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基于Landsat数据的胶州湾叶绿素a浓度年际变化特征分析.rar

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    基于 Landsat 数据 胶州湾 叶绿素 浓度 变化 特征 分析
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    山东科技大学本科毕业设计(论文)第 1 页摘 要利用 2000-2016 年 Landsat7 ETM+的数据,经叶绿素 a 浓度波段比经验算法,获得青岛胶州湾叶绿素 a 浓度信息。对胶州湾叶绿素 a 浓度分布规律进行了分析,结果表明:近些年来胶州湾叶绿素 a 的空间分布格局没有发生大的变化,空间上叶绿素 a 浓度呈现出湾中部及东部高于西部北部近岸,湾内高于湾口,湾口高于湾外的特征分布规律。但季节规律发生了很大变化。冬季和夏季叶绿素 a 浓度升高,春季和秋季叶绿素 a 浓度下降,使得其双周期型的季节变化特点更为显著。2 月份和 8 月份叶绿素 a 的浓度呈现较弱的升高的趋势,而 5 月和 11 月份则表现为下降的趋势。在年际间,不同区域的叶绿素 a 浓度均呈周期性变化趋势,且每年空间分布趋势基本一致。胶州湾跨海大桥建设前,其附近区域叶绿素 a 浓度基本趋于稳定状态;大桥开建及通车后,其附近叶绿素 a 浓度年变化有缓慢上升的趋势,叶绿素 a 浓度基数要高于建设前,表明胶州湾跨海大桥的附近海域受其建设影像,水环境发生变动,但是生态环境在新的基值基础上同样趋于稳定。关键词:胶州湾;叶绿素 a 浓度;时空分布山东科技大学本科毕业设计(论文)第 2 页AbstractUsing the data of Landsat7 ETM + from 2000 to 2016, the chlorophyll a concentration band was used to obtain the chlorophyll a concentration information in Jiaozhou Bay, Qingdao. The distribution of chlorophyll a concentration in Jiaozhou Bay was analyzed. The results showed that:In recent years, the spatial distribution pattern of chlorophyll a in Jiaozhou Bay has not changed greatly. The concentration of chlorophyll a in the middle of the bay is higher than that in the western part of the western part of the bay, and the bay is higher than the bay and the bay is higher than the bay. But the seasonal law has undergone great changes. The concentration of chlorophyll a in winter and summer decreased, and the chlorophyll a concentration decreased in spring and autumn, and the seasonal variation of the two - cycle type was more significant.The concentrations of chlorophyll a in February and August showed a weaker trend, while in May and November, the trend was declining. In the interannual, the chlorophyll a concentration in different regions showed a periodic trend, and the spatial distribution trend was basically the same.The concentration of chlorophyll a in the vicinity of the construction of the Jiaozhou Bay sea-crossing bridge is basically stable. After the opening and opening of the bridge, the chlorophyll a concentration in the vicinity of the bridge has a tendency to rise slowly. The chlorophyll a concentration base is higher than that 山东科技大学本科毕业设计(论文)第 3 页before the construction, It shows that the waters near the Jiaozhou Bay sea-crossing bridge are affected by the construction of the image, the water environment changes, but the ecological environment tends to be stable on the basis of the new base value.Key words: Jiaozhou Bay; chlorophyll a; spatiotemporal distribution目录第一章 引言 ......................................................................................41.1 研究背景 ...............................................................................................................41.2 