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基于科技部-欧空局“龙计划”三期项目(ID-10561)的需求,主要负责太湖水体表层有机碳含量的遥感估算算法构建工作。本文结合现场数据和遥感影像资料,构建太湖水体有机碳浓度的遥感算法,并结合MERIS影像展示太湖水体表层有机碳浓度的时空变化规律。 温室气体的大量排放导致全球变暖,海平面上升,物候特征发生变化。以气体形式的碳的大量排放是导致温室气体急剧增加的重要原因。湖泊水体与陆地生态系统的物质、能量、信息交换强烈,改变了其与大气之间的水、热交换,影响了区域气候和全球的碳循环过程,从而潜在的影响了全球气候变化。湖泊水体中的有机碳的动态变化过程,是水体碳循环的重要环节,因此,研究湖泊水体中的有机碳含量变化特征具有重要的生态意义。本文利用2011年5次太湖现场测量数据和室内分析数据,构建了太湖水体表层有机碳浓度的遥感算法,并将该算法应用于预处理后的遥感影像数据(MERIS影像),展示了太湖水体表层有机碳浓度的动态变化特征,为理解湖泊水体的碳循环过程提供方法基础和技术支持。 1.太湖水体颗粒有机碳(Particluate Organic Carbon,POC)浓度的变化范围较大,不同航次均值在1558-2581mg·m-3之间变化。分析太湖水体POC对水体固有光学特性的影响以确定POC遥感估算的物理基础。分别评价POC浓度与颗粒物吸收系数(ap(λ))、颗粒物后向散射系数(bbp(λ))之间的定量关系发现,POC含量与颗粒物吸收系数具有较好的相关关系,特别是在浮游植物色素强烈吸收的波段(600-700 nm),所有航次的相关系数均在0.5以上。但是,POC浓度与bbp(590)的相关性较差(R2=0.03,P≥0.05)。进一步分析POC对颗粒物的色素部分和非色素部分的影响,结果发现POC浓度与色素颗粒物吸收系数(aph(620))相关性很好,决定系数在0.8以上,而与非色素颗粒物吸收系数(ad(620))相关性较差,但无机颗粒物浓度与非色素颗粒物吸收系数、后向散射系数的相关性较好(R2>0.70)。综上,太湖水体的POC浓度影响了色素颗粒物的吸收特性,而无机的悬浮泥沙影响了颗粒物的后向散射特性。 2.构建了太湖水体POC浓度与色素颗粒物吸收系数(aph(620))的定量关系模型(POC=4521×aph(620)+1013,R2=0.88,RMSE=25.36%,n=137,P=0.00),利用Simis等(2005)遥感算法精确估算了aph(620)(R2=0.92,RMSE=33.14%,n=137,P<0.01),从而建立了太湖水体表层POC浓度的间接遥感算法(R2=0.88,RMSE=25.36%,n=137,P=0.00)。POC浓度的间接遥感模型经过样点验证和准同步遥感影像估算结果验证,应用于MERIS遥感影像,展示了太湖水体表层POC浓度的动态变化特征。太湖水体POC浓度时空变化显著,POC均值的最大值出现在1月和5月,并且在梅梁湾、竺山湾和贡山湾水域POC浓度较高,与叶绿素a浓度的空间分布基本保持一致。 3.有色溶解有机物(Colored Dissolved Organic Matter, CDOM)主要表现为吸收特性,从紫外到可见光波段随波长增加吸收系数逐渐减小,在700 nm处接近于0。CDOM的光谱斜率S以及光谱斜率比值SR反映了其物质组成、来源的不同。利用不同波段拟合得到的S值发现,较短波段拟合的S值大于较长波段的拟合值,并且CDOM吸收系数(ag(412))与S和SR值关系不稳定。对比CDOM、色素颗粒物和非色素颗粒物的吸收对水体总吸收的贡献发现,悬浮泥沙为主的非色素吸收占主导地位。 4.CDOM对太湖水体的光学特性影响较弱,在利用遥感技术估算其含量方面存在一定的困难。利用现场测量的光谱数据,根据常用遥感传感器波段设置进行重采样得到模拟的遥感数据,评估了7种经验算法和2种半分析算法,发现半分析算法和波段比值算法不能满足太湖水体CDOM定量遥感反演的需求,而构建的多元线性方法应用于模拟的MERIS遥感数据大大提高了CDOM吸收系数的估算精度(R2=0.74,RMSE=28.75%)。结合CDOM吸收系数比值和比吸收系数,构建了CDOM吸收系数与DOC浓度的稳定定量关系(cDOC=0.95+0.27×ag(250)-0.73×ag(365),R2=0.67,RMSE=10.58%),经模型验证,该模型适合太湖水体。结合CDOM吸收系数的遥感估算模型、CDOM吸收系数与DOC浓度的定量关系,构建了太湖水体表层DOC浓度的间接遥感估算模型。模型经过验证,发现该模型适合太湖水体,具有较高的估算精度(R2=0.52,RMSE=21.34%)。