基于半分析模型的太湖春季水体漫衰减系数Kd(490)估算及其遥感反演

漫衰减系数是水体重要的光学参数,是水生态系统的重要影响因素.利用2009年4月和2010年5月太湖实测数据,基于光学闭合原理,首先求解出490 nm处水体总的吸收系数[a(490)]和后向散射系数[bb(490)],进而研究了其与模拟的环境一号卫星多光谱数据不同波段遥感反射率之间的关系,在此基础上构建了太湖春季水体Kd(490)反演的半分析模型并将其应用到环境一号卫星影像上进行了太湖春季水体Kd(490)的遥感反演.结果表明,①基于光学闭合原理,可以较为准确地求解出a(490)和bb(490),a(490)实测值与求解值的平均相对误差为17.1%,bb(490)与模拟的环境一号卫星第四波段的遥感反射率具有很好的指数关系;②本研究所构建的模型具有较好的精度和稳定性,利用与卫星影像准同步的地面采样点对模型进行验证,得出模型反演的平均相对误差为21.6%,均方根误差为1.68 m-1;③太湖春季水体Kd(490)具有较强的空间差异性,太湖北部和东太湖大部分区域为Kd(490)的低值区,太湖西部和南部为Kd(490)的高值区,而太湖中部大部分区域介于两者之间.     

巢湖水体组分垂向分布特征及其对水下光场的影响

富营养化湖泊不同组分垂向分布及其对水下光场的影响是湖泊水环境遥感领域亟待开展的内容.利用巢湖野外实测数据,分析水体不同组分垂向分布特征,结合Hydrolight辐射传输模型模拟研究水体不同组分垂向分布对漫衰减系数Kd的影响.结果表明,巢湖水体悬浮物以及有色可溶性有机物CDOM垂向分布较为均一,水面未发生藻华现象时叶绿素a垂向分布符合高斯正态分布,漫衰减系数Kd受叶绿素a以及无机悬浮物的显著影响,其垂向变化复杂多样,以往以水体光学性质均一为前提计算得到的Kd仅仅表示其衰减的平均情况,不能精确反映水下光场的垂向变化,因此研究水体组分垂向分布特征及其对漫衰减系数Kd的影响是开展藻类垂向分布异质性对水下光场影响机制研究的前提和基础.     

基于光补偿深度的蠡湖沉水植物恢复区划分

为分析蠡湖沉水植物恢复的光补偿深度和透明度条件,根据2012年4月和2013年4月蠡湖水下PAR(光合有效辐射)强度、ρ(SS)、透明度等监测数据以及沉水植物相关资料,探讨了沉水植物光补偿深度的空间分布特征及其影响因素. 结果表明:水下PAR强度随水深呈指数递减,α(光衰减系数)在0.97~6.04 m-1之间变化;光补偿深度空间分布格局均表现为西蠡湖大于东蠡湖、沿岸大于湖心的趋势,并且与水体透明度呈显著正相关;狐尾藻、金鱼藻、菹草、黑藻、苦草的光补偿深度及水体真光层深度分别是透明度的1.83、1.92、2.05、2.12、2.57和3.04倍. 回归分析表明,光补偿深度主要受ρ(SS)影响,其次为ρ(Chla). 以沉水植物群落光补偿深度(水体真光层深度)与水深的比值作为划分沉水植物群落恢复区域的参考依据,将蠡湖水域初步划分为“适宜区”“过渡区”和“暂不适宜区”,其中“适宜区”占蠡湖水域面积的29%.      

