基于环境卫星CCD数据的太湖蓝藻水华监测算法研究

水体富营养化引起的蓝藻水华问题,是我国湖泊面临的主要环境问题,亟需加强现状监测和变化研究;我国自主研发的环境(HJ)卫星空间分辨率高,重访周期短,可用于长时间序列蓝藻水华的动态监测.本文利用HJ卫星CCD数据,通过自动控制散点回归的方法进行相对辐射校正,再将归一化植被指数和像元生长算法相结合,提出了一种可业务化运行的蓝藻水华高精度提取算法.该算法的优点为:(1)水华提取时具有统一的阈值,解决了以往一景影像一个阈值,无法大规模批处理的难题;(2)通过对像元进行线性分解,精度可达到亚像元级别.利用该算法对太湖2009—2014年蓝藻水华进行监测,发现2013—2014年太湖蓝藻水华较以往暴发面积偏小.研究表明,该算法对蓝藻水华识别能力强,自动化程度和水华提取精度高,可作为业务化算法运行.     

寡-中营养型水体偶发性蓝藻水华的驱动因素分析——以南京方便水库为例

寡-中营养型水体中,虽然营养盐水平偏低,但仍会偶发性出现较为严重的蓝藻水华现象,其具体机制仍有待深入探索研究.本研究以偶发水华水体方便水库为例,通过历史数据分析和调查研究,探讨了其水华蓝藻的优势类群,并分析了蓝藻水华形成的主要驱动因素.研究发现:方便水库优势的水华蓝藻为浮丝藻和长孢藻,这两种丝状蓝藻是发生偶发性蓝藻水华的潜在风险物种,其中浮丝藻的发生风险最高,风险时段为7-9月.方便水库多年来营养盐浓度呈现下降的趋势,其中总氮浓度的下降趋势快于总磷浓度,整体有利于蓝藻水华的防控,但是营养盐的波动,尤其是随着降雨导致的地表径流入库对水体总磷的脉冲式补充,降低了水体氮磷比,增加了水库偶发蓝藻水华的风险;在营养盐满足的条件下,水温、高锰酸盐指数和氧化还原电位是发生浮丝藻水华的主要驱动因素,氧化还原电位、水温和透明度是发生长孢藻水华的主要驱动因素.本研究结果有助于提升对偶发性蓝藻水华机制的认识和应急处置工作的精准性.     

热分层对水库水质的季节性影响——以西安黑河水库为例

深水水库作为城市的重要供水水源,通常由于热量在垂向水体上的不均匀分配形成热分层.热分层会阻碍垂向上水体交换引发水质分层现象,在冬季水库发生“翻库”之后,水体混合导致水库的整体水质下降.结合热分层指数可以客观、直接地表达水库热分层的稳定程度.综合水库的气温、水体更新率和水质参数(溶解氧、pH、总磷、氨氮)的年度变化,对陕西黑河水库2008-2010年的热分层状况进行研究.研究表明:水库的热分层形成会直接恶化底部水质尤其会加速底部水体中溶解氧的消耗;热分层的年度变化主要受气温控制,但在特定时期较大的水体更新率可以在一定程度上弱化水体热分层,减缓底部水质恶化.该结果可使水库管理者在水库分层最稳定、水质恶化最严重时期以人工调节水体更新率的方式弱化热分层,为保证水质安全提供参考.     

