鄱阳湖叶绿素a浓度数据集（2009-2012）

王卷乐1*，张永杰1，杨  飞1，曹晓明2，柏中强1,3，祝俊祥1,3，
陈二洋1,4，李一凡1,3，冉盈盈4

1. 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；
2. 中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；3. 中国科学院大学，北京 100101；
4. 中国矿业大学，北京 100083

摘  要：叶绿素a浓度是水体富营养化的重要指标。本数据集通过鄱阳湖水体光谱信息实地采集，分析了其实测光谱特征，构建了光谱指数，结合叶绿素a浓度实测数据，采用了最小二乘方法，回归分析得到了敏感波段区间；利用MODIS数据采用半经验、经验方法分期得到了2009-2012年鄱阳湖叶绿素a浓度估算模型，并对其结果进行了精度验证；最后得到鄱阳湖2009至2012年1月、4月、7月和10月的叶绿素a浓度分布数据。数据结果表明，2009-2012年鄱阳湖叶绿素a浓度总体呈波动缓慢上升趋势，每年12月-2月浓度最低，3-7月较快上升达到峰值，8-11月开始回落；空间分布上叶绿素a浓度的高值区多分布在近岸水域、五湖入湖口水域，且浓度越高的季节，空间波动变化特征越显著。该数据集由3次实测数据和16个月度反演叶绿素a浓度数据产品组成。数据格式为.tif和.xlsx，压缩后数据量为1.71 MB。

关键词：水色遥感；叶绿素a；鄱阳湖；反演模型；时空分布

DOI: 10.3974/geodp.2017.02.12

 

1  前言

鄱阳湖是我国最大的淡水湖，在防洪调蓄、保护生物多样性等方面发挥着重要作用[1]。水体中叶绿素a含量的高低能够反映水体初级生产力状况，同时它也是评价水体富营养化程度的一个重要指标。常规的叶绿素a监测和分析过程复杂、周期长，耗费大量人力物力，而且还受气象等自然条件的限制，难以动态监测大范围水域的叶绿素a浓度的分布和变化情况。利用遥感手段进行鄱阳湖叶绿素a浓度的监测具有监测广、成本低和便于长期动态监测的优势。

2  数据集元数据简介

鄱阳湖叶绿素a浓度数据集（2009-2012）[2]的数据集名称、短名名称、作者、地理区域、数据年代、数据空间分辨率、数据出版单位、数据共享政策等信息一并列于表1。

表1  鄱阳湖叶绿素a浓度数据集（2009-2012）元数据简表

条  目

描  述

数据集名称

鄱阳湖叶绿素a浓度数据集（2009-2012）

数据集短名

Chlorophyll-a Concen of Poyang Lake, China

作者信息

王卷乐 R-8881-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, wangjl@lreis.ac.cn

张永杰 S-1642-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, yongjie1218@163.com

杨  飞 S-1413-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, yangfei@lreis.ac.cn

曹晓明 R-9449-2016, 中国林业科学研究院荒漠化研究所, caoxm1027@gmail.com

柏中强 S-1951-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, wterrybzq@163.com

祝俊祥 R-9443-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, zhujx@lreis.ac.cn

陈二洋 S-1107-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, cheney@lreis.ac.cn

李一凡 R-8984-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, lyf@lreis.ac.cn

冉盈盈 S-1004-2016, 中国矿业大学, wsranyingying@163.com

地理区域

中国鄱阳湖地区（28°22¢N-29°45¢N，115°47¢E-116°45¢E）

数据年代

2009-2012年

空间分辨率

250 m

 

 

数据格式

.tif, .xlsx, .rar

 

 

数据量

原始数据为12.2 MB，压缩后为1.71 MB

 

 

数据集组成

本数据集由实测数据和反演数据组成：（1）实测数据，分别为2011年10月、2012年7月和2012年10月三次到实测站点测量的位置信息和光谱数据。存储为.xlsx文件，共758 KB；数据压缩为In-situData.rar，703 KB；（2）反演数据，共包括16个2009-2012年的鄱阳湖叶绿素a浓度的数据文件，.tif格式，共11.4 MB；压缩为Chlorophyll-a Concen of Poyang Lake.rar，1.02 MB

