基于Forel-Ule_指数的鄱阳湖水色时空变化研究

收稿日期:2023-03-09;修订日期:2023-04-23
作者简介:夏澳欣(1999 ),女,硕士研究生,主要从事水色遥感研究㊂
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41101322);江西省自然科学基金项目(20114BAB213022)㊂
第41卷㊀第4期2023年8月
江㊀㊀西㊀㊀科㊀㊀学
JIANGXI㊀SCIENCE
Vol.41No.4Aug.2023
㊀㊀doi :10.13990/j.issn1001-3679.2023.04.027
基于Forel -Ule 指数的鄱阳湖水色时空变化研究
夏㊀澳㊀欣
(江西理工大学土木与测绘工程学院,341000,江西,赣州)
摘要:基于多光谱传感器数据计算的FUI 水体颜色指数模型可用于监测水体颜色变化,从而得知水体水质状况㊂基于水体颜色指数模型,分析了鄱阳湖2013 2021年水色时空变化特征,并探讨其变化原因㊂结果表明:鄱阳湖水色指数呈现出逐步降低的趋势,且丰水期鄱阳湖的水色指数均低于枯水期㊂丰水期和枯水期的水色指数变化趋势均是显著增加转变为显著减小㊂空间上,南部和西部湖区水色指数较高,东部㊁北部湖区较低㊂另外,输沙量对鄱阳湖水色指数有一定的影响㊂关键词:鄱阳湖;FUI 水色指数;时空变化;遥感监测
中图分类号:X87;P332㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:1001-3679(2023)04-763-05
Spatial and Temporal Variation of Water Colour in
Poyang Lake based on Forel -Ule Index
XIA Aoxin
(Jiangxi University of Science and Technology Civil and Surreying &Mapping Engineering,
341000,Ganzhou,Jiangxi,PRC)
Abstract :The FUI water colour index model calculated based on multispectral sensor data can be used to monitor the colour change of water bodies to know the water quality condition.Therefore,this study analysed the spatial and temporal characteristics of water colour changes in Poyang Lake from 2013to 2021based on the water body colour index model,and explored the reasons for the changes.The resulted show that the water colour index of Poyang Lake showed a gradually decrea-sing trend,and the water colour index of Poyang Lake in the abundant water period was lower than that in the dry water period.The trend of the water colour index changed from significantly increasing to significantly decreasing in both abundant and dry water periods.Spatially,the water colour index was higher in the southern and western lakes and lower in the eastern and northern lakes.In addition,the amount of sand transport had a certain influence on the water colour index of Poyang Lake.
Key words :Poyang Lake;FUI water colour index;spatial and temporal variation;remote sensing monitoring
0㊀引言
水体颜色是水体的重要光学特征之一,从监
测得到的水体颜色的变化情况中也可以了解到水
体水质的变化情况[1]㊂近年来,水体颜色指数逐渐成为水色遥感领域中的一个新兴的发展方向,
它的抗干扰能力强,反演结果的精度高,具有广阔的应用前景㊂许杨[2]使用长时序Landsat 影像监
测长江中下游流域湖泊水体颜色变化过程并分析其驱动因素;赵桂荣[3]则基于Landsat -5和Land-sat -8影像数据,分析了内蒙古自治区5个典型湖泊1987 2021年间的水色指数时空分布特征及其驱动因素,并基于FUI(Forel -Ule Index,水体颜
色指数)计算中间量 色调角,对重点研究区进行营养状态评价㊂这些研究表明,基于遥感数据的FUI 水体颜色指数模型在大范围水体颜色变化监测上具有优势㊂
鄱阳湖是我国面积最大的淡水湖,近年来,鄱阳湖丰枯期水体面积变化巨大,水域不断萎缩,生态系统已越发脆弱[4]㊂本文使用Ladnsat -8OLI
遥感数据监测了鄱阳湖2013 2021年水体颜色变化过程,分析了鄱阳湖水体颜色时空动态变化规律,监测鄱阳湖水质变化,为鄱阳湖水体的保护提供理论支撑㊂
1㊀研究区概况与数据
1.1㊀研究区概况
鄱阳湖是中国最大的淡水湖,位于江西省北部,赣江㊁抚河㊁饶河㊁信江㊁修河5条主要河流向鄱阳湖供水㊂鄱阳湖在防洪蓄水㊁调节当地气候和保护全球生物多样性方面发挥着重要作用[5]㊂本文以鄱阳湖及周边水域为基本范围进行研究,如图1㊂
115°0′0″东
117°0′0″东
116°0′0″东115°0′0″东117°0′0″东
116°0′0″东29°0′0″北
29°0′0″北
051020miles
N
2021年10月8日Landsat 8影像
RGB
红色:SRB4(0.654600Micrometers)绿色:SRB3(0.561300Micrometers)蓝色:SRB1(O.443000Micrometers)
福建省
江西省
安徽省
湖北省
湖南省
湖南省
图1㊀研究区范围
1.2㊀数据来源
本研究主要使用Landsat -8Level 2遥感数据
产品,从美国国家航空和航天局(NASA)的网站上获取(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.