基于走航高频监测的水库冬季水体溶解甲烷浓度分布:以湖北西北口水库为例

水库是大气甲烷(CH4)的重要来源之一,但目前对水库(尤其是河道型水库)中溶解CH_4浓度及释放潜力的空间异质性的认识仍不足.为揭示河道型水库冬季溶解CH_4浓度的分布规律,于2020年1月在湖北宜昌黄柏河流域内西北口水库采用自主研发的新型快速水—气平衡装置(FaRAGE)连接便携式温室气体分析仪,开展了水体溶解CH4浓度的连续走航式监测及断面垂向监测.根据溶解CH4从库尾至库首的浓度变化可以将水库分为3段:距回水末端1 km内为快速降低段,溶解CH4浓度范围为0.117～0.233 μmol/L;1～6 km内为缓慢降低段,CH4浓度范围为0.055～0.117 μmol/L;6～13km范围内为浓度平稳段,CH4浓度范围为0.039～0.080 μmd/L.整体上,水库表层水体溶解CH_4浓度与表层水温、水深及距回水末端的距离呈显著负相关关系(r=-0.77、-0.89、-0.81;P0.01),与叶绿素a浓度、溶解氧浓度呈显著正相关性(r=0.95、0.97;P0.01).基于当月平均风速,采用薄边界层法估算了上述3段区域的DH_4扩散通量,分别为(0.023±0.004)、(0.012±0.003)、(0.007±0.001) mg/(m~2·h).西北口水库在冬季表现为向大气释放CH_4的"源",且由于溶解CH_4浓度分布不均而表现出较强的空间差异性.     

太湖流域上游水源性水库水体脱氮潜力时空变化特征及其管理意义——以天目湖沙河水库为例

氮是湖库富营养化的重要影响因子,水体溶解性氮气饱和度在一定程度上指征着水体的脱氮潜力。为探究太湖流域上游水源型水库脱氮潜力的时空变化特征,该研究选择天目湖沙河水库为研究对象,于2021年2月-2022年1月进行了为期一周年的逐月监测,采集不同点位分层水样,利用膜接口质谱仪结合氮氩比法测定水体溶解性氮气浓度,并计算氮气饱和度。结果显示,沙河水库年均氮气饱和度为0.997,总体处于氮饱和状态(氮气饱和度为1),从季节上看,除冬季外,水体氮气饱和度几乎均>1,且随着温度的升高氮气饱和度也升高;空间上,表现为下游＞中游＞上游,底层>表层,即下游以及底层沉积物表现出更强的脱氮能力。线性回归分析表明,潜在脱氮速率与氮气饱和度拟合效果较好,表明氮气饱和度在一定程度上可以反映沙河水库的脱氮速率;相关性分析与逐步多元线性回归分析显示,氮气饱和度与总氮呈显著正相关,与溶解氧浓度呈显著负相关,说明合适的环境条件有利于脱氮作用的进行,进而使得水体溶解性氮气过饱和。7月极端的降雨与采样前连续的高温天气使得该月成为夏秋季溶解氮气均过饱和的例外,氮气饱和度与水温也失去统计上的相关。在溶解氮气普遍过饱和的夏秋季节,脱氮过程使得水体氮浓度较低,藻类生长受到氮限制,在该期间应积极控氮以限制藻类生长,抑制水华的发生。     

基于DEMETER卫星观测数据的电离层地震前兆分析——以汶川地震、东海地震为例

本文利用可视化分析和统计分析的数据处理方法,结合2008年5月12日汶川Ms8.0地震和2007年4月20日东海Ms6.3地震两个震例,进行了探索性研究,阐述了基于DEMETER卫星观测数据提取电离层地震前兆信息的思路,通过对电磁场频谱、等离子体数密度、温度等物理参量的可视化展现,探讨了电离层扰动与地震的关系.结果表明,在排除电离层内一些典型干扰的前提下,地震发生前几天或者几个小时电离层扰动可以被观测到.     

中巴地球资源卫星数据在地震活断层研究中的应用——以巴里坤断裂带为例

本文利用中国自主研发的中巴地球资源卫星CBERS-02的CCD数据,对新疆东天山巴里坤活动断裂带进行了研究.针对CBERS-02的CCD数据特点和地震应用的需求对遥感数据中有关洪积扇期次、断层和阶地的信息进行了增强,在对这些增强信息判读和分析的基础上将巴里坤断裂带分为东(东盐池-巴里坤断裂带)、西(西盐池-东盐池断裂带)两段,根据对每段断裂带微地貌的遥感解译划分了各段的次级断裂.结果表明,CBERS-02的CCD数据能够应用于地震活断层的研究中.     