基金项目

中华人民共和国环境保护部（201109075）；中国工程院（CKCEST-2016-3-7）

出版与共享服务平台

全球变化科学研究数据出版系统 http://www.geodoi.ac.cn

地址

北京市朝阳区大屯路甲11号 100101，中国科学院地理科学与资源研究所

数据共享政策

全球变化科学研究数据出版系统的“数据”包括元数据（中英文）、实体数据（中英文）和通过《全球变化数据学报》（中英文）发表的数据论文。其共享政策如下：（1）“数据”以最便利的方式通过互联网系统免费向全社会开放，用户免费浏览、免费下载；（2）最终用户使用“数据”需要按照引用格式在参考文献或适当的位置标注数据来源；（3）增值服务用户或以任何形式散发和传播（包括通过计算机服务器）“数据”的用户需要与《全球变化数据学报》（中英文）编辑部签署书面协议，获得许可；（4）摘取“数据”中的部分记录创作新数据的作者需要遵循10%引用原则，即从本数据集中摘取的数据记录少于新数据集总记录量的10%，同时需要对摘取的数据记录标注数据来源[3]

3  数据研发方法

3.1  实测数据

本数据集形成过程中共进行了3次水质采样和同步水体光谱测量工作[4–5]，时间分别为2011年10月，2012年7月和2012年10月。对应的采样站点的地理位置和海拔高度等信息列于数据文件中。表2、表3为2011年10月采样点的地理信息（节选）。3次采样的光谱曲线如图1-图3所示。

表2  2011年10月25个实测点的地理位置和海拔高度数据表（节选）

ID

测量日期

测量时间

经度 (°E)

纬度 (°N)

海拔高度 (m)

注释

 1

10.16

11:55-12:05

116.400,916,7

29.053,81

13

瓢山

 2

10.16

12:20-12:30

116.379,722,2

29.069,30

12

瓢山与棠荫之间

 5

10.15

16:35-16:43

116.083,625,0

29.250,16

 8

都昌与饶河口之间

…

…

…

…

…

…

…

25

10.17

12:48

116.276,360,0

  29.796,68

  16.5

湖口

注：全部数据见In_SITU_LOCATION_201110.xlsx。

3.2  实测点数据的节选

表3  2011年10月25个实测数据表（节选）

波长 (nm)

1

2

5

6

…

长江0号

325

0.009,51

0.004,204

0.002,356

0.010,482

…

0.008,174

326

0.008,938

0.003,997

0.003,548

0.011,104

…

0.008,895

327

0.008,650

0.004,129

0.003,777

0.011,224

…

0.009,337

328

0.008,837

0.004,252

0.003,323

0.010,966

…

0.009,463

…

…

…

…

…

…

…

1,050

0.076,226

0.006,099

-0.036,280

0.005,943

 

0.002,600

注：全部数据见In_SITU_DATA_201110.xlsx。

3.3  由实测点到湖泊面数据反演方法

2009-2012年鄱阳湖叶绿素a浓度的反演模型采用半经验、经验方法分期进行构建。

基于实测光谱信息，在水体光谱特性的分析的基础上，利用实测光谱数据寻找敏感波段区间，将敏感波段区间所在的各个MODIS通道的反射率与叶绿素a浓度进行回归分析，逐季（1月代表冬季、4月代表春季、7月代表夏季、10月代表秋季）以MODIS数据波段各种组合为光谱指数，分别建立光谱指数与叶绿素a浓度的回归关系，选择决定系数最大、均方根误差最小的模型作为叶绿素a浓度的反演模型。数据研发方法详见文献[1]和[6]。表4为建立的2009-2012年鄱阳湖叶绿素a浓度分期反演模型。

 

 

 

图1  2011年10月在鄱阳湖取样数据光谱曲线图

图2  2012年7月在鄱阳湖取样光谱曲线图

图3  2012年10月在鄱阳湖取样光谱曲线图

注：图1、图2、图3中横坐标表示波段的波长；纵坐标表示光谱反射率；曲线表示每一个采样点的光谱曲线。

表4  2009-2012年鄱阳湖叶绿素a浓度回归模型

模型指数

反演模型

月份

R2

RMSE

F

P

X= B1/(B2+B3+B4)

Y=0.7969EXP(‒2.6605X)

2012年1月

0.453

0.27

  7.44

0.023,2

X=B1/(B2+B3+B4)

Y=19.148EXP(‒3.235X)

2012年4月

0.513

2.11

 13.68

0.002,7

X=B1/(B3+B4)

Y=741.57EXP(‒7.923X)

2012年7月

0.678

2.22

107.23

3.8E-14

X=B1‒B4

Y=3.354EXP(‒45.39X)

