基于水体光学特征分区的通江湖泊叶绿素时空动态遥感研究-以鄱阳湖为例

Using in situ measurements and model simulations, the spectral difference between various combinations of Chlorophyll (Chl), total suspended sediment (TSS) and CDOM concentrations will be investigated from the perspective of radiative transfer theory, resulting in a method to discriminate non-sediment dominated regions of Poyang Lake. Then a novel Chlorophyll-a retrieve algorithm for non-sediment dominated waters will be established based on the study of the inherent optical properties in Poyang Lake. The relationship between in situ TSS and Chl will be analyzed, and the Chl of the sediment-dominated region will be obtained with the assistant of the remotely sensed TSS dataset. The algorithm will be then applied to long-term and high re-visiting frequency remote sensing images, from which the seasonal and inter-annual changes of the Chlorophyll-a concentrations in Poyang Lake will be achieved. Remotely sensed inundation areas, suspended sediments and in-situ gauged meteorological and hydrological data will be combined to understand such temporal-spatial patterns of Chl, with particular emphasis on the high Chl regions. This study could serve as a further step to perfect the methodology of using remote sensing techniques to monitor the water environment of large river-connected lakes. The results here could provide critical information to the local government for water ecological conservation and lake environment protection.

以水体辐射传输机理为基础，结合现场实测和模拟数据，解析鄱阳湖叶绿素、悬浮泥沙与黄色物质（CDOM）等水色要素不同浓度及组分结构的光谱差异，研究湖泊非泥沙主导区的遥感自动识别方法。在分析水体固有光学特性的基础上，构建高精度反演算法，获取鄱阳湖非泥沙主导区叶绿素浓度信息。利用鄱阳湖现场观测的悬浮泥沙和叶绿素浓度数据，结合湖区悬浮泥沙的分布格局、悬浮泥沙与叶绿素浓度的同步变化规律，估算泥沙主导区的叶绿素浓度分布。依据长时序、高时间分辨率的遥感反演结果，统计分析鄱阳湖近十年来叶绿素浓度时空分布动态及其变化趋势。以叶绿素浓度高值区为重点研究对象，考虑复杂的水沙环境与气象条件，分析鄱阳湖叶绿素时空格局的影响因素。研究成果可为维护湖泊水生态安全、水环境保护等政府管理决策提供科学支持，具有重要的方法意义和实际应用价值。

针对鄱阳湖复杂的水体光学特性，以水体辐射传输机理为基础，结合MERIS影像及同步实测数据，提出了一个新型的归一化叶绿素浓度差分指数（normalized green-red difference index，NGRDI），以此实现了鄱阳湖泥沙主导区与非泥沙主导区的批量遥感影像的自动识别。在非泥沙主导区(NGRDI>0.06，即悬浮泥沙浓度小于25mg/L），提出了叶绿素浓度的遥感反演算法。在叶绿素浓度为1.3-10.5 mg/m3的范围之间，该算法的反演误差为30-40%，能够满足水色定量遥感监测的需求。以长时序遥感数据为基础（325景MERIS全分辨率数据），实现了2003-2012年十年间鄱阳湖叶绿素浓度时空动态分析。结果显示，鄱阳湖叶绿素浓度呈现显著的季节性变化，四月份的平均浓度最低（2.4±0.2 mg/m3），七月份浓度最高（4.4±1.0 mg/m3）。然而，叶绿素浓度的年际变化并不明显。结合气象、水文等统计数据，发现鄱阳湖流域的叶绿素浓度的季节性变化还受降雨量的影响。最后，以夏季的叶绿素遥感反演结果为基础，勾画出了湖泊的富营养化区域，其主要分布在南部和东部湖区。研究成果可为维护鄱阳湖湖泊水生态安全提供重要信息，为指导区域生态经济可持续发展提供技术支撑。.按照既定的研究计划，项目圆满地完成了课题设定的任务，完成了预期目标，并在研究的深度和广度上都比既定计划有了进一步的扩展。课题组发表科研论文11篇，SCI论文10篇，其中6篇发表在遥感最权威期刊Remote Sensing of Environment上。培养博士生5名、硕士生3名。