Sentinel-3测高数据在湖库区域的波形重跟踪方法——以东平湖和峡山水库为例

卫星测高技术是监测内陆水体水位变化的一项重要手段,而利用该技术提取的水位与实测水位相比仍有一定差距.波形重跟踪是提高卫星测高精度的一项关键技术.现有重跟踪算法中,改进阈值重跟踪算法(Improved Threshold Retracker, ITR)因其计算简便、精度高得到了广泛应用.但该算法需要外部信息作为参考,因此具有一定的局限性.基于此,本文对ITR进行了优化,根据湖库水面近似水平的特点,不依赖外部信息可以自动从多个子波对应的水位中确定正确的水位.选择东平湖和峡山水库为试验区,基于Sentinel-3A/B合成孔径雷达高度计观测数据,对比了优化后的ITR、多回波波峰一致重跟踪算法(Multiple Waveform Persistent Peak retracker, MWaPP)和重心偏移重跟踪算法(Offset Centre of Gravity retracker, OCOG)提取水位的精度.结果表明,优化后的ITR精度最高,平均均方根误差为6.5 cm,与MWaPP和OCOG相比,精度分别提高了2.7 cm和24.2 cm.同时,该算法进行重跟踪时成功率较高,性能稳定,受...     

基于TM影像的水体透明度反演模型——以鄱阳湖国家自然保护区为例

以江西鄱阳湖国家自然保护区为例,研究基于Landsat TM 5影像的水体透明度反演模型.结合6个时期的影像与对应的13个实测塞氏盘深度(SDD)数据建立了SDD的自然对数变换值与蓝、红波段的自然对数变换值的线性组合之间的回归模型,即ln(SDD)=-4.016-0.722ln(blue)-0.587ln(red).此模型能够解释88%的水体透明度变化.利用另外12个样点进行模型的检验.检验结果显示实际量测值与模型反演值之间的相关系数为0.93,误差标准差等于0.22 m.因此我们认为此模型获得了可以接受的结果.     

天津于桥水库夏季浮游生物调查及群落结构变化

为了解于桥水库富营养化状况,于2011年7月对于桥水库水质、浮游生物进行了调查.结果表明,于桥水库综合营养状态指数(TLI(∑))为45.8,属于中营养水平.浮游植物共计8门59种,平均丰度为312.40×10⁴cells/L,平均生物量为5.30 mg/L,以蓝、绿藻为主,优势种为铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、水华微囊藻(Microcystis flos-aquae)和单角盘星藻具空变种(Pediastrum simplex var.duodenarium).浮游动物共计16种,平均丰度为53.2 ind./L,平均生物量为11.58 mg/L,以长额象鼻蚤(Bosmina longirostris)和近邻剑水蚤(Cyclops vicinus)为优势种.依据多样性指数、均匀度指数和丰富度指数对于桥水库浮游生物进行评价,表明于桥水库处于中~重污染水平,这与采用TLI(∑)的评价结果较为一致.与历史同期调查结果对比得出,于桥水库浮游植物丰度、生物量增加,浮游动物种类减少,而生物量增加,于桥水库由硅-蓝藻型水库过渡为硅-绿藻型水库,最终向蓝-绿藻型水库演变.     

Reservoir-type water source vulnerability assessment: a case study of the Yuqiao Reservoir,China

ABSTRACT

In this study, we developed a method to assess reservoir-type water source vulnerability (WSV) and adapted the method to the Yuqiao Reservoir (in Tianjin in North China). First, we identified the factors that influence reservoir vulnerability and selected suitable indexes for vulnerability assessment. Second, the CRITIC, AHP and integrated weighting methods were applied to quantify the index weight. Third, the information diffusion method was applied to process the index data. Finally, the vulnerability of the Yuqiao Reservoir was assessed, and the results showed that the vulnerability of the Yuqiao Reservoir is high, with social factors (i.e. the road traffic system, automatic management control system, potential menace in evaluation scope, destructive man-made accidents, emergency management plan, and per capita water consumption) being the main reasons.     