gov)㊂它经过辐射校正和几何校正,并在校正后投影到了指定地图投影坐标系㊂Landsat -8OLI 传
感器在可见光㊁近红外波段的空间分辨率为30m,时间分辨率为16d㊂鄱阳湖流域五大河流及湖口
水道的年径流量与年输沙量均来自于长江泥沙公
报㊂
2㊀研究方法
2.1㊀水体颜色指数模型
计算水色指数,需将可见光波段的RGB 转换为CIE -XYZ 颜色系统的三刺激值X,Y,Z;再将三刺激值进行归一化计算后,获得CIE 色度系统内的坐标(x,y),基于色度坐标可以得到色度角α并进行多项式校正;所得角度结果可以对应到FUI 指数色度查找表,从而获取水体FUI 水色指
数㊂从CIE 系统的R㊁G㊁B 向X㊁Y㊁Z 三刺激值转
换的方法主要有2种,RGB 转换方法和线性插值算法㊂本研究使用RGB 转换方法来计算三刺激值,计算公式:
X =2.7689R +1.7517G +1.1302B Y =1.0000R +4.5907G +0.0601B Z =
0.0000R +0.0565G +5.5934B
ìîíïï
ï(1)根据三刺激值,利用下述公式归一化计算色
度坐标,计算公式:
x =
X X +Y +Z y =
Y X +Y +Z ìî
í
ïï
ïï(2)式中,x +y +z =1㊂本文的色度角定义与王胜
蕾[6]的定义一致㊂将色度坐标代入式(3)计算得到色度角度α:
α=ARCTAN2(x -0.3333,y -0.3333)ˑ
180
π
+180(3)
其中,ARCTAN2函数为双变量反正切函数㊂为了消除传感器波段与真实颜色之间色差,本文采取多项式校正公式进行校正[6],如式(4),式中(a =
α/100)㊂最后,基于校正后的色度角,在FUI 指
数查找表中对应水体水色指数㊂
ә=33.086a 5-221.6a 4+512.65a 3-468.4a 2+137.27a +4.6374,
R 2=0.5
(4)
2.1㊀分析方法本文采用归一化水体指数提取水体,该指数是基于绿波段与近红外波段进行归一化比值计算所得[7]㊂本研究通过人机交互的方式来选择阈值,尽可能地使每期影像的水体提取结果更加准确㊂另外,Mann -Kendall 检验(简称M -K 检验)
㊃
467㊃江㊀西㊀科㊀学
2023年第41卷
可以明确地找到突变开始的时间点,并能够指出突变时间段[8]㊂本文用其来分析水色指数时间序列数据趋势的变化情况㊂
3㊀结果分析
3.1㊀时间变化分析
图2(a)反映2013 2021年鄱阳湖区域每年
水色指数FUI 值变化情况㊂由图2可以看出,年际FUI 均值呈现出逐步降低的趋势㊂在2013年
FUI 年均值最大,这可能是因为该年份的可用影像较少,且多分布于枯水期㊂年最大值和年最小值的变化趋势相似,整体来看逐步降低,但变化趋势都较为波动㊂鄱阳湖水色指数的年均值变化范围在11~13之间㊂其中,2014年的FUI 年最大值和年最小值相差较大,可能是受鄱阳湖丰枯水期
的水情变化的影响㊂
鄱阳湖是一个水文情势变化剧烈的季节性湖
泊,其水位年变幅通常超过10m㊂依据鄱阳湖的
水文变化特性,4 9月为鄱阳湖的丰水期,1 3月和10 12月则为枯水期㊂为了更好地分析鄱阳湖水体颜色变化规律,本研究分别计算了
2013 2021年鄱阳湖丰水期和枯水期的水色指数平均值,如图2(b)㊂2013 2021年鄱阳湖丰水期的水色指数均低于枯水期㊂2014年是
2013 2021年间枯水期水色指数最高的一年,达12.9,2019年最低,为11.047㊂与上文的年际变化分析中2014年年内水色指数差异大相对应,
2014年丰水期与枯水期的水色指数差异明显㊂2013 2021年丰水期水色指数最高的年份是
2018年,达11.761,2020最低,为10.087㊂
7
8910111213141516F U I
最小~最大均值
