內(nèi)陸富營養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻豐度遙感估算方法研究——以太湖為例.pdf

1、藍(lán)藻是內(nèi)陸富營養(yǎng)化水體水華發(fā)生時(shí)的主要優(yōu)勢藻種，藍(lán)藻豐度（藍(lán)藻藻密度占總藻密度的比例）對(duì)于藍(lán)藻水華的預(yù)警和監(jiān)測具有重要意義。利用遙感技術(shù)可以宏觀、快速和實(shí)時(shí)地監(jiān)測藍(lán)藻豐度，能反映藍(lán)藻是否為優(yōu)勢藻種以及藍(lán)藻豐度分布的時(shí)空差異性和變化規(guī)律，因此發(fā)展藍(lán)藻豐度的遙感監(jiān)測模型具有重要的意義。本文以典型的內(nèi)陸富營養(yǎng)化湖泊太湖為研究區(qū)，通過探討藍(lán)藻豐度與不同生物光學(xué)特性關(guān)系，包括表觀光學(xué)特性（遙感反射率）、固有光學(xué)特性（浮游藻類吸收系數(shù)）和色素濃度(

2、PC:Chla)，分析不同藍(lán)藻豐度光學(xué)特征的差異，研究藍(lán)藻豐度的遙感估算方法。在此基礎(chǔ)上分別構(gòu)建了基于MERIS數(shù)據(jù)的藍(lán)藻豐度遙感估算的偏最小二乘模型和藍(lán)藻豐度遙感估算的半分析模型。主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括以下4個(gè)方面:
　　(1)藍(lán)藻豐度與生物光學(xué)特性的響應(yīng)關(guān)系
　　在分析藍(lán)藻豐度和遙感反射率(Rrs)、浮游藻類吸收系數(shù)（aph）以及色素濃度(PC:Chla)的關(guān)系的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻豐度的差異能夠在遙感反射率及浮游藻類吸收系

3、數(shù)上很好的指示出來，不同藍(lán)藻豐度的遙感反射率差異主要表現(xiàn)在560nm～700nm波段范圍內(nèi)，且隨著藍(lán)藻豐度的升高，624nm處的反射谷的深度也在增加。浮游藻類吸收系數(shù)對(duì)藍(lán)藻豐度有著更明顯的指示作用。隨著藍(lán)藻豐度的增加，624nm處的吸收峰更為明顯，而且浮游藻類吸收系數(shù)的波段比值[aph(624)-aph(550)]/[aph(624)+aph(550)]和[aph(665)-aph(624)]/[aph(665)+aph(624)]以及

4、單位吸收系數(shù)波段比值[a*ph(624)-a*ph(550)]/[[a*ph(624)+a*ph(550)]和[a*ph(665)-a*ph(624)]/[[a*ph(665)+a*ph(624)]與藍(lán)藻豐度都具有較好的相關(guān)性，均能夠較好地指示藍(lán)藻豐度，波段比值[aph(624)-aph(550)]/[aph(624)+aph(550)]和[a*ph(624)-a*ph(550)]/[[a*ph(624)+a*ph(550)]與藍(lán)藻豐度

5、的相關(guān)性更為緊密。但研究發(fā)現(xiàn)，色素濃度PC:Chla與藍(lán)藻豐度的相關(guān)性很差，PC:Chla不能夠用來指示藍(lán)藻豐度。
　　(2)藍(lán)藻豐度經(jīng)驗(yàn)估算模型的構(gòu)建
　　將野外實(shí)測的高光譜遙感反射率數(shù)據(jù)模擬到MERIS的15個(gè)波段上，基于藍(lán)藻豐度和遙感反射率的關(guān)系，選用模擬的MERIS波段中的第五波段(中心波長560nm)、第六波段(中心波長620nm)、第七波段(中心波長665nm)、第八波段(中心波長681nm)和第九波段(中心波長

6、709nm)構(gòu)建了藍(lán)藻豐度估算的偏最小二乘模型，其均方根誤差為8.58，平均相對(duì)誤差為14.09％，所構(gòu)建的模型能夠較好地估算水樣的藍(lán)藻豐度。
　　(3)藍(lán)藻豐度半分析估算算法的構(gòu)建
　　在分析不同藍(lán)藻豐度樣點(diǎn)光學(xué)特征的基礎(chǔ)上，提出了一種藍(lán)藻豐度遙感估算的半分析模型，通過浮游藻類的吸收系數(shù)（aph）分離得到藻藍(lán)蛋白在620nm處的吸收apc(620)和葉綠素a在665nm處的吸收ach1(665)，基于藍(lán)藻豐度和apc(62

7、0)/ach1(665)的關(guān)系，構(gòu)建了基于Rrs(620)、Rrs(665)、Rrs(709)和Rrs(778)的藍(lán)藻豐度估算的半分析模型。模型的均方根誤差為19.57，平均相對(duì)誤差為41.37％。雖然半分析模型的精度比偏最小二乘模型的精度稍差，但該算法具更具有物理基礎(chǔ)和意義，其在內(nèi)陸湖泊的通用性方面具有更好的潛力。
　　(4)太湖區(qū)域藍(lán)藻豐度分布及其季節(jié)性變化
　　通過兩步法實(shí)現(xiàn)太湖區(qū)域藍(lán)藻豐度的遙感估算，首先根據(jù)光譜形狀

8、SS(665)，判斷藍(lán)藻是否存在，然后基于MERIS數(shù)據(jù)和偏最小二乘模型實(shí)現(xiàn)了太湖區(qū)域藍(lán)藻豐度的反演。結(jié)果表明，不同季節(jié)藍(lán)藻豐度分布不同，整體上夏季和秋季藍(lán)藻豐度處于較高水平，春季和冬季藍(lán)藻豐度處于較低水平。在空間上，不同湖區(qū)藍(lán)藻豐度變化趨勢不同，胥口灣和東太湖藍(lán)藻豐度比較穩(wěn)定，四季都處于較低水平;竺山灣、梅梁灣和西北湖區(qū)藍(lán)藻豐度從春秋到冬季呈現(xiàn)增多-減少-減少的趨勢;貢湖灣、中心湖區(qū)和西南湖區(qū)藍(lán)藻豐度從春季到冬季呈現(xiàn)持平-增多-減少的