2012年10月

0.714

0.95

 32.49

7.3E-05

X=B1/(B2+B3+B4)

Y=66.414EXP(‒4.925X)

2011年1月

0.678

1.64

 14.71

0.006,4

X=B1/(B2+B3+B4)

Y=24.77EXP(‒4.632X)

2011年4月

0.724

2.73

 26.25

0.000,4

X=B1/(B2+B3+B4)

Y=26.606EXP(‒4.093X)

2011年7月

0.793

1.49

33.366,9

0.000,1

X=B4/(B1+B2+B3)

Y=31.514EXP(‒5.69X)

2011年10月

0.670

1.89

 30.45

5.9E-05

X=B4/(B1+B2+B3)

Y=23.967EXP(‒10.65X)

2010年1月

0.538

0.28

 15.14

0.001,9

X=B1/(B3+B4)

Y=36.974EXP(‒5.181X)

2010年4月

0.598

0.44

 14.88

0.003,0

X=B1/(B3+B4)

Y=433.24X2‒458.458X+123.97

2010年7月

0.813

1.93

 21.71

0.000,23

X=B1/(B2+B3+B4)

Y=958.32EXP(‒10.59X)

2010年10月

0.702

3.16

 16.45

 0.004,8

X=B4/(B1+B2+B3)

Y=4.1263EXP(‒3.171X)

2009年1月

0.462

0.38

 10.32

 0.007,5

X=B4/(B1+B2+B3)

Y=7.4876EXP(‒2.318X)

2009年4月

0.490

1.10

 12.48

 0.003,8

X=B1/(B3+B4)

Y=53.959EXP(‒4.854X)

2009年7月

0.538

1.66

 18.64

 0.000,5

X=B1/(B2+B3+B4)

Y=19.174EXP(‒3.053X)

2009年10月

0.693

1.08

 18.02

 0.002,8

4  数据结果与验证

4.1  数据结果

鄱阳湖叶绿素a浓度反演结果如图4所示。

2009年1月份鄱阳湖叶绿素浓度在0-3 μg/L之间，最大值仅2.9 μg/L，相对较高值分布在中南部五河入湖口水域、北部近岸水域，湖中心浓度值偏低[6]；4月浓度有所上升，在0-5 μg/L之间，最大值为4.9 μg/L，该月份中部偏西、北部近岸水域出现相对高值，湖中心浓度值偏低；7月浓度值达到最高值，在5-30 μg/L之间，最大值为29.8 μg/L；10月浓度有所下降，在0-16 μg/L之间，最大值为15.8 μg/L。

2010年1月份叶绿素浓度值又降至0-4 μg/L之间，其最大值为3.3 μg/L，相对高值出现在北部近岸水域、五河入湖口水域；4月份浓度依然在0-4 μg/L之间，最大值为3.9 μg/L，全湖平均浓度较1月份有所上升；7月份浓度值在3-30 μg/L之间，最大值为29.5 μg/L，相对高值区分布在中部偏西、中部偏东水域；2010年10月浓度值达到全年最高值，在2-32 μg/L之间，最大值为31.9 μg/L，相对高值分布在近水区域、五河入湖口水域、大湖面上的主航道及南部水域。

由图5知，2011年1月份叶绿素a浓度值降至0-12 μg/L之间，由于上一年的基点比较高，并没有降到往年的水平（0-3 μg/L），该月份的最高值为11.7 μg/L，相对较高值分布在北部近岸水域、中部偏西及五河入湖口水域；4月份浓度值有所下降，在1-8 μg/L之间，最大值为7.32 μg/L，相对较高值分布在五河入湖口水域、近岸水域和南部水域。7月份浓度又回

图4  2009-2010年鄱阳湖叶绿素a浓度空间分布对比图

图5  2011-2012年鄱阳湖叶绿素a浓度空间分布对比图

升到该年的最高水平，在2-15 μg/L之间，相对较高值出现在五湖入湖口水域、近岸水域和南部水域；10月份浓度开始下降，在0-13 μg/L之间，其中相对较高值出现在全湖的近岸水域。

2012年1月叶绿素a浓度值降至最低水平，在0-4 μg/L之间，最大值为3.6 μg/L，相对高值分布在都昌水域，南端部分水域点状高值区；4月份浓度值有所上升，在2-9 μg/L之间，最高值为8.8 μg/L，相对高值分布在五河入湖口水域及南端水域；7月份浓度值达到全年最高水平在2-30 μg/L之间；最高值为29.5 μg/L，相对高值区分布在部分近岸水域、赣江主支入湖口水域及南端水域。10月份浓度值有所下降，分布在0-14 μg/L之间，最大值为13.4 μg/L。