研究的目的和意义 .............................................................................................51.3 国内外研究现状 ..................................................................................................5第二章 研究区概况 ................................................................................................92.1 研究区范围 ...........................................................................................................92.2 研究区自然状况 ..................................................................................................9第三章 叶绿素 a 浓度提取方法 ....................................................................113.1 方法与材料 .........................................................................................................113.2 数据材料 .............................................................................................................193.3 叶绿素 a 浓度提取 ...........................................................................................19山东科技大学本科毕业设计(论文)第 4 页第四章 叶绿素 a 浓度变化结果与分析 ....................................................254.1 一年中不同季度胶州湾叶绿素 a 含量水平格局的变化 .......................254.2 一年之中不同月份胶州湾叶绿素 a 含量的变化趋势分析 ..................294.3 胶州湾年际之间叶绿素 a 含量分布分析 .................................................30第五章 总结与展望 ..............................................................................................335.1 本文总结 .............................................................................................................335.2 研究中的问题与展望 ......................................................................................34致谢 ....................................................................................................................................35参考文献 .........................................................................................................................36附录 ....................................................................................................................................39第一章 引言1.1 研究背景胶州湾,位于中国山东半岛的南部,是青岛的母亲湾,为半封闭海湾,水交换能力较弱,受到沿岸工业排污和人类生活排污的影响,水质变差,营养盐浓度升高整个海域呈中度一重度富营养状态,易发生赤潮。浮游植物是海洋系统中的初级生产者,在海洋生态系统的物质循环和能量流动中山东科技大学本科毕业设计(论文)第 5 页具有重要作用。叶绿素是浮游植物重要的组成成分之一,且所有的浮游植物均含有叶绿素 a,叶绿素 a 含量的高低与该水体中浮游植物的种类、数量等密切相关,亦与水环境质量有关,因此叶绿素 a 含量能够在一定程,其浓度可作为海洋浮游植物现存量的指标,同时也是评价海洋水质和富营养化程度的重要参数,对胶州湾内叶绿素 a 的监测意义重大。由于海洋要素分布状态具有复杂、多变的特点,传统现场监测手段难以在实时性和覆盖面上兼顾,而遥感以其大范围、同步、经济的优势可作为叶绿素监测的首选手段。水色遥感是利用紫外、可见、近红外光谱范围的多个波段探测水体光学特征以及水色要素的技术,其利用星载或机载可见光、红外扫描辐射计接收到的海面上行光谱辐射,经大气校正,根据相应的生物光学特性,来获取海中叶绿素、悬浮颗粒物和黄色物质等海洋环境要素信息。在对海洋初级生产力、海洋通量、海洋生态环境和渔业资源监测等方面具有重要意义(冯士榨等,1999。水色遥感可对叶绿素 a 浓度等海洋参数进行大范围、快速、同步的监测,为胶州湾的水质监测服务,但目前尚无完善的胶州湾卫星遥感监测系统。随着全球变化影响的加剧,胶州湾的生态环境发生了巨大的变化,胶州湾叶绿素 a 的长期变化规律及未来发展趋势是当前普遍关心的问题。本文系统分析了 2000-2016 年胶州湾叶绿素 a 分布格局的变化、季节特征的变化以及长期变化规律,为胶州湾生态系统的长期变化研究、生态系统健康评价以及基于生态系统的管理提供重要的依据。