基于遥感反演与梯度分割的珠江口最大浑浊带时空演变规律研究

Monitoring the spatial and temporal variation of estuarine turbidity maximum is crucial for the studies of ecological health, resource evaluation, material cycling and environmental change in estuaries and coasts. Previous studies have paid attention to the formation, sediment discharge and the transfer and transport of material elements of estuarine turbidity maximum. However, the methods for extracting the turbidity maximum zone of these studies have low accuracy and limited applicability. Moreover, study devoted to the spatiotemporal variations of estuarine turbidity maximum is scarce. This study focuses on establishing algorithms to precisely extract the turbidity maximum zone of Pearl River Estuary by the mapping of Landsat imageries and gradient feature segmentation. The method acquired is used to explore the spatial and temporal variation of the turbidity maximum zone of Pearl River estuary during the past 40 years and evaluate the effect of hydrometeorological factors and human activities on the spatiotemporal variation based on about 180 scenes of Landsat remote sensing imageries during 1982-2020. This study aims to promote further the applications of remote sensing in the spatial and temporal variations of the geographic elements in estuaries and coasts and to enhance understanding of relevant contribution from environmental change and human activities.

监测河口最大浑浊带的时空变化规律对河口近岸生态健康、资源评估、物质循环、环境变化等多方面研究都具有重要的意义。既有研究以分析河口最大浑浊带的成因、水沙特性及最大浑浊带内物质元素迁移特点为主，其最大浑浊带的识别方法精确度较低、普适性不足，并且对最大浑浊带长期时空演变规律的研究和认识不足。本研究基于覆盖珠江口的长时间序列、高密度、高质量Landsat卫星遥感影像（1982-2020年，约180景），探索一种基于遥感反演结合梯度分割的河口最大浑浊带精确识别方法，分析近40年以来珠江口最大浑浊带的长期时空演变规律，并利用相关资料和统计数据研究水文、气象等相关因素及人类活动对珠江口最大浑浊带时空变化特征的影响。项目旨在进一步推动遥感技术在河口近岸地理要素时空动态变化研究中的应用，增加对河口近岸环境变化及人类活动影响的理解。

最大浑浊带是河口近岸泥沙含量显著高于上下游并且有规律迁移的浑浊水体，是河流入海泥沙输移过程中的特有现象。研究河口最大浑浊带的时空变化特征对河口形态地貌的发育演化、区域生物地球化学过程以及沿岸生产建设活动等具有重要的价值和意义。本项目的主要研究内容和结果包括4个部分。（1）河口最大浑浊带的形成发育机制与研究进展：研究全面系统论述了自河口浑浊带现象发现至今80多年间国内外的研究现状和发展历程，深刻阐释了河口最大浑浊带的形成发育机制和相关因素。（2）水色要素定量遥感理论和方法：研究分析了不同对象（河流、湖泊、水库、大洋、河口近岸）的水环境特点、光谱反射特征和不同水质水色要素定量遥感模型方法的形式特点，发展了河口悬浮泥沙、叶绿素定量遥感反演理论和模型方法。（3）河口最大浑浊带指数模型：基于研究区域悬浮泥沙和叶绿素的关联关系，提出并构建了一种新型的遥感指数（最大浑浊带指数，TMZI），与传统单一要素阈值指标方法相比，最大浑浊带指数在识别和提取不同季节不同河口区域最大浑浊带空间分布时，具有良好的适用性和更高的精确度（Q: 0.1046–0.4770 vs. 0.8171–0.8429）。（4）珠江口悬浮泥沙及最大浑浊带时空演化特征：基于长时间序列Landsat遥感影像，研究反演并分析了珠江口悬浮泥沙含量及最大浑浊带的时空特征；结果表明，珠江口洪季悬浮泥沙存在5-8年的周期变化特征，同时呈现出显著的降低趋势，平均每年降低5.7-10.1 mg/L，但枯季无显著变化特征。由于较为强烈的泥沙再悬浮作用，珠江口最大浑浊带时空特征并未表现出与悬浮泥沙含量相似的周期变化规律和降低趋势。项目研究发展了地理要素对象遥感反演与识别提取方法，推进了水质水色要素时空演变特征规律多源遥感应用，可为区域生产生活、环境变化与人类活动影响效应等多方面分析评估提供基础地理信息知识、科技支撑和决策依据。