2020年2019年2018年2017年2016年2015年2014年2013年2021年
（a)
F U I
2020年2019年2018年2017年2016年2015年2014年2013年2021年
（b)
24681012141618丰水期枯水期
（b)
（a)
图2㊀(a )2013 2021年鄱阳湖水色指数年际变化;(b )丰水期与枯水期水色指数变化
3.2㊀空间变化分析
图3展示了2013 2021年鄱阳湖年均水色指数空间分布情况㊂从图3可以发现,2013 2021年鄱阳湖水色指数高值分布在入湖通道及其周边区域,鄱阳湖整个南部湖区及东部湖区的白沙洲乡㊁梅湖等地区水色指数的值较低㊂鄱阳
湖水色指数空间分布差异明显,南部湖区水色指数高于北部湖区,西部湖区的水色指数高于东部湖区㊂2013 2021年鄱阳湖水色指数的范围在7~17之间,并未发生太大的变化㊂局部来看,南部
湖区的水色指数逐渐降低,水体颜色由黄绿色向绿色转变,水质状况变好㊂
2013年
（a)
0510
20Miles
FUI
FUI
2017年（b)
0510
20Miles
2021年（c)
0510
20Miles
FUI
图3㊀2013 2021年鄱阳湖水色指数空间分布图
㊀㊀水色指数FUI 可划分为5个颜色等级,以反映对应水体不同的营养状态和主导水体成分,如
表1所示㊂结合图3和表1可知,鄱阳湖大部分区域水体颜色为绿色,水体中含有大量营养物质
㊃
567㊃第4期㊀㊀㊀㊀㊀㊀夏澳欣:基于Forel -Ule 指数的鄱阳湖水色时空变化研究
和浮游植物㊂2013 2021年水体颜色大部分区域由黄绿色向绿色转变,整体水质得到了改善,南部湖区和东部湖区的一些地区的水色指数一直都保
持着较低的水平,水体颜色为绿色偏向蓝绿色,可能存在水体营养水平过低的问题㊂
表1㊀水色指数与对应水体营养状态、主导水体成分的5个颜色等级划分
FUI
水体颜色
主导水体成分描述
1~5靛蓝色 青绿色低营养状态;主要由微型藻类(浮游植物)构成
6~9青绿色 蓝绿色以藻类为主,溶解物质增加
10~13绿色营养物质和浮游植物含量增加,但也含有矿物质和溶解有机物14~17绿棕色 棕绿色
富营养状态;浮游植物浓度高,沉积物和溶解有机物含量增加
18~21棕绿色 可乐棕色
腐殖酸浓度极高3.3㊀M -K 变化趋势检验
通过M -K 检验方法来分析2013 2021年水
色指数丰水期和枯水期的变化趋势,并找出突变产生的时间,图4(a)是丰水期水色指数的变化趋势检验结果,图4(b)则是枯水期水色指数的变化趋势检验结果㊂据图4(a)中的UF 曲线形态变化,2014 2019年鄱阳湖丰水期水色指数稳定保持着显著增加的趋势㊂UF 曲线与UB 曲线在
2020年相交,此为突变发生的时间㊂2020年开始丰水期的水色指数转变为显著减小的趋势㊂由图
4(b)枯水期的水色指数变化趋势可以划分为两个阶段,2013 2014年显著增加,2015 2017年间UF 曲线变化频繁,但枯水期的水色指数变化趋势仍保持显著减小㊂UF 与UB 曲线也在2015
年㊁2017年相交,这说明2015年㊁2017年水色指数变化趋势发生突变㊂
-6-4-20246(a)
M -K 统计量
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
年份
UF 统计量UB 统计量0.05显著水平
-6
-4
-2024
6(b)
M -K 统计量
20142015201620172018201920202021
年份
UF 统计量UB 统计量0.05显著水平
2013(a)(b)
图4㊀(a )丰水期水色指数变化趋势检验结果;(b )枯水期水色指数变化趋势检验结果
3.4㊀水文因素对水色指数的影响分析
鄱阳湖是一个水文情势变化剧烈的季节性湖泊,受流域五大河流以及长江来水双重影响,鄱阳湖的湖水面积变化巨大㊂本文选取径流量和输沙量数据来与湖泊水色指数进行研究㊂图5为
