面向富营养化湖泊水体藻总量遥感估算的藻类垂向结构参数查找表的构建

The vertical non-uniform distribution of algae in eutrophic waters has partially changed the assumption that optically active constituents were uniformly distributed in the vertical direction in traditional water color remote sensing. Therefore, the more accurate eutrophication parameters to assess eutrophication for inland lake should be algal biomass. Accurately retrieving the vertical parameters of biomass is vital to estimate algal biomass. Therefore, this study selects the typical eutrophic lake in China, Taihu Lake as the study area, and combines the vertical experiment and the HydroLight numerical simulation to build a look-up table for estimating the vertical parameters of chlorophyll and further applied to algae biomass estimation. Specifically, the study includes: quantifying the function expression of different vertical distribution, simulating the remote sensing reflectance under varied vertical distribution of chlorophyll and building a look-up for vertical parameters of chlorophyll suit for multiple remote sensing data sources, and further applied to biomass estimation. This study can effectively improve the inversion accuracy of algal biomass, and provide scientific support for water environment management of eutrophic inland lakes.

富营养化水体中藻类的垂向非均匀分布，部分改变了传统湖泊水色遥感中水体光学物质垂向均一分布的假设，因而更为精确的表征蓝藻水华与水体富营养化的参数应是，覆盖了藻类生长所需要空间的藻总量。精确反演藻类的垂向结构参数，是准确获取水体藻总量的关键与必要前提。据此，本研究选取我国典型富营养化湖泊——太湖为试验区，结合野外垂向试验与HydroLight数值模拟，分析藻类不同垂向分布类型，明确各类型对应垂向结构参数，构建面向多源遥感数据的藻类垂向结构参数查找表并开展精度评价。具体包括：完成藻类不同垂向分布类型的概化并实现其定量化表达；模拟藻类不同垂向分布下对应的遥感反射比，构建面向多源遥感数据的藻类垂向结构参数查找表，并结合多源遥感数据开展精度评价。本研究可以有效提高富营养化湖泊藻总量的反演精度，为水环境管理和决策提供理论依据及技术支撑。

随着我国社会经济的快速发展，湖泊水环境和水生态问题凸显，尤以湖泊富营养化问题严重。基于卫星反演所获取的水华覆盖度及表层水质参数（叶绿素a、藻蓝素）浓度，业已成为实施蓝藻水华预测预警的重要指标，但该结果会在短时间内出现剧烈变化，其主要原因是藻颗粒的垂向非均匀分布。因此，最能表征藻类水体特征和代表水华蓝藻强度的特征因子是藻总量。研究选取典型富营养化湖泊，以野外试验结果为基础，基于藻颗粒垂向异质性分布，利用辐射传输模型，构建适用于实测高光谱数据的藻类垂向结构参数查找表，用于反演单元水柱内藻总量。此外，针对于卫星多光谱数据完成基于重要环境因子和遥感反射比完成不同垂向类型的划分，构建了适用于不同藻华条件下的藻总量遥感反演算法。在此基础上，利用MODIS卫星影像数据反演得到了典型湖区长时间序列藻总量数据，获取其时空变化规律并开展成因分析。本研究尝试从基础理论角度解决富营养化湖泊水色遥感研究中面临的问题，既丰富了湖泊水色遥感的研究内涵，扩展了湖泊水色遥感的应用深度和广度，又可为水环境管理部门准确把握水华蓝藻情势、正确决策提供重要的科技支撑。