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悬浮物(Suspended particular matter,SPM)包含了水体中的有机、无机颗粒,是公认的直接衡量水体水质好坏的指标。高悬浮物浓度会降低水体透明度,限制光在水体中的传输,限制水体浮游生物和沉水植被的生长,影响初级生产力,从而影响湖泊生态环境的变化。传统的人工巡测由于时空尺度差且耗费巨大,难以在悬浮物浓度时空监测上发挥有效作用,卫星遥感具有连续、大范围、周期性观测的特点,是目前湖泊悬浮物浓度监测的常用技术手段。不同湖泊的水质情况千差万别,悬浮颗粒粒径与分布不同,导致难以建立统一的悬浮物遥感估算模型;同时,受自然因素和人类活动的影响,内陆湖泊悬浮物浓度时空差异大且变动迅速,对遥感卫星监测提出挑战。目前,MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiomete)传感器的信号已经产生剧烈衰减,面临随时可能停止运行的情况,亟需寻找MODIS的替代卫星延续湖泊环境的观测。新一代水色卫星传感器VIIRS(Visible Infrared Imager Radiometer Suite)在海洋的环境观测上得到了广泛验证,具备与MODIS相当甚至更优的观测性能,但是VIIRS是否能够用于内陆浑浊湖泊,延续MODIS在内陆湖泊的观测仍需验证。 本研究,以中国内陆第四大湖泊——洪泽湖为例,主要包括三部分研究内容:(1)基于大量野外观测数据,分析了水质参数与固有光学特性之间的关系,揭示了悬浮物浓度遥感反射率(Rrs)的变化特征,分别构建了适用于MODIS Aqua和VIIRS NPP卫星影像的悬浮物浓度估算模型;(2)基于2012-2015年洪泽湖区域的MODIS Aqua和VIIRS NPP的同步无云数据,评价了VIIRS/NPP和MODIS/Aqua的反射率产品和悬浮物浓度产品的一致性;(3)利用MODIS和VIIRS数据,重建了洪泽湖悬浮物浓度产品2002-2016年长时间序列数据集,科学解释了洪泽湖悬浮物浓度变化背后的驱动力。 结果表明: (一)洪泽湖水体呈现高无机悬浮物浓度、低叶绿素a浓度的特征,表明洪泽湖是无机悬浮物主导的水体。实测遥感反射率和实测悬浮物浓度的建模分析表明红光、近红外波段的单波段模型是最适用于洪泽湖悬浮物浓度估算的模型(R2>0.75,RMSE<8.12mg/L)。利用卫星去除瑞利散射后的反射率Rrc建立了适用于MODIS Aqua和VIIRS NPP的洪泽湖悬浮物浓度卫星估算模型(MODIS:RMSE=7.86mg/L,UPD=14.46%;VIIRS:R2=0.73,RMSE=7.86mg/L,UPD=14.64%),该模型对于0-80mg/L悬浮物浓度范围有着最好的估算精度,适用于洪泽湖悬浮物浓度的估算。 (二)2012-2015年MODIS Aqua和VIIRS NPP一致性评价结果显示,MODIS和VIIRS的去除瑞利散射后的反射率数据(Rrc.Rayleigh-corrected reflectance)在红光(VIIRS:671nm、MODIS:645nm)和绿光波段(VIIRS:551nm、MODIS:555nm)具有很好的一致性,估算误差(UPD)在10%左右;利用红光波段建立的悬浮物浓度经验模型估算模型获取2012-2015年MODIS和VIIRS的悬浮物浓度产品,MODIS和VIIRS的悬浮物浓度产品的一致性对比结果显示二者具有很好的一致性(0-150mg/L SPM:R2=0.81,UPD<16%,0-80mg/L SPM:R2=0.85,UPD<12%),表明VIIRS能够延续MODIS在内陆水体悬浮物浓度的观测,未来可以提供更长时间序列的水体悬浮物卫星产品数据。 (三)利用两颗卫星联合构建2002-2016年间的洪泽湖悬浮物浓度数据集,揭示了洪泽湖悬浮物浓度的时空分布特征;同时,结合气象、水文和采砂船数据,分析了洪泽湖悬浮物浓度时空变化机制。结果表明:(a)洪泽湖悬浮物浓度呈现出明显的年际分布差异,2002-2011年全湖悬浮物浓度较低且变动较小,2012年之后湖体悬浮物浓度显著上升,但淮河入湖河口区域呈现下降趋势;(b)洪泽湖水体悬浮物浓度存在显著的年内季节差异,2002-2011年悬浮物浓度在夏季最高,春季最低;但2012-2016则展现出完全不同的季节变化,在秋、冬季高,春、夏季低。(c)洪泽湖悬浮物呈现4种典型空间分布模式:河清湖浊、河浊湖清、河湖皆浊、河湖皆清,这4种类型具有显著地季节分布特征,并且可以相互转换。在短时间尺度上降水和风决定了洪泽湖悬浮物的空间分布格局并促成了空间格局类型的转化;而在季节、年际尺度上,采砂活动造成了洪泽湖悬浮物浓度的时空变化,不仅对季节特征造成扰动,引起年际尺度上悬浮物浓度的升高,也引起了空间格局类型时间分布上的变化。