基于多源遥感数据的巢湖水华长时序时空变化(20092018年)分析与发生概率预测

湖泊富营养化导致的水华问题严重影响了淡水资源的利用和保护,快速、全面、准确的监测水华信息对于湖泊水环境的治理具有十分重要的意义.本文以巢湖为研究区域,利用多源光学遥感影像和时空融合技术,采用波段融合的方式将NDVI指数波段加入到遥感影像当中,并通过监督分类解译水华信息,以此揭示20092018年10年间巢湖水华的时空变...     

引水结构变化对天津于桥水库磷滞留的影响分析与生态水量估算

2014年南水北调中线一期工程通水后,天津市的水源结构发生变化,由单一滦河水源变为双水源.引水结构变化导致于桥水库入库水量变化,从而影响水库的总磷(TP)滞留.一般认为,入库总磷负荷随入库水量减少而降低,且水力停留时间越长,将越有利于总磷滞留,从而水库TP浓度降低.但根据统计数据发现,南水北调通水后于桥水库入库水量降低,TP负荷反而升高,水库TP浓度升高.何种TP滞留机制造成了这样的结果?本文通过分析2001-2018年间入库水量(W_IN)、入库总磷负荷(TPL_IN)在南水北调通水前后的变化规律,采用Vollenweider模型推求水库TP浓度和磷滞留量(R_P),探讨水力停留时间(T)对库区总磷滞留量的影响机制,并估算双水源新情势下控制于桥水库磷滞留量的生态水量.结果表明:TPL_IN随W_IN呈先降低后升高趋势;引水期τ与R_P之间存在显著的正相关关系,随着τ增加,正相关性下降,但同时考虑非引水期和引水期τ时,R_P受较小的TPL_...     

适用于多种卫星数据的太湖水体漫衰减系数估算算法

下行漫衰减系数(K_d)是描述水下光场的重要参数,决定水体真光层深度,影响着浮游藻类初级生产力及其分布特征.基于2008—2013年太湖4次大规模野外试验数据,分析太湖水体漫衰减系数特征及其影响因素,建立适用于多种卫星数据且较高精度的太湖水体490 nm处下行漫衰减系数估算模型.结果表明:无机悬浮物是太湖水体漫衰减系数的主要影响因素;红绿波段比值(674 nm/555 nm)最适合于太湖K_d(490)估算,模型反演精度较高(N=72,R~2=0.72,RMSE=0.89 m~(-1),MAPE=21.58%);利用实测光谱数据,模拟得到MODIS/EOS、OLCI/Sentinel-3、GOCI/COMS和MSI/Sentinel-2等主要传感器波段的信号,构建适用于多种卫星传感器K_d(490)估算的红绿波段模型,建模精度较高(N=72,R~20.7,RMSE0.9 m~(-1),MAPE22.0%),且进行了验证(N=37,R~20.7,RMSE0.9 m~(-1),MAPE22.0%).     

联合GNSS/RS多源数据反演三维大气水汽分布研究

大气水汽作为重要的温室气体之一, 其在全球气候变化研究及极端天气预警中起到重要作用.全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)水汽层析技术作为重构高时空分辨率大气水汽三维分布的重要手段之一, 目前得到了快速的发展和应用.但受GNSS观测信号几何特征的限制, 传统水汽层析模型仍无法解决观测分布不均和空余体素块多的问题.本文首次利用遥感(Remote Sensing, RS)卫星高水平分辨率信号的观测几何优势, 提出一种联合GNSS/RS多源数据的水汽层析方法, 用于反演高精度的三维大气水汽分布.利用徐州地区GNSS观测数据与MODIS、MERSI两种遥感水汽数据对该方法的可行性及精度进行验证.结果表明: 相比于传统GNSS层析模型, GNSS/RS层析模型的观测信号数量和网格穿刺率分别提高了38.41%和55.56%.分别以研究区域的探空站(58027)水汽廓线和ERA5再分析资料为参考值, 发现GNSS/RS层析模型的各类精度指标均优于传统模型, 其中平均均方根误差分别提高了29.68%和20.31%, 并且在不同高度层上GNSS/RS层析水汽产品质量也优于传统模型, 这表明GNSS/RS层析模型可有效改善层析结果质量, 反演出精确、可靠的大气水汽三维分布信息.

