内陆湖泊水体浮游植物粒径结构的遥感识别研究

Particle size structure of phytoplankton (PSS) affects the phytoplankton production rate, light absorption efficiency by phytoplankton cell in photosynthesis process, and the material exchange with surrounding environment, thus influences the evolution of the lake ecosystem. Therefore, PSS is a very important biogenic and ecological factor in the lake ecosystem. Traditionally, PSS is determined from ships. However, the traditional method cannot provide the widely geographic and temporal coverage information of PSS due to the duration and cost of the shipboard measurement. Recently, technology of remote sensing was used to identify PSS in ocean Case-I waters, which could provide the information of variability in PSS with higher temporal-spatial resolution. Based on indoor control experiments, radiative transfer numerical simulations, and the field in situ observations in Lake Taihu, the aims of this project are to: (1) develop the relationships between PSS and primary inherent optical properties' parameters, (2) develop a remote sensing model to identify PSS for inland waters using in situ hyperspectral data and GOCI image data, and (3) analysis the temporal-spatial pattern of phytoplankton PSS in Lake Taihu using GOCI image data and its driven factors.

浮游植物的粒径结构是湖泊生态系统中的一个非常重要的生物生态学因子，关系到浮游植物光吸收效率、生产代谢速率以及浮游植物与周围环境的物质交换等过程，进而影响着浮游植物群落结构演替和湖泊生态系统的演变。以往浮游植物的粒径结构都是基于船载单点取样，回实验室通过显微镜或者粒径仪进行测定，耗时耗力，时空尺度上也都是"离散"的。近年来，遥感技术被广泛应用于大洋等一类水体浮游植物粒径的估算，提供了更高时空分辨率的浮游植物粒径结构的时空分布格局。本项目以富营养化浅水湖泊太湖为研究对象，拟通过室内控制实验、野外地面卫星遥感同步实验和辐射传输数值模拟，建立浮游植物粒径结构与吸收、比吸收、后向散射以及比后向散射系数之间的关系模型；构建和验证基于实测高光谱数据和GOCI影像通道的浮游植物粒径结构遥感识别模型，并利用GOCI影像数据获得太湖浮游植物粒径结构时空分布格局，进一步分析其时空变化规律及影响因素。

光照强度和温度对铜绿微囊藻及斜生栅藻的生长趋势、吸收系数、比吸收系数都有着显著的影响。比吸收系数表现出随着光强的增大而增大的趋势，铜绿微囊藻比吸收系数比斜生栅藻大，可能是由于藻细胞粒径不同导致。Chla浓度与藻类特征波段440、675nm吸收系数存在着幂函数的关系，而线性关系能更好的说明藻细胞密度与吸收系数之间的关系。铜绿微囊藻受低温环境的抑制，而斜生栅藻在高温环境下的生长趋势受到抑制。两种藻的比吸收系数随着温度的增大而呈现降低的趋势。浮游植物粒径大小对比吸收系数有着显著的影响，随粒径增大，比吸收系数呈现下降的趋势。两种藻440、675nm处比吸收系数与Chla浓度却存在着显著的负相关关系，均随着Chla浓度的增加而呈现出幂函数递减。；开发了一种基于邻近植被暗目标的太湖MODIS数据大气校正方法，成功地提取水体遥感反射率；利用MODIS在645 nm处遥感反射率数据，建立并校验了基于MODIS数据的太湖总悬浮浓度遥感估算模型；提出了基于MODIS数据的水体蓝藻指数（645 nm和859 nm），并利用该指数构建了太湖水体叶绿素遥感反演模型；利用长时间序列MODIS遥感影像数据，基于前述遥感模型构建，遥感反演获得了太湖水体典型环境要素时空分布格局及长期动态变化规律：总悬浮物浓度和漫衰减系数呈现湖心区大于湾区、藻型区大于草型区、冬春季大于夏秋季的趋势；叶绿素浓度则湖心区显著低于梅梁湾、竺山湾；首次利用遥感技术给出太湖蓝藻暴发期间太湖藻毒素的时空分布，其趋势与叶绿素保持一致。总悬浮物、漫衰减系数时空分布格局主要受湖泊地形、河流输入、风速以及植被分布的影响，湖泊地形是先决条件，通过决定了风区长度和水动力扰动指数，进而影响总悬浮物、漫衰减系数的时空格局，而风浪和沉水植物分布叠加在湖泊地形上共同控制总悬浮物、漫衰减系数分布的时空变化；蓝藻生长与温度密切相关，而风速和气压控制着水华的形成，弱风、低压有利于水华形成。