鄱阳湖浑浊水体溶解性有机碳遥感探测机理与反演方法研究

Dissolved organic carbon (DOC) is the largest organic carbon component in inland water system and plays an important role in carbon cycle process. This study will focus on the complexity of dynamic fluctuation and turbid water environment of the Poyang Lake to study the mechanism and inversion modeling of DOC from remote sensing. It will select different turbid water conditions as the testing sites, by controlled time and location sampling and measurements, to obtain the data for spectral reflectance, absorption of CDOM, density of DOC and density of suspended sediment, chlorophyll content, in order to study the mechanism of information for DOC and the factors affecting the spectrum of large inland lake of turbid water; to reveal the best spectrum in inversion modeling; and to establish QAA-CDOM algorithm and FLM model that will be appropriate to the turbid water of the Poyang Lake, and by verification of the inversion algorithm to improve accuracy of remote sensing of DOC. This study will improve our understanding of DOC in inland large turbid water lake, pave the foundation for understanding the spatial and temporal distribution and quantitative analysis of DOC, to improve the accuracy of estimating the amount of DOC transported from rivers to large lakes, and enhance studies of carbon cycle in the inland water system.

溶解性有机碳（DOC）是水体中最大的有机碳储库，在碳循环中起到重要作用。本研究围绕鄱阳湖动态变化和浑浊水体的复杂水环境特点，开展DOC的遥感探测机理和反演模型研究。内容包括选取不同浑浊条件下的试验区，通过定位定时观测和水样采集检测，获取水体遥感反射率、CDOM吸收系数、DOC浓度、悬浮泥沙浓度、叶绿素浓度等数据；从而研究内陆大型湖泊浑浊水体中干扰因素与DOC之间的波谱信息机理；开展最佳CDOM-DOC反演波段分析，通过可区分CDOM和非生物悬浮颗粒的波谱反射率的分析，建立适合于鄱阳湖浑浊水体的DOC遥感反演的QAA-CDOM算法和带功能性协变量FLM模型；并通过验证反演算法、改进遥感反演的精度和DOC的遥感探测。本研究将提升对内陆湖泊浑浊水体DOC的认识，为探讨典型大湖水体DOC的时空分布规律和量化，提高监测DOC从河流输运到大湖水体的准确度，推动内陆水系统碳循环的研究奠定基础。

溶解性有机碳（DOC）是水体中最大的有机碳储库，在碳循环中起到重要作用。内陆河湖水体中DOC和具有光衰减作用的有色可溶性有机物（CDOM）具有紧密的联系。DOC和CDOM都是地表水体生物地球化学过程中的活跃因子。本研究围绕鄱阳湖动态变化和浑浊水体的复杂水环境特点，开展了鄱阳湖DOC和CDOM特性、遥感探测机理、反演模型和时空分布等方面的研究工作。具体研究内容包括选取不同样区，通过定位定时采样检测和数据分析，研究CDOM光学特性及其与DOC的相关关系；通过水面光谱分析研究浑浊水体中遥感提取CDOM的敏感波段或波段组合；结合卫星遥感，建立遥感反演模型，为实现鄱阳湖DOC的动态监测提供基础。结果表明：（1）鄱阳湖DOC与CDOM吸收系数存在显著的线性相关关系，而且发现CDOM吸收系数在短波波段与DOC的相关关系尤为突出，并且随着波长的减小相关关系越强。（2）利用水面现场实测反射光谱，通过悬浮泥沙（TSM）浓度区分清水和浑水，分别建立反演模型，能够提高CDOM遥感反演精度；689nm与497nm和767nm与826nm的遥感反射率比值分别对清澈水体（TSM < 10mg/L）和浑浊水体（TSM ≥ 10mg/L）的ag(355)遥感信息提取最敏感并被分别用于建模，清水和浑水模型的决定系数（r2）分别为0.70和0.73，验证的均方根百分比误差分别为13.2%和11.6%。（3）对比卫星传感器Landsat-8影像，论证出Sentinel-2影像在应用于鄱阳湖CDOM监测中更具潜力和优势；基于Sentinel-2的B4/B2和B7/B8波段比值建模能分别有效地提取鄱阳湖清水和浑水中的CDOM。（4）鄱阳湖DOC和CDOM呈现出空间差异和季节差异：空间分布上总体呈现出鄱阳湖周边湿地水域高于湖区开阔水域，南部湖区高于北部湖区，不同河流如修水和赣江的输入有明显差异；季节变化方面呈现出春夏季节高于秋冬季节。本研究对于揭示DOC和CDOM在内陆河流湖泊生态系统，尤其是在高动态水位变化的鄱阳湖典型湖泊湿地生态系统中的时空分布特征、迁移循环机理及其生物地球化学行为提供科学依据和技术方法。