     

On the usefulness of remote sensing input data for spatially distributed hydrological modelling: case of the Tarim River basin in China

The ecological situation of the Tarim River basin in China seriously declined since the early 1950s, mainly due to a strong increase in water abstraction for irrigation purposes. To restore the ecological system and support sustainable development of the Tarim River basin region in China, more hydrological studies are demanded to properly understand the processes of the watershed and efficiently manage the water resources. Such studies are, however, complicated due to the limited data availability, especially in the mountainous headwater regions of the Tarim River basin. This study investigated the usefulness of remote sensing (RS) data to overcome that lack of data in the spatially distributed hydrological modelling of the basin. Complementary to the conventional station‐based (SB) data, the RS products that are directly used in this study include precipitation, evapotranspiration and leaf area index. They are derived from raw image data of the Chinese Fengyun meteorological satellite and from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The MODIS land surface temperature was used to calculate the atmospheric temperature lapse rate to describe the temperature dependency on topographical variations. Moreover, MODIS‐based snow cover images were used to obtain model initial conditions and as validation reference for the snow model component. Comparison of model results based on RS input versus conventional SB input exhibited similar results in terms of high and low river runoff extremes, cumulative runoff volumes in both runoff and snow melting seasons and spatial and temporal variability of snow cover. During summer time, when the snow cover shrinks in the permanent glacier region, it was found that the model resolution influences the model results dramatically, hence, showing the importance of detailed (RS based) spatially distributed input data. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Building more realistic reservoir optimization models using data mining - A case study of Shelbyville Reservoir

In this paper, we promote a novel approach to develop reservoir operation routines by learning from historical hydrologic information and reservoir operations. The proposed framework involves a knowledge discovery step to learn the real drivers of reservoir decision making and to subsequently build a more realistic (enhanced) model formulation using stochastic dynamic programming (SDP). The enhanced SDP model is compared to two classic SDP formulations using Lake Shelbyville, a reservoir on the Kaskaskia River in Illinois, as a case study. From a data mining procedure with monthly data, the past month’s inflow (Q_t−1), current month’s inflow (Q_t), past month’s release (R_t−1), and past month’s Palmer drought severity index (PDSI_t−1) are identified as important state variables in the enhanced SDP model for Shelbyville Reservoir. When compared to a weekly enhanced SDP model of the same case study, a different set of state variables and constraints are extracted. Thus different time scales for the model require different information. We demonstrate that adding additional state variables improves the solution by shifting the Pareto front as expected while using new constraints and the correct objective function can significantly reduce the difference between derived policies and historical practices. The study indicates that the monthly enhanced SDP model resembles historical records more closely and yet provides lower expected average annual costs than either of the two classic formulations (25.4% and 4.5% reductions, respectively). The weekly enhanced SDP model is compared to the monthly enhanced SDP, and it shows that acquiring the correct temporal scale is crucial to model reservoir operation for particular objectives.     

Estimating river discharge from very high‐resolution satellite data: a case study in the Yangtze River,China

The measurement of river discharge is necessary for understanding many water‐related issues. Traditionally, river discharge is estimated by measuring water stage and converting the measurement to discharge by using a stage–discharge rating curve. Our proposed method for the first time couples the measurement of water‐surface width with river width–stage and stage–discharge rating curves by using very high‐resolution satellite data. We used it to estimate the discharge in the Yangtze (Changjiang) River as a case study. The discharges estimated at four stations from five QuickBird‐2 images matched the ground observation data very well, demonstrating that the proposed approach can be regarded as ancillary to traditional field measurement methods or other remote methods to estimate river discharge. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.