下,太湖底泥蓝藻复苏初始时主要以2-8个细胞的小群体存在,其细胞直径为7.2-7.8μm,大于夏季的藻群体中的细胞直径(4.8-6μm).底泥蓝藻的复苏过程与环境温度变化密切相关.蓝藻在水体温度达到14℃时开始少量进入水柱中,在环境温度升至18-20℃之间时大量进入水中,为水华形成提供了种源.底泥蓝藻的最佳复苏温度(18-20℃)高于非蓝藻的复苏温度(14-18℃),高温对蓝藻复苏更为有利     

太湖蓝藻中天然色素的分离提取及测定

本文对太湖蓝藻中的叶绿素,胡萝卜素,藻蓝素等天然色素进行分离提以,并运用紫外可见分光光度法对色素含量进行测定;最后对色素在食品,化妆品等方面的应用进行了初步探讨。     

基于生态模型的太湖蓝藻生长因子解析

基于生态模型对2009年4月-2010年11月太湖监测数据进行逐月解析,结果显示太湖蓝藻生长率在时间与空间上都表现出显著的差异性,1-4月及10-12月蓝藻生长率表现为低水平,6-9月为高水平,5月年际差异较大,湖西岸相对于湖中区蓝藻生长率优势较明显,水面至水深1 m之间为蓝藻生长活跃区域.蓝藻的生长与消亡主要受水温、光照、磷三种影响因子控制,这三种因子表现出较明显的季节性特点,并且对蓝藻生长率的影响具有相互交替作用的动态变化特征,其中水面附近为温度及磷限制,水深0.5 m处为温度、磷及光限制交替作用,水深1 m及以下为光限制.计算结果表明在研究时段内营养盐总体表现为磷限制,夏秋季局部水域也存在氮限制.     

太湖越冬蓝藻空间分布的初步研究

为确定2007-2008年冬季蓝藻在太湖各个湖区的分布及其变化规律,在冬季逐月对太湖主要湖区14个位点采集底泥和水样,应用荧光分析法测定样品中藻蓝素含量,以确定冬季太湖各个湖区的藻蓝素分布状况,比较冬季太湖各个湖区水体和底泥中蓝藻的分布差异.实验结果说明与夏季情况不同,相对于西南太湖水域,2007-2008年冬季北太湖水体和底泥中的蓝藻含量均较低,而西南湖区部分区域12月仍出现了蓝藻的聚集,底泥表面的藻蓝素含量也较高,说明调查期间,冬季越冬蓝藻主要分布于西太湖和南太湖.     

基于遥感数据的太湖蓝藻水华信息识别方法

2007 年太湖大规模蓝藻暴发,再次引起了人们对太湖环境的关注.有效地提取蓝藻水华信息对分析蓝藻动态分布有重要意义.而卫星遥感技术是进行太湖水质监测与保护的措施之一.本文以2007年4月23日CBERS-02星CCD数据为主要的数据源,以NDVI值为测试变量,运用CART算法确定分割阈值,从而通过构建决策树的方法识别蓝藻水华信息,分析其蓝藻水华的提取结果,取得了较好的效果.文中还在GIS技术支持下,提取了2007年5月17日MODIS影像中的蓝藻水华信息.本次研究为以后开展长期的太湖蓝藻水华动态监测提供技术参考.     

太湖水华成因及控制途径初探

1990年8～12月对太湖水华9次调查表明,水华主要由漂浮性蓝藻—微囊藻组成,夏季SE风时其漂移集聚是西北湖区形成严重水华的主要原因。这种漂移使得藻类所含营养物逆吞吐流方向传输,形成了一种“生物营养滤器”,加速了太湖尤其是西北湖区的富营养化进程。太湖外源N、P负荷量分别为12.0和0.85g/(m~2·a),足以引起富营养化;表层5cm底泥中含丰富的N、P,其释放也成为湖水中部分营养的来源。因2～8月藻类总生物量的增长基本遵守Logistic方程dN/dt=N·r(1—N/K),故对藻类控制可从N、r入手,即通过收获藻类达到控制藻类总量和营养输出的双重功效;提高水位增加非光合层厚度,有效地降低水柱中藻类生产力;建立有水生植被的水质保护区也是一种局部藻类控制方法。     

太湖蓝藻水华灾害灾情评估方法初探

通过对太湖蓝藻水华灾害影响分析,探讨了太湖蓝藻水华灾害灾情评估指标的选取和评价标准的划分,并采用模糊评价模型构建太湖蓝藻水华灾害灾情综合评估方法.评价指标分为影响人口、影响范围、生态环境影响和经济损失四个方面,其中影响人口指标为受灾人口,影响范围指标包括蓝藻水华面积发生百分比和影响时间,生态环境影响指标包括藻细胞浓度、...     