4.2  数据验证

利用MODIS遥感数据和剩余实测值对2009-2012年的反演模型进行了结果验证，以保证各期模型在遥感数据上应用的有效性[7]。公式为:

                                                                                                             (1)

由表5可知：2009-2012年叶绿素a浓度结果验证的平均相对误差分布在16.5%-52.5%之间。分期模型的平均相对误差的平均值为35.8%。

 

表5  鄱阳湖叶绿素a浓度2009-2012年回归模型反演结果验证结果表

时间

建模点数

验证点数

平均相对误差 (%)

2009年1月

14

 6

48.1

2009年4月

15

 5

52.5

2009年7月

18

 6

31.7

 2009年10月

10

 5

31.4

2010年1月

15

 9

33.3

2010年4月

12

 7

35.1

2010年7月

12

 3

45.5

 2010年10月

 9

 3

31.9

2011年1月

 7

 8

40.4

2011年4月

12

 3

34.7

2011年7月

12

12

32.7

 2011年10月

17

 8

41.3

2012年1月

11

 5

16.5

2012年4月

15

 9

24.1

2012年7月

53

29

36.7

 2012年10月

15

 9

36.9

 

5  讨论

鄱阳湖叶绿素a浓度时空变化数据结果显示：2009-2012年鄱阳湖叶绿素a浓度总体呈波动缓慢上升趋势[8]，每年12-2月浓度最低，3-7月较快上升达到峰值，8-11月开始回落；空间分布上叶绿素a浓度的高值区多分布在近岸水域、五湖入湖口水域，且浓度越高的季节，空间波动变化特征越显著。

鄱阳湖叶绿素a浓度的时空变化是湖泊营养条件、水温、水位变化、风浪及人类活动等因素共同作用的结果。其时间变化规律主要受水体面积变化等自然因素的影响，空间分布差异则主要受周边人类航运、采砂、工矿和农业活动的影响。

 

作者分工：王卷乐负责数据集设计和方法研发。王卷乐、张永杰负责数据分析和数据论文撰写。杨飞、曹晓明、柏中强、祝俊祥、陈二洋、李一凡、冉盈盈参与数据采集和数据验证。

 

致谢：感谢中国科学院鄱阳湖湖泊湿地观测研究站提供的野外工作条件和实地采样数据支持。

参考文献

[1]       张永杰, 王卷乐, 冉盈盈等. 基于实测光谱分析和MODIS数据鄱阳湖叶绿素a浓度估算[J]. 长江流域资源与环境，2013，22(8): 1081-1089.

[2]       王卷乐, 张永杰, 杨飞等. 鄱阳湖叶绿素a浓度数据集（2009-2012）[DB/OL]. 全球变化科学研究数据出版系统, 2014. DOI: 10.3974/geodb.2014.02.08.V1.

[3]       全球变化科学研究数据出版系统. 全球变化科学研究数据共享政策[OL]. DOI: 10.3974/dp.policy.2014.05 (2017年更新).

[4]       唐军武, 田国良, 汪小勇等. 水体光谱测量与分析I: 水面以上测量法[J]. 遥感学报. 2004, 8(1): 37-44.

[5]       SCOR-UNESCO. Determination of Photosynthetic Pigment in Seawater [M]. Monographs on Oceanographic Methodology. France: Paris, 1966.

[6]       Wang, J. L., Zhang, Y. J., Yang, F., et al. Spatial and temporal variations of chlorophyll-a concentration from 2009 to 2012 in Poyang Lake, China [J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 73(8): 4063-4075. DOI: 10.1007/s12665-014-3691-x.

[7]       Hu, C. M. A novel ocean color index to detect floating algae in the global oceans [J]. Remote Sensing of Environment, 2009, 113: 2118-2129.

[8]       Feng, L., Hu, C. M., Chen, X. L., et al. Assessment of inundation changes of Poyang Lake using MODIS observations between 2000 and 2010 [J]. Remote Sensing of Environment, 2012, 121:80-92.

[9]       Wu, Z., Cai, Y., Liu, X., et al. Temporal and spatial variability of phytoplankton in Lake Poyang: the largest freshwater lake in China [J]. Journal of Great Lakes Research, 2013, 39 (3):476-483.