基于水色指数的大范围长时序湖库水质遥感监测研究

发布时间：2020-03-18 17:15

【摘要】：湖泊和水库被称为全球环境变化的哨兵,在过去几十年,全球湖库环境在土地利用和气候变化的驱动下发生了快速变化。利用遥感技术监测全球范围湖库水质现状和长期变化趋势,对于科学认识湖库变化规律和对全球变化的响应具有重要科学意义。由于湖库水体组分和气溶胶都具有光学复杂性且随区域和季节变化大、水体破碎性分布,和陆地临近效应等问题,一直缺少广泛适用的湖库水质遥感监测模型和遥感产品,为大范围长时间湖库水质遥感监测带来了很大挑战。Forel-Ule Index(FUI)水色指数是传统水体光学性质监测数据之一,基于福莱尔比色表(Forel-Ule Scale)将自然水体颜色由深蓝到红棕色划分为21个颜色级别。FUI水色指数与水质参数变化密切相关,在区域和全球长时间尺度监测水质方面具有很强潜力和优势。本文将FUI水色指数作为大尺度湖库水质监测研究的切入点,分析FUI与湖库水体光学特性之间的联系,与大范围不同类型湖库水体水质参数之间的关系,挖掘FUI水色指数在大范围长时序湖库水体水质参数反演上的能力。本文以基于FUI水色指数的大范围长时序湖库水体水质参数反演为主题,开展了水体营养状态评价、透明度反演和固有光学量反演研究,主要研究内容包括以下5个方面:1)设计面向大型湖库水质监测的MODIS地表反射率产品预处理方案,面向大气校正、水体提取、光学浅水、冰雪覆盖以及云覆盖等关键问题提出处理方案,为进行大范围长时序水质遥感监测提供了基础。2)基于全球湖库水体光谱数据库,构建针对不同光谱分辨率遥感图像的FUI水色指数和色度角提取算法。3)在全球不同类型的湖库水体实测采样数据以及模拟数据分析基础上,构建了基于MODIS FUI水色指数和红波段辅助的全球湖库水体营养状态评估模型,首次完成了2012年全球大型湖库水体营养状态评价和制图,并进行了全球空间格局分析。4)基于中国26个不同类型湖库数据集,以及模拟数据集分析,构建了基于MODIS FUI水色指数和色度角的中国大型湖库水体透明度估算模型,在大范围湖库中透明度估算精度达69.0%。首次生产了2000-2014年全国湖库透明度长时间序列遥感产品,分析了长时间变化趋势和驱动因素。5)探索了FUI水色指数与水体固有光学量之间的联系,提出了利用FUI水色指数和水体透明度Z_(sd)两个历史水色参量反演水体吸收系数和后向散射系数的模型,为获得水体固有光学量提供了新的思路,也为获得卫星时代之前的水体固有光学量数据提供了有效途径。本文的研究结论主要有以下4个方面:1)FUI水色指数在不同传感器图像之间具有可比性,且对观测条件和气溶胶条件干扰具有抗扰动能力。2)FUI水色指数可以用于大范围长时序的湖库水体营养状态评价和透明度反演,反演模型适用性强;且FUI水色指数与水体固有光学量联系紧密。3)通过全球大型湖库水体营养状态空间分析得出:贫营养水体多集中在高山和高原地区,如亚洲青藏高原地区,南美洲Patagonia高原地区;富营养水体多集中在中国东部平原地区、非洲中部地区以及美国中南部地区。4)通过全国大型湖库水体透明度长时序分析得出:全国大型湖库透明度在空间分布上呈西高东低的格局,2000~2014年间全国湖泊总体透明度下降,其中下降最明显的是云贵高原湖区大型湖库透明度,这与近年来该地区湖泊富营养化趋势明显和气温升高有关;青藏高原湖区大型湖库水体透明度变化较剧烈,这初步估计与近些年来青藏高原气候变化气温升高有关。
【图文】：

示意图,水体,光学,组分

理为：水体中的各个重要光学组成成分影响着水体的光学性质，主要表现吸收和散射特性，进而通过水中和气水界面辐射传输过程影响水体离水辐反射率；通过卫星传感器接收水体离水辐射信号，针对一种或多种光学组剥离出反映水体光学组分含量的有用信息，利用生物-光学或者经验模型得水体中的一种或者多种重要组分含量 (陈军等, 2013)。其中，只与水体，不随入射光场变化的光学量称为水体固有光学量（Inherent Optical Prop），包括水体的吸收系数和散射系数等；随水体成分和入射光场几何结构律变化的光学量称为表观光学量（Apparent Optical Properties, AOP），包射率（Rrs）和下行辐照度漫衰减系数（Kd）等。水色遥感的首要目标是遥感数据获取水体的离水辐亮度或离水反射率，通过离水辐亮度或离水反水体的固有光学量和水体组分含量和浓度，最终目标是反映水质在空间和分布情况和变化，发现污染源和污染物迁移特征，完成对水质参数进行遥制图和预测的任务 (马荣华, 2009)。

水体,光学,组分含量,水绿

第 1 章引言的水体光学组分，除水分子本身外主要包括性有机物（又称为黄色物质，，CDOM，如图 1底反射也是离水辐射中的一个重要组成成分，反射影响离水辐射的水体被称为光学浅水，反作光学深水。总体上讲，通过遥感可监测的水绿素 a (Chl-a)浓度、水体透明度、浊度以及溶垂直衰减系数，以及一些综合污染指标如营菊和王学军, 2002)。除此之外，针对其他水质、溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、总谱特征中直接得到，一般是利用不同物质间的这些物质的含量 (张渊智, 2010)。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X524;X87

【参考文献】