长江中下游浅水湖泊水下辐照度漫射衰减特征研究

基于2007年9月底和10月初在湖北武汉东湖、梁子湖、洪湖以及2010年4月在昆山市傀儡湖进行的水下光场测定数据,分析了4个湖泊漫射衰减系数变化特征及其主导因素.在东湖和傀儡湖各站点水体主要光学因子变化不大,梁子湖和洪湖由于具有草型和藻型湖区,所以各因子在不同点位变化较大.通过对透明度和各光衰减因子的回归分析可知,无机颗粒物是影响东湖和傀儡湖透明度的主要因子,而梁子湖和洪湖透明度则受无机和有机颗粒物的共同制约.4个湖泊的光谱漫射衰减系数最低值均出现在580 nm处,在675 nm处各点均具有相应的叶绿素a的特征吸收峰,在叶绿素a浓度较低站点衰减峰相对不明显.东湖平均真光层深度小于湖体平均深度,在目前的光场条件下沉水植物很难生长,而在梁子湖、洪湖和傀儡湖其真光层深度均超过了水深,为沉水植物的生长提供了良好的水下光环境.对PAR衰减与各衰减因子进行回归分析发现,在东湖、傀儡湖主导PAR衰减的是无机颗粒物,梁子湖和洪湖PAR衰减受到无机颗粒物、有机颗粒物和叶绿素a的共同作用.颗粒物特征波长750 nm处的光束衰减系数与PAR漫射衰减系数存在显著正相关,说明颗粒物散射显著贡献水下光辐射漫射衰减.研究结果有助于指导浅水湖泊水下光场条件改善和沉水植物恢复.     

杭州西湖冬、春季水体光学特性比较

于2007年冬、春季对杭州西湖主要湖区的水下光合有效辐射进行了研究,主要从光学角度讨论西湖的水质状况及其影响因素. 选用美国LI-COR公司的水下光量子仪(LI-COR 192SA)分层测定光合有效辐射(PAR),同时测定透明度,叶绿素a,悬浮物(SS),总氮和总磷等理化因子. 通过对不同深度处水下辐照度进行指数回归得到光学衰减系数(K_d). 结果表明,西湖水质和水体光学条件冬季优于春季,ρ(叶绿素a)和ρ(SS)低,透明度和真光层深度高. 水下光合辐射的垂直分布呈指数衰减. 从总体上来看,K_d冬季小于春季,外西湖高于其他湖区,并且由南至北逐渐升高. 冬、春季K_d分别为0.49～2.25和0.59～3.45 m－1. K_d与ρ(叶绿素a)和ρ(SS)呈正相关.浮游植物和悬浮物是影响西湖水下光照的重要因素. 降低浮游植物和悬浮物含量是改善西湖水体光学条件的重要内容.      

太湖悬浮物对水体生态环境的影响及其高光谱反演

利用太湖水质参数数据、水面以下实测光谱数据以及水-气界面辐射传输模型,计算得到了水体漫射衰减系数和水面以上遥感反射比,探讨了悬浮物对水体中营养盐以及水下光照等水体环境因子的影响,在此基础上,利用水面以上遥感反射率建立了悬浮物浓度的定量反演模型.研究结果表明:悬浮物浓度与水体下行漫射衰减系数具有很好的相关性,在可见光波段相关系数达到0.8以上,与真光层深度具有很好的负指数关系;水面以上遥感反射比与悬浮物浓度对数(In(Tss))具有很好的相关性,在500～600nm范围内呈负相关,在620-882nm范围呈正相关,最大负相关出现在522nm附近,最大正相关出现在692nm附近;选用Rra(522nm)、Rra(692nm)以及其比值作为变量建立悬浮物反演模型,得出的单波段线性对数模型能够较好地反演悬浮物浓度.     

浅水湖泊水动力过程对藻型湖区水体生物光学特性的影响

基于2010年7月底至8月初对太湖藻型湖区梅梁湾沿岸带水域不同风速条件下水下光场的原位连续高频观测,通过对水下辐照度、光束衰减系数、吸收系数、相关理化参数及气象水文参数的测定与分析,揭示了该区域水体的生物光学特性变化及其与水动力过程的关系.结果表明,总颗粒物吸收系数ap(440)、非色素颗粒物吸收系数ad(440)、浮游植物吸收系数aph(440)及有色可溶性有机物吸收系数aCDOM(440)在小风(30 min内平均风速<3 m.s-1)、中风(3 m.s-1<风速<5 m.s-1)和大风(风速>5 m.s-1)作用下分别为3.97、3.97、6.58 m-1;1.69、2.17、4.20 m-1;2.28、1.80、1.33 m-1;1.05、1.04、1.08 m-1,其中变幅最大的为非色素颗粒物,CDOM吸收系数在不同风速条件下差别不大.水体各组分在PAR波段积分值的贡献率的变化规律为:小风速下浮游植物吸收系数的贡献最大(达42.5%),随着风速的增大,CDOM、浮游植物、纯水吸收系数的贡献率均有降低的趋势,而非色素颗粒物的贡献率则显著增大,分别为33.0%、41.7%、52.0%.PAR漫射衰减系数与10min平均风速呈显著线性相关,风速引起的沉积物再悬浮对PAR漫射衰减系数的影响显著,从小风到大风,PAR漫射衰减系数增加了80.0%,对应真光层深度降低了42.2%.PAR漫射衰减系数、750 nm波长处的光束衰减系数、总悬浮物浓度与风速、波高、波切应力均存在显著正相关,其中又以PAR漫射衰减系数的相关性最为显著.高频观测结果揭示了浅水湖泊藻型湖区水动力过程通过引起沉积物再悬浮、浮游植物的混合及迁移显著改变水体生物光学特性短期变化.     