利用陆基高光谱遥感捕捉太湖蓝藻水华日内快速变化过程

受蓝藻自身垂直迁移和频繁风浪扰动影响,太湖蓝藻水华漂浮混合和迁移堆积等变化迅速,在传统的湖面定位和断面监测中总感觉蓝藻水华有些"来无影、去无踪",限制了对其形成过程、驱动机制和防控治理的深入认识.卫星遥感可以实现蓝藻水华空间分布同步观测,但由于观测频次的限制很难捕捉蓝藻水华快速动态变化过程.本文利用与杭州海康威视数字技术股份有限公司联合自主研发的陆基（地基、岸基或者平台、船舶、桩基等能固定安装的均可）高光谱多参数水质遥感监测仪,架设于中国科学院太湖湖泊生态系统研究站（简称太湖站）水上观测场,通过对叶绿素a浓度及其他关键水质参数秒-分钟级的连续观测,有效捕捉了一天内蓝藻水华短期突然和快速变化过程.研究结果显示,在微风和小风条件下蓝藻容易在表层水体漂浮,盛行西北风驱动湖面开敞水域蓝藻水华快速漂浮集聚到太湖站岸边,短短半小时内表层水体叶绿素a浓度可以由10 μg/L快速攀升到100 μg/L以上,一天内会出现多个叶绿素a峰值,清晰展示了蓝藻快速日内动态变化过程.受蓝藻快速日内变化影响,透明度、总氮、总磷和高锰酸盐指数等水质参数也呈现出快速日内变化,叶绿素a浓度与透明度存在极显著负相关,与总氮、总磷和高锰酸盐指数存在极显著正相关,叶绿素a能解释总氮、总磷80%以上的变化,说明蓝藻短期内的漂浮和集聚深刻影响到湖泊水质.     

太湖蓝藻水华遥感监测方法

利用遥感技术监测太湖蓝藻水华具有重要的现实意义.基于不同遥感数据,包括MODIS/Terra、CBERS-2 CCD、ETM和IRS.P6 LISS3,结合蓝藻水华光谱特征,采用单波段、波段差值、波段比值等方法,提取不同历史时期太湖蓝藻水华.结果表明:MODIS/Terra数据可以利用判别式Band2＞0.1和Band2/Band4＞1提取蓝藻水华;CBERS-2 CCD、ETM和IRS-P6 LISS3数据可以利用Band4大于一定阈值和Band4/Band3＞1提取蓝藻水华;波段比值(近红外,红光＞1)算法稳定,可以发展成为蓝藻水华遥感提取普适模式.同时,本文成功利用ETM和IRS.P6 LISS3数据Band4波段对蓝藻水华空间分布强度进行了五级划分.这为今后利用遥感技术,建立太湖蓝藻水华监测和预警系统莫定了基础.     

太湖蓝藻水华的预防、预测和预警的理论与实践

综述了蓝藻水华预防、预测预警的重要意义及其理论与技术体系.基于作者所提出的将蓝藻水华形成分为休眠、复苏、生长和上浮聚集形成水华的"四阶段理论",以及太湖蓝藻越冬、春季复苏和水华形成的时空规律,提出了太湖蓝藻水华的预防理念.综述了国内外蓝藻水华形成与预测研究进展,阐述了蓝藻水华形成关键过程的主导生态因子及其阈值:确定了水华蓝藻越冬的空间分布与生命特征,利用室内模拟实验和野外原位观测与捕捉,得到了蓝藻春季复苏的室内和野外温度阈值分别为14℃和9℃,发现了蓝藻复苏量与有效生理积温呈正相关的基本规律;初步揭示了水华蓝藻生长竞争优势形成的生物学与生态学机理以及光利用策略,利用细胞分裂频率法测定了夏季太湖水华蓝藻的原位生长速率为0.2-0.4;确定了在不同水文气象条件下,水华蓝藻在水体中垂直分布和在不同湖区之间输移的基本格局,发现藻类在水体中各层间百分含量的变异系数随着风浪的增大而减小,进一步证明了蓝藻水华形成是在适当水文气象要素驱动下,已经成为优势种群的水华蓝藻在湖体中空间位置的改变而引起的.建立了太湖蓝藻水华预测模型和工作流程,在2007年和2008年在太湖实施了未来3d的蓝藻水华预测预警,预测分析了2008年全年太湖蓝藻水华情势.对预测结果的回顾性评估与分析表明,目前已有的理论研究结果和预测工作流程可以对太湖蓝藻水华发生概率、发生地点和强度进行预测,预测准确率达到60%-80%.此外,还提出了未来蓝藻水华预测的研究方向.