內(nèi)陸富營養(yǎng)化湖泊藍藻豐度遙感估算方法研究——以太湖為例.pdf

1、藍藻是