湖泊垂直非均匀水体悬浮物对遥感反射率的影响机制—以鄱阳湖光学深水区为例

With the increasingly prominent of lake ecological environment, the study of high-precision quantitative remote sensing inversion for lake water color elements have important practical significance. Suspended sediments is the key element of the lake water color parameters, Water of inland lake is complex and Inconstant, vertical nonuniform water is widespread, Therefore the study of associating with water optical transfer problems of vertical nonuniform Suspended sediments and remote sensing accuracy is imminent. However, people are still less research on the optical properties of vertical nonuniform lake. This project Combines with optical deep water area of Poyang lake, we will monitor apparent optical properties and vertical inherent optical properties in different period of Poyang lake, and analyse spatial-temporal variability of different water vertical inherent optical properties, the study builds lake nonuniform water vertical structure parameterization model about optics properties. Simultaneously introduced into two-flow radiative transfer model, it is suitable for the establishment of a nonuniform water optical vertical model about lake, to obtain remote sensing reflectance and the vertical distribution reflectance of lake. It researches the remote sensing reflectance, key factors of suspended sediments concentration retrieval error and their mechanisms under vertical distribution about hydrodynamics, suspended sediments component, concentration, particle size, Implementation of this project is to provide an important basis and application value for exploring the theory of optical studies of lake water and improving water color remote sensing algorithms.

随着湖泊生态环境问题的日益突出，研究遥感高精度定量反演湖泊水色要素具有重要现实意义。悬浮物是湖泊水色要素中的关键参数，内陆湖泊水体复杂多变，垂直非均匀水体普遍存在，因此研究垂直非均匀水体悬浮物的光学传递问题与遥感精确度之间的关联迫在眉睫；然而人们对湖泊垂直非均匀水体的光学性质却尚少研究。本项目以鄱阳湖光学深水区为例，对不同时期鄱阳湖水体表观光学参数和垂向固有光学参数进行实地监测，分析不同水体悬浮物垂向固有光学性质的时空变异性，建立湖泊非均匀水体光学物理量垂直结构参数化模型；同时引入到两流辐射传递模型中，建立适合于湖泊非均匀水体的光学垂向模型，获取湖泊垂直分布的反射率和水面上遥感反射率。研究在水动力、水体悬浮物组分、浓度、粒径等垂向分布下的遥感反射率、悬浮物浓度反演误差关键因素及其影响机制。本项目的实施为探索湖泊水体光学研究理论、改进水色遥感算法提供重要依据和应用价值。

随着遥感定量反演技术的不断提高，内陆湖泊水体垂向均一假设难以满足水色参数遥感高精度反演的要求，特别是分层明显的水体带来更大的误差，研究垂直非均匀水体悬浮物的遥感反射率变化机制具有重要意义。项目以鄱阳湖光学深水区为例，通过野外实测、室内实验获得垂向悬浮物和光学数据，分析了鄱阳湖水体固有光学特性时空变异特征，建立了非均匀水体组分垂向结构模型和固有光学特性参数化模型，基于辐射传输理论模拟水体遥感反射率，揭示了垂直非均匀水体悬浮物对遥感反射率的影响机制。主要结论如下：⑴获得了丰、平和枯水期的鄱阳湖水体垂向光学数据集。建立了基于光学数据的水色参数反演模型，分析了水体组分垂向分布类型，研究表明鄱阳湖大多数水体垂向非均匀分布，65.7%监测站点水体悬浮物浓度垂直非均匀，垂向以线性函数分布为主，85.1%站点水体叶绿素a浓度垂直非均匀，垂向以指数函数分布为主。⑵揭示了鄱阳湖水体垂向的固有光学特性时空变异特征。丰、平水期吸收系数、后向散射系数平均值随水深逐层增加的趋势，枯水期吸收系数分层差异较小。⑶构建了一套基于Hydrolight的湖泊垂向水体本地化的辐射传输模型，其验证精度较高。⑷揭示了水体悬浮物垂向分布对遥感反射率的影响。研究表明无机悬浮物是影响遥感反射率的主导因素。重点研究了无机悬浮物浓度（ρ(ISM)）垂向线性型和叶绿素a浓度(ρ(Chla))垂向指数型这两类占比较大的非均匀水体，ρ(ISM)表层浓度低时，斜率变化对遥感反射率的影响较大，600~700nm最为敏感，590nm处相对变化率最大为32.65%；ρ(ISM)表层浓度高时，斜率变化对遥感反射率的影响较小，730~800 nm波段最为敏感，760nm处相对变化率最大为10.31%，ρ(ISM)越高则相对变化率峰值向长波段移动。ρ(Chla)垂向分布对遥感反射率在400~600nm范围内影响相对较大，585nm波段最为敏感；遥感反射率随ρ(Chla)垂向分布指数函数曲率的增大而减小，ρ(Chla)表层浓度越高其垂向分布指数函数曲率对遥感反射率的影响程度越大，585nm处相对变化率可达到43.74%，而在700~800nm的较长波段遥感反射率随ρ(Chla)垂向分布指数函数曲率变化小。研究成果为丰富湖泊水体光学研究理论、改进水色遥感算法提供基础数据和重要理论依据。