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随着太湖周边社会经济的发展,太湖富营养化日趋加剧。现在几乎每年夏天均有蓝藻水华暴发,太湖蓝藻水华给湖区生态系统和社会经济带来严重威胁,利用长时间序列的卫星遥感图像数据,获取太湖蓝藻水华时空分布特征对于蓝藻水华的空间治理具有重要价值。
本论文以MODIS植被指数产品为主要数据源,采用批处理方法对MODIS植被指数数据集及地表温度数据集做预处理,构建2005年-2007年时间序列数据集,建立BP神经网络模型及案例推理系统提取蓝藻水华空间分布信息;分析蓝藻水华区域的时空格局特征,以及蓝藻水华面积变化的时间特征及气象因子对其影响。为进一步分析蓝藻水华空间分布与时间变化的关联特征,采用经验正交函数和奇异值分解方法获取隐含在长时间序列MODIS数据集中的太湖蓝藻水华时空分布特征。论文主要研究成果如下:
1.建立BP神经网络模型及案例推理系统提取太湖蓝藻水华空间分布信息,二种方法都能以80%以上的精度提取蓝藻水华,其中BP神经网络模型提取蓝藻水华精度高于案例推理系统。
2.提取月份平均的时间序列集中的蓝藻水华空间分布信息,结果表明4-11月份蓝藻水华暴发,其中8-9月份大部分区域暴发蓝藻水华,梅梁湾、竺山湖发生在4-10月份,贡湖集中发生在5、7和8月份。提取季节平均的时间序列集中的蓝藻水华空间分布信息,发现蓝藻水华从春季开始暴发,主要分散在太湖南部和西南沿岸区,夏季在太湖北部出现大面积蓝藻水华,主要集中于太湖西北沿岸、竺山湖和梅梁湾,秋季水华主要体现在太湖西北沿岸和西南沿岸,而且蓝藻水华区域的NDVI均值呈现如下特征:秋季>夏季>春季>冬季。
3.通过网格单元的NDVI时间序列分析发现太湖南部在4月份易暴发蓝藻水华,太湖西北部区域、梅梁湾在7月份易暴发蓝藻水华,太湖西部易在8月和9月暴发蓝藻水华。从季节尺度看,太湖西部沿岸易在秋季暴发蓝藻水华,竺山湖、梅梁湾易在夏季暴发蓝藻水华,太湖南部的个别区域易在春季暴发蓝藻水华。
4.通过对太湖蓝藻水华面积做趋势分析,表明三年内蓝藻水华面积呈现逐年增加趋势。在月份尺度上,气温和降水同太湖蓝藻水华面积之间存在较明显趋势,其中气温变化和太湖蓝藻水华面积变化存在增加趋势,降水变化同太湖蓝藻水华面积变化存在相反趋势;在季节尺度上,降水变化与蓝藻水华面积变化存在相似趋势,气温和风速同太湖蓝藻水华面积变化存在明显的季节性差异。
5.经验正交函数对太湖蓝藻水华时空分布特征分析的季节内结果表明,7-10月份太湖蓝藻水华NDVI偏高区域主要分布在太湖西部沿岸;6月份太湖蓝藻水华NDVI明显偏高的区域位于竺山湖和梅梁湾;7月份蓝藻水华主要分布在太湖西北部、竺山湖和梅梁湾;8月份蓝藻水华主要分布在湖心区西南、梅梁湾口和贡湖湾口。第一模态时间系数与气温、降水和风速的相关分析表明,气温对太湖蓝藻水华空间分布有重要影响;降水与时间系数在8月份以前与具有相似的变化趋势。年际分析结果表明,随着风速逐年降低趋势,太湖西部沿岸、梅梁湾东部、湖心区南部的蓝藻水华NDVI呈现逐年增高趋势。
6.奇异值分解(SVD)对太湖蓝藻水华与水表温度的时空关联结果表明,第一模态蓝藻水华NDVI值与水表温度变化具有密切联系,相关系数可达0.89,在5.10月份,水表温度偏高区域分布在太湖西南沿岸区和贡湖,竺山湖虽然NDVI值偏高,但与其对应的水表温度却偏低。贡湖虽然存在着水表温度偏高的区域,但其NDVI值却偏低,太湖其他区域基本上呈现水表温增加的区域内NDVI值不一定都增加,而NDVI值增加的区域水表温都在增加。