富营养化湖泊水体藻颗粒对遥感反射比的影响机理研究

Lake water eutrophication is becoming a serious issue in China. It leads to frequent occurrence of algal blooming and high content of algal particles. Algal particle can adjust the position itself in the water and changes the substance composition of water surface and the vertical stratification of water body. This former change causes the variation of air-water interface properties, thus affects the angle and intensity of light when entering into the water surface; the latter changes the routes and directions of optical radiation transfer in waters, which has brought a big challenge to the tradition theory and methods based on homogeneous water body of water color remote sensing. In this project, we take Lake Taihu as the study area and propose the concept of "unit water column". It depends on researches on the IOPs of algal particles and congeries, analyses the influence of algal particles that floating on the water on the light field under water surface and couples the vertical distribution functions of algal particles with the main methods of experiment observation indoor/outdoor and radiation transfer simulation, aims at establishing distribution model of underwater light field more accurately. We explore the response relationship between remote sensing.reflectance at pixel scale and the density of algal particles in different units of water column and study the influence mechanism that algae particles on remote sensing reflectance. This project may provide scientific evidence for remote sensing estimation on algal biomass in eutrophication lakes and enriches the remote sensing theory and method of case II waters..

我国湖泊富营养化问题严重，藻华暴发频繁，藻颗粒含量丰富。基于自身光合作用的需要和外界环境条件的影响，这些藻颗粒或富集于水面或堙没于水体，引起水面介质改变和水体垂向分层。水面介质的改变，引起水－气界面特性发生变化，进而改变了进入水体的光场结构；藻颗粒垂向分层，改变了水体光学辐射传输的方向和路径，基于均质水体假设的传统水色遥感理论受到挑战。本课题以太湖为研究试验区，引入“单元水柱”的概念，以室内外试验观测和辐射传输数值模拟为主要手段，以蓝藻颗粒及其聚集体的固有光学特性研究为出发点，分析水面藻颗粒密度对恰在水面以下光场的影响，耦合藻颗粒垂向分布函数，构建水下光场精确分布模型，探索像元尺度的遥感反射比对单元水柱水面藻颗粒密度的响应关系，研究水体藻颗粒空间分布不均匀对遥感反射比的影响机理。该研究可为富营养化湖泊藻类生物总量的遥感估算提供基础和依据，并可丰富和发展湖泊等II类水体水色遥感的理论与方法。

共有14人投入项目研究；项目执行期间共参加国内会议64人次、国际会议14人次。.共发表论文68篇（包括SCI论文55篇、中文期刊13篇）；其中，在遥感类最高影响因子期刊Remote Sensing of Environment（IF2018=8.218）发表论文4篇、在遥感类次高影响因子期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing（IF2018=6.942）发表论文1篇、在遥感领域较高影响因子期刊IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing（IF2018=3.392）发表论文3篇。培养博士和硕士各4名，其中1人获得江苏省优秀博士学位论文；另外，获得发明专利10件，软件著作权3件。.创造性地设计并建设了室内藻类配比光学试验平台，构建了形成水华蓝藻的主要藻种的粒径分布函数和等效粒径分布反演模型；提出了基于GPU加速的水体辐射传输Monte Carlo模型和方法；探讨了色素浓度、色素占比及藻颗粒粒径对水华蓝藻固有光学特性的影响；揭示了不同粒径的微囊藻群体对双氧水抑藻剂的响应机理以及鄱阳湖超微真核藻群落结构的季节演替规律；提出并证实了藻颗粒垂向分布的不均匀分布及分层特征，创建了权重平均分布函数，确定了基于每层水体对遥感反射比贡献的分层遥感反射比模型；分析确定了水色传感器需要的最小信噪比和水色产品的不确定性。.开发了一种利用MODIS卫星影像数据，估算巢湖水体叶绿素垂直分布的方法；发展了一种垂向非均一分布对水体遥感反射比的校正方法；提出了藻华算法指数，分析了太湖藻颗粒的日变化规律，测定了形成藻华的风速阈值，揭示了巢湖藻华14年（2000-2013年）的时空分布。.开发了利用叶绿素a吸收和散射光谱提取浮游植物粒径的算法，提出了一种浑浊水体叶绿素反演的新方法（BNDBI指数），进而构建了富营养化湖泊的藻总量/体生物量估算模型，发展了一个新的大气校正算法ACZI；评估了传感器波段带宽对于内陆水体光学特性的影响，推荐了传感器在水体光学参数应用时的带宽。