基于水体光学特性的沉积物再悬浮遥感监测方法研究-以太湖为例

Resuspension and transportation of sedimentary particulates not only is the material base of the spatial and temporal variation of bio-optical properties, but also is the very important influencing factor to the aquatic ecological environment. Combining the remote sensing and hydrodynamic model to study the characteristics of sediment resuspension, on the one hand, can expand the application of remote sensing to monitor the sediment resuspension and provide a new method and technology to evaluate the ecological and environmental effect of sediment resuspension. On the other hand, this study can reveal the internal dynamical mechanism of spatial and temporal variation of bio-optical properties and provide basis to improve the water color remote sensing retrieval algorithm and further apply remote sensing to monitor the aquatic ecological environment. The spatial and temporal variation of water constitutes’ concentration and their compositions were researched by the in situ observation data and ECOMSED hydrodynamic model in the study area, Taihu Lake. The internal dynamical mechanism of spatial and temporal variation of bio-optical properties was revealed combined by Mie scattering theory, radiation transfer model, the water constitutes’ concentration and compositions during the period of sediment resuspension. The spectral response regularity of water constitutes’ concentration and compositions’ changes, induced by sediment resuspension, was determined as well. Based on the above studies, the retrieval model of organic and inorganic particle matters’ concentration, particle size, inherent optical properties were established. Meanwhile, the remote sensing retrieval results of GOCI image, which with high temporal resolution, was used to estimate the gross of sediment resuspension and surface currents.

沉积物再悬浮及其迁移既是水体光学特性时空差异的物质基础，也是影响水生态环境的重要影响因素。结合遥感技术和水动力模型对沉积物再悬浮特征进行研究，一方面拓展了遥感技术在沉积物再悬浮监测方面的应用，为沉积物再悬浮的生态环境效应的监测和评估提供新方法和新技术；另一方面揭示水体光学特性时空差异内在动力机制，为水色遥感反演算法的进一步改进、及其在水生态环境监测方面的深入应用提供理论基础。本项目以太湖为研究区，通过野外实时观测数据和水动力模型研究沉积物再悬浮过程中水体组分浓度及其构成时空差异，结合Mie散射理论和辐射传输模型揭示水体生物光学特性时空差异的内在动力机制，并确定沉积物再悬浮引起的水体组分及其结构变化的光谱响应规律，建立沉积物再悬浮过程中有机颗粒物、无机颗粒物浓度和悬浮颗粒物粒径等水体组分和光学特性的反演模型；同时探索利用高时间分辨率卫星（GOCI）数据估算太湖表层流场和沉积物再悬浮量。

沉积物再悬浮显著改变了水体组分、生源要素、光学特性、温度等湖泊理化性质的时空动态分布，进而驱动了湖泊生态环境的演变。通过2016年-2019年野外5次采样，并结合前期积累数据和太湖野外浮标站点实测在线数据，充分研究水体组分及其光学特性动态分布对水体组分和光学特性反演算法的影响机制，建立水体漫衰减系数、浮游植物有机碳等遥感反演算法，并将反演算法应用于GOCI和MODIS数据，分别获取长时间和短时间尺度漫衰减系数、溶解有机碳和浮游植物有机碳的时空变化特征和影响因素。.MODIS和GOCI漫衰减系数反演模型误差分别为19.29±14.34%和22.60±15.57%。通过准同步MODIS和GOCI卫星数据反演结果的对比，MODIS卫星反演结果与GOCI具有高度的一致性。风速引起的沉积物再悬浮是漫衰减系数时空变化的主导因素，由降雨引起的径流输入是调节漫衰减系数另一重要因子。.通过GOCI卫星溶解有机碳反演模型误差为17.29%，均方根误差为0.69mg/L。溶解有机碳具有较大的时空变异性，河流输入是影响湖泊有机碳重要的影响因素，沉积物再悬浮的内源释放也是有机碳不可忽视的来源。.2002年到2016年太湖水体浮游植物有机碳和吸收系数时空分布特征表明，浮游植物有机碳与浮游植物生物量冬季较低，夏季较高。营养盐和温度对浮游植物生理特征具有一定的调节作用，但是这种调节作用具有一定的时空差异。在太湖整个区域，总磷对浮游植物有机碳的调节作用要弱于对色素的调节作用；但是在营养盐丰富区域（如梅梁湾和竺山湾），温度的调节作用较为显著。.将遥感GOCI、高时间分辨率反演结果与水动力模型进行耦合，进一步细化水体沉积物再悬浮剪切力的时空分布计算，改进了传统忽视剪切力时空差异的缺陷，引入具有时空差异的剪切力计算沉积物再悬浮要优于利用统一的剪切力计算的结果，其模拟在揭示浮游植物和悬浮颗粒时空动态变化内在动力机理的基础之上，显著提高了通过水动力模型模拟浮游植物和悬浮颗粒物时空动态分布的精度。