2013 2021年鄱阳湖河流和湖口年径流与输沙量变化趋势图㊂由图5(a)可以看出鄱阳湖水量主要来源是赣江,其次是信江,而修水对水量的贡献最小㊂湖口年径流量变化趋势与五大河流径流量基本一致,且湖口的年径流量高于五河总径流量㊂图5(b)为2013 2021年鄱阳湖河流和湖口年输沙量变化趋势图㊂根据图5(b),鄱阳湖入湖泥沙主要来源于赣江,修水的年输沙量最低㊂五河年输沙量与湖口年输沙量的变化趋势基本一致,但鄱阳湖向长江输入的泥沙量远高于五河向鄱阳湖输入的泥沙总量㊂
图6为2013 2021年五河及湖口年径流量㊁输沙量与鄱阳湖年均水色指数之间的关系㊂观察图6(a)发现水色指数变化趋势与湖泊径流量变化趋势之间的相关关系并不显著㊂鄱阳湖水量的变化主要因素是五大河流的入湖流量,但水流在汇入湖区时还会携带大量泥沙,因此,径流量只是影响湖泊水色变化的因素之一㊂由图6(b)可知,湖口年输沙量与水色指数的变化趋势比较一致,呈现出正相关的趋势,而五河总输沙量的变化趋势则与水色指数的变化趋势不同㊂这可能是因为鄱阳湖向长江所输入的泥沙量,高于五河向鄱阳湖输入的泥沙总量,是影响鄱阳湖水体中泥沙含量的重要因素㊂
㊃
667㊃江㊀西㊀科㊀学2023年第41卷
5001000150020002500(a)
年径流量/亿m 3
五河总径流量湖口
外洲(赣江)李家渡(抚河)
梅港(信江)虎山(饶河)万家埠(修水)
2014201520162017
2018201920202021年份
2014201520162017
2018201920202021
年份
年输沙量/万t
-200
0200400600800100012001400
16001800湖口
外洲(赣江)李家渡(抚河)梅港(信江)
虎山(饶河)万家埠(修水)五河总径流量
(b)
20132013(a)
(b)
图5㊀图5(a )五大河与湖口年均径流量变化;(b )五大河与湖口年均输沙量变化
输沙量/万吨
(b)
五河总径流量湖口
FUI)
20040060080010001200140016001800200022001
23456789101112131415161718192021F U I
(a)径流量/亿m 3
五河总径流量
湖口
FUI)F U I
3
6912
15
1821200
4006008001
00012001400160018002000220024002600
28003000
20142015201620172018201920202021
年份
20142015201620172018201920202021
年份
20132013(a)(b)
图6㊀图6(a )年均径流量与水色指数之间的关系;(b )年均输沙量与水色指数之间的关系
4㊀结束语
本研究基于FUI 水色指数模型,结合Landsat
-8OLI 遥感数据,定量分析了2013 2021年鄱
阳湖水体颜色的时空变化规律,并结合水文数据分析影响水色变化的原因㊂主要结论如下㊂
2013 2021年鄱阳湖水色指数呈现出逐步
降低的趋势,其中2014年的水色指数年最大值和年最小值相差较大㊂并且,鄱阳湖丰水期的水色指数均低于枯水期㊂鄱阳湖水色指数空间分布差异明显,南部湖区水色指数高于北部湖区,西部湖区的水色指数高于东部湖区㊂2013 2021年鄱阳湖水色指数略微降低,水体颜色由黄绿色转向绿色㊂2014 2019年鄱阳湖丰水期水色指数稳定保持着显著增加的趋势,2020年丰水期的水色指数转变为显著减小㊂2013 2021年枯水期的水色指数变化趋势为显著增加然后转变为显著减小㊂流域内五大河流及湖口的径流量与鄱阳湖水色指数的之间的相关性并不明显㊂而湖口处的年输沙量与水色指数之间呈现出正相关关系㊂
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