利用相对绿度指数反演内陆水体藻类活动

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内陆水体富营养化越来越严重,带来的藻类水华问题严重影响人类健康和社会经济。藻类水华爆发通常突然发生,仅持续几个小时,这就需要高时间分辨率的连续监测,卫星遥感和水样采集分析等方法已经无法满足其要求,而近湖面定点遥感的连续监测能满足这一要求。本研究采用RGB相机开展近地面遥感观测,并采用相对绿度指数为评价指标,反演水体藻华过程。首先,在江苏南京和安徽全椒的景观池塘、养殖鱼塘和农村沟渠等各类水体进行预实验,研究确定定点遥感观测的相关技术问题和算法问题;而后在太湖4个典型生态功能区开展了原位连续观测,反演藻类生长和水华过程,探讨有利于蓝藻水华爆发的环境要素,并研究极端天气过程(如台风)对湖体生态系统的影响。本文主要结果如下:(1)两种植被指数ExG(绝对绿度指数)和gcc(相对绿度指数)都可以指示水体状况。太阳高度角能对gcc产生影响。晴天条件下,随着太阳高度角变大,gcc逐渐升高,大于40°后趋于稳定;阴天条件下,随着太阳高度角变大,gcc没有明显变化。因此,使用正午时段(10:00~14:00)gcc平均值能够有效表征当日水体状况。(2)对于池塘和沟渠,夏季、秋季和冬季gcc的波动范围依次减小,冬季最稳定。夏秋冬三个季节相比,gcc水平依次下降,平均值分别为0.371、0.349和0.341。(3)太湖北部站点位于藻型湖区,其gcc数值最高,且变化幅度最大,年平均值为0.354;东部和南部站点gcc处于中间水平,gcc年均值分别为0.348和0.345;中部站点gcc处于最低水平,年平均值为0.343。四个站点gcc的总体季节变化趋势基本一致:春季gcc慢慢升高,夏季达到最大值,秋季略有下降。(4)以北部站点gcc超过0.370为界限值挑选出13次典型的藻类水华事件,分析其前期天气过程和当天气象条件。就前期天气过程而言,有11次水华事件在前3天经历了明显降水过程,其余两次前期为冷空气过境和晴热高温天气。水华事件在日最高气温25~35℃、日最大风速3~5级,均有发生,说明气温和风速并非主控因子。暴雨过后的晴天容易发生水华,而暴雨与水华最短时间间隔仅为10小时。气象因子处于以下范围时(日最高气温:25~30℃;日最低相对湿度:45~60%;日最高太阳辐射:1000~1100 W/m2;日最大风力等级:3~4级;日降水量:0~0.1 mm),水华容易发生。台风过境时,太湖4个站点gcc均明显下降,说明其对浮游植物和沉水植物均有明显影响,而台风影响过后等到气象条件适宜,藻类群体会上浮到水面,形成藻华,并持续较长一段时间。本研究为藻类生长动态的高频连续监测提供了新的方法,揭示出日到天气过程尺度藻类水华的有利条件,能够为藻类观测研究和水华预警提供数据支持和理论参考。
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