1.2 研究的目的和意义山东科技大学本科毕业设计(论文)第 6 页叶绿素 a(Chl-a)是浮游植物生物体的重要组成成分之一,Chl-a 含量的高低与该水体中藻类的种类、数量等密切相关,是浮游植物现存量的重要指标,是反映内陆湖泊富营养化程度的一个重要参数。常规的 Chl-a 监测方法是通过先采集水样,然后进行实验室分析,得到采样点的 Chl-a 浓度,用采样点的 Chl-a 浓度代替附近水域 Chl-a 浓度或采用地统计学的方法分析其时空分布。而对大面积的水域,采用该方法耗时、费力、不经济。采用常规方法难以获取大范围水域 Chl-a 状况的分布和变化,不能满足对水质实时、大范围的监测评价要求,而且难于长时间连续监测。遥感技术由于其宏观、动态等特点,在水质监测上的应用,有着常规监测不可替代的优点。Chl-a 一由于其特有的光学特性,使得利用遥感反射率反演 Chl-a 浓度具有可行性。胶州湾区域空间尺度较小,传统水色卫星的分辨率较低,一般为1km,无法满足细致监测需求;用于陆地遥感的 SPOT 和 Landsat 卫星所搭载的传感器分辨率在 10-30 米之间,可见光和近红外范围内有 4-5 个波段,具有反演叶绿素 a 的潜力,或可弥补传统水色卫星空间分辨率较低的不足。1.3 国内外研究现状国内己有许多人对胶州湾水中的浮游植物和叶绿素 a 浓度进行了现场调查,对其空间和时间分布,浮游植物的粒级构成,以及相关的影响因素等进行了分析研究,并取得了丰富的成果,这些实测数据和结果对于遥感反演具有重要的参考价值。山东科技大学本科毕业设计(论文)第 7 页潘友联等(1995) 对 1983 年 11 月一 1985 年 11 月之间胶州湾的两个观测站进行了为期 2 年的水中叶绿素浓度逐月定点研究 [1]。结果表明,胶州湾口表层水叶绿素 a 平均浓度为 3.05(1.02-15.62)mg/m³,真光层中平均为26.34(9.97-106.59)mg/m³;叶绿素 a 浓度的季节变化呈现春(3-4 月)、秋(9-11月)双峰型。小型浮游植物(20m)平均占 35.8%,微型浮游植物(2-20μm)平均为 51.3%,超微型浮游植物(<2m)平均为12.9%,且不同季节和海域粒级构成有一定差异。山东科技大学本科毕业设计(论文)第 8 页李超伦等(2005)2003 年 6 月-2004 年 5 月对胶州湾及邻近海域水体中叶绿素 a 浓度变化及其空间分布进行了周年调查 [4]。结果表明,调查海域叶绿素 a 全年平均浓度为 2.81 mg/m³,月平均浓度变化范围为 0.73-8.44 mg/m³。整个海域叶绿素 a 浓度周年变化呈现双峰型,分别在夏季 8 月和冬季 2 月出现两个高峰,但是不同区域的变化幅度不同,营养盐浓度变化与叶绿素其水平分布格局为湾内高于湾外,湾内北部高于南部。营养盐浓度变化与叶绿素 a 浓度的变动未发现明显的相关性,但是在局部海域硅酸盐对冬季浮游植物水华的进一步发展具有一定的限制作用。综合分析营养盐、叶绿素 a 和浮游动物的周年变化及其之间的关系显示,下行控制胶州湾浮游植物的数量变动中起着重要的调控作用。潘胜军等(2009) 对 2008 年 2、5、8 和 11 月胶州湾及邻近水域中表层叶绿素 a 浓度和浮游植物粒级组成进行了调查 [5]。结果表明:胶州湾内和湾外表层叶绿素 a 年平均浓度分别为 4.90 和 2.03mg/m³;叶绿素 a 浓度的平面分布呈现自东北部及近岸向中部、南部及湾外递减的趋势;叶绿素 a 浓度季节性变化明显,冬季和夏季浓度较高,春季次之,呈现温带海域双峰型的变化趋势。胶州湾浮游植物粒级组成以微型浮游植物为主,平均占叶绿素 a 总量的 60.9%,其次是小型浮游植物,超微型浮游植物所占比例最低。与历史资料相比,微型浮游植物的比例有所增加,超微型浮游植物降低。孙松等(2011) 系统分析了 1977-2008 年胶州湾浮游动物群落的长期变化特征 [6]。结果表明,近 30 年来胶州湾浮游动物生物量呈现明显的上升趋势。2000 年之后胶州湾浮游动物平均生物量达到 0.361g/m³,为 20 世纪90 年代的 3.54 倍。浮游动物的季节变化规律己由 20 世纪 90 年代夏季生物量和丰度最高的季节变化特征转变为 2000 年之后春季生物量和丰度最山东科技大学本科毕业设计(论文)第 9 页高,夏季次之的季节变化特征。胶州湾浮游动物的种类组成也发生了改变。孙晓霞等(2011) 根据 1981-2008 年的胶州湾浮游植物调查资料,系统分析了网采浮游植物群落的长期变化特征 [7]。结果表明,自 1981 年以来,胶州湾浮游植物总量呈现增加的趋势,但空间分布格局没有发生明显改变。胶州湾浮游植物优势类群数量的长期变化趋势表明,胶州湾浮游植物群落对气候变化和人类活动的综合影响己经做出响应。孙晓霞等(2011) 采用野外观测与历史数据相结合的方法,系统分析了1984-2008 年胶州湾叶绿素 a 及初级生产力分布格局、季节特征的变化以及长期变化规律 [8]。结果表明,近 20 年间胶州湾叶绿素 a 的空间分布格局没有发生大的变化,但季节规律发生了很大变化。冬季和夏季叶绿素 a浓度升高,春季和秋季叶绿素 a 浓度下降,使得其双周期型的季节变化特点更为显著。胶州湾叶绿素 a 浓度的长期变化呈现波动状态,波动范围为1-4.76mg/m³。2 月份和 8 月份叶绿素 a 的浓度呈现较弱的升高的趋势,而5 月份和 11 月份则表现为下降的趋势。从空间格局上看,湾外区域叶绿素 a 浓度呈现显著下降的趋势。胶州湾的初级生产力存在一定的年际波动,1980'S,1990'S 和 2000'S 三个时期的季度月平均初级生产力分别为 334.41, 354.39, 347.73mgC/(m²·d),并没有出现下降趋势。总结之上的调查研究成果可以发现,胶州湾叶绿素 a 浓度的时空分布呈现较为明显的规律性:空间上,胶州湾叶绿素 a 浓度在中东部较高,西部和北部较低,湾内高于湾外;时间上,胶州湾叶绿素 a 浓度呈现一年双峰的特点,近年来冬季和夏季为叶绿素 a 浓度分布的高峰期,而春秋两季山东科技大学本科毕业设计(论文)第 10 页则有所降低。第二章 研究区概况2.1 研究区范围胶州湾位于中国山东省山东半岛南部,又称胶澳,有南胶河注入。胶州湾口窄内宽,东西宽 15 海里,南北长 18 海里(低潮位时),面积 446平方千米,为伸入内陆的半封闭性海湾,天然深水航道水深 10~15 米左右,无泥沙淤积,冬季一般不结冰。2.2 研究区自然状况2.3.1 地理特征
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