近海水体浮游植物种群结构的光学遥感机制及卫星探测研究

Phytoplankton community structure in nearshore water bodies shows very complex variations. How to accurately detect its characteristics and distribution rule has become an important scientific problem. The current study takes typical coastal waters as experimental areas, collecting in situ observation datasets. Phytoplankton species will be first determined that can characterize the properties of phytoplankton community structure. On basis of making clear the effect of HPLC diagnostic pigments on denoting phytoplankton species, an effective method will be developed to accurately quantify the phytoplankton community structure. The influence of phytoplankton community structure on absorption and scattering properties of water bodies will be then investigated, and contributions and heterogeneity of each phytoplankton species on spectral reflectance of all phytoplankton biomass will be also analyzed in order to extract effective signals of each species. By means of the proposed effective spectral reflectance signals, different remote sensing algorithms will be established based on different mathematical methods. These algorithms will be assessed and compared with each other by using independent validation samples. Meanwhile, the input to these algorithms will be efficiently changed from in situ observed reflectance to satellite data. An optimal algorithm will be finally determined with excellent performances. The findings in this study will provide the theoretical basis and technique methods for revealing the distribution characteristics of phytoplankton community structure, and further expand the application of water color remote sensing, and promote the development of refined monitoring water condition of nearshore water bodies.

近海水体中浮游植物种群结构呈现出复杂的无序性，如何准确有效的获取其分布特征及变化规律并实现常规性的时空探测，成为当前亟待解决的重要科学问题。本研究拟以近海水体作为试验区，研究提出可刻画种群结构特征的代表性浮游植物种群类别，并在研判诊断色素的藻类指示剂作用的基础上，探索可用于精确量化表达浮游植物种群结构的有效途径；基于种群结构变化对水体吸收散射特性的响应分析，研究各种群对总浮游植物光谱反射的贡献及异质性，探索提取各浮游植物种群的有效水体反射光谱信号；结合所提出的有效水体反射光谱信号，研究建立基于多种建模方法的面向各浮游植物种群信息的探测模型；通过卫星遥感数据与有效水体反射光谱信号之间的关联匹配，实现探测模型从实测光谱信号到卫星遥感数据上的高效转换，并遴选出最优探测模型。本研究将为遥感探测浮游植物种群结构提供理论依据和方法支撑，对海洋环境精细化监测及海洋水色遥感的发展均具有积极重要的意义。

针对“如何准确有效的获取近海水体浮游植物种群结构的分布特征，以及实现其常规性的时空变化监测”这一十分关键而又尚未得到合理解决的科学问题，本研究以典型海域（黄渤海）水体为试验区，结合原位观测资料，开展浮游植物种群结构的精确量化表达研究，探索揭示各浮游植物种群对水体反射光谱信号的响应及特征分离机制，研发提出适于近海水体的浮游植物种群结构的遥感探测模型，为认识浮游植物种群结构的分布特征及时空演化规律提供理论依据和方法支撑，对近海水体环境变化的精细化探测及海洋水色遥感的发展均具有积极的推进作用。针对渤黄东海及西北太平洋水体，本项目共计开展了7个航次的综合野外遥感调查实验，获取了水体各诊断色素浓度、水体固有光学量、水体表观光学量、水体各组分浓度等数据，完成数据处理。分析了各参数的变化分布，重点概括了基于原位观测资料的浮游植物种群结构的精确量化表达研究，并分析了浮游植物种群对水体反射光谱信号的响应及特征分离机制。结合有效水体反射光谱信号，开发了适于近海海域水体的浮游植物种群的探测模型。制作了浮游植物不同类群结构的时空分布专题示范产品。基于卫星遥感分布，分析了东中国海浮游植物类群结构的时空分布特征。本项目通过室内分析实验、野外原位观测、卫星遥感建模等方法，开展了针对近海及海岸带水体浮游植物粒径等级的遥感探测模型研究，这为认识海洋水体浮游植物类群结构的分布特征和揭示其时空演化规律提供了技术方法支撑，为拓展水色遥感的应用方向和促进近海水体环境的精细化监测做出了积极的贡献。受本该基金项目资助，课题组共发表32篇研究论文（包括SCI论文19篇，EI论文8篇），其中第一标注SCI论文8篇（JCR一区TOP期刊4篇，JCR二区TOP期刊4篇），第二标注SCI论文6篇；已授权发明专利1项，申请并已受理发明专利2项，已超额完成项目计划要求。