重大突破

基于Landsat系列衛星的我國湖泊透明度遙感估算模型研究

  在國家自然科學基金項目資助下,中國科學院南京地理與湖泊研究所張運林研究組近日在Water Research上發表了題為“Remote sensing estimation of water clarity for various lakes in China”的研究論文。  

  水體透明度表征水體清澈程度和透光能力,是描述水質好壞最直觀的參數及水體富營養化評價的主要指標。水體透明度的大小直接決定著水體真光層深度和水下光場的分布,進而影響浮游植物初級生產力和水生植被最大分布深度。此外,透明度決定光的吸收利用,影響熱量收支、水溫垂直分布和熱力分層,對生物的新陳代謝和物質分解具有重要的作用。另外,透明度影響游客對水體景觀的審美,改變其旅游興趣和價值。研究表明,水體透明度每上升1 m,游客愿意多停留56分鐘,等同于多消費22美元。因此,無論從生態環境還是經濟價值來看,開展水體透明度研究均具有十分重要的意義。  

  目前研究已成功構建了眾多基于經驗和半分析方法的透明度遙感模型,但模型形式和參數千差萬別,反映出湖泊水體透明度遙感反演具有一定的復雜性。有限的建模樣本很難保證目前已有透明度模型在研究區以外水體的適用性;加之湖泊水體光學特征的復雜性,構建適用于內陸水體差異化的透明度遙感估算模型仍是目前研究的挑戰。  

  因此,我們基于全國225個湖泊的現場透明度觀測數據(圖1)和Landsat衛星遙感反射率,分析了透明度的敏感波段以及模型相關系數隨間隔時間變化情況(圖2),構建大陸尺度(105106 km2)的透明度遙感估算模型(圖3),分析了該模型在不同湖區以及全國湖泊的適用性(圖4),并簡單探索了中國湖泊透明度的1986-2018年空間變化(圖5)。  

  結果表明,由紅光波段構建的冪函數模型具有較好的估算效果,模型的平均相對誤差和歸一化均方根誤差分別為34.2%55.4%。將該模型應用于2016年至2018年間全國湖泊面積≥10 km2湖泊(共641個湖泊)結果表明,東部平原湖區和東北平原湖區的透明度相對較低,多年平均透明度分別為0.56±0.17m0.47±0.29m。云貴高原湖區和青藏高原湖區透明度較高,多年平均透明度分別為1.48±0.86m1.30±0.83m。最后,我們對青藏高原地區Landsat系列數據透明度估算值在影像重疊區一致性進行了評估(圖6),結果表明Landsat系列衛星(Landsat 5 TMLandsat 7 ETM+Landsat 8 OLI)透明度估算結果具有高度一致性。因此,結合Landsat系列衛星與所構建的估算模型可以用于我國湖泊透明度長期變化監測及驅動機制研究。  

  論文全文鏈接:https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0043135421000427 

 

1 采樣點分布圖 

 

2 敏感波段分析(時間間隔≤1)(a),模型相關系數隨間隔時間的變化 b 

 

3 模型構建與驗證 

 

4 冪函數模型在不同湖區以及全國的表現a:東部湖區;b:東北湖區;c:云貴高原湖區;d:蒙新高原湖區;e:青藏高原湖區;f:全國湖泊) 

 

5 2016-2018年透明度空間分布, 灰色柱狀圖表示每個湖區以及全國10 km2以上湖泊透明度均值. 彩色柱狀圖表示10 km2以上湖泊在不同湖區以及不同透明度級別種分布情況。 

 

6 Landsat 578透明度反演值一致性分析 

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