两种生态净化措施对水源水库光学环境的影响

为了评估生态净化措施对水体光学环境的影响,以上海金泽水库为例,在微纳米曝气复氧和水生植物净化两种生态净化措施前后布设采样点进行了光学衰减系数（水体光合辐照度（PAR）衰减系数）、真光层深度和透明度及相关水质指标的监测和分析.结果表明：水生植物净化和曝气复氧净化措施有利于水体光学环境的改善,经微纳米曝气后,水体透明度增大20%~25%,真光层深度增大2.2%~14.8%,光学衰减系数降低0.4%~4.4%;经水生植物净化后,水体透明度增大20%~29.4%,真光层深度增大6%~20%,光学衰减系数降低17.3%~20.5%.逐步回归结果表明不同生态净化措施的光学环境改善机制不同,微纳米曝气主要通过叶绿素、溶解性有机物、温度、溶解氧影响水体光学环境,水生植物净化主要通过浊度影响水体光学环境.冬季,两种生态净化措施对总氮和溶解性有机物均没有改善效果.     

基于Landsat8影像估算新安江水库光合有效辐射漫射衰减系数

光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)是指可以被植物利用并进行光合作用的那部分太阳辐射,其进入湖水后受光学组分(悬浮颗粒、有色可溶性有机物和浮游植物)的吸收和散射作用发生衰减,对湖泊生物的密度和分布具有重要影响.本研究构建了基于Landsat 8影像数据的较为清洁的新安江水库PAR漫衰减系数的遥感估算模型,进而分析其时空分布特征及主要影响因素.结果表明,利用Landsat 8的第二、三和第八波段构建的多元回归模型能够得到较为准确的估算结果,模型决定系数为0.87.利用独立样本对构建的模型验证,预测值和实测值相对误差绝对值均值为9.16%,均方根误差为0.06 m~(-1),由此可见利用Landsat 8数据的3个波段,采用多元回归模型能够较好地估算较清洁水体的PAR漫射衰减系数.基于14景Landsat 8影像发现,新安江水库PAR漫射衰减系数季节差异性明显,秋季(9~11月)和夏季(6~8月)PAR漫射衰减系数较高,分别为(0.82±0.60)m~(-1)和(0.77±0.41)m~(-1),而冬季(12~次年2月)和春季(3~5月)PAR漫射衰减系数相对较低,分别为(0.56±0.50)m~(-1)和(0.40±0.45)m~(-1).新安江水库PAR漫射衰减系数空间差异性显著,全湖PAR漫射衰减系数变化范围为(0.002~13.86)m~(-1),均值为(0.64±0.49)m~(-1).漫射衰减系数的季节变化主要是由季节性降雨和浮游植物季节性生长引起,空间差异性主要由外源河流输入和部分水域采砂过程导致悬浮物浓度变化引起.     

基于环境一号卫星的四十里湾透明度遥感反演

利用环境一号小卫星的CCD数据及同步地面观测数据,进行了烟台四十里湾海域透明度的遥感反演研究。结果表明,红蓝波段比值与实测透明度具有较高的相关性,并以此为基础建立了该区域水体透明度的遥感反演模型,反演值与实测值的平均相对误差为8.6%,均方根误差为0.1 m。据此模型绘制了四十里湾水体透明度分布图。研究发现,透明度具有近岸低、远岸高的特点,且从近岸向外海基本呈逐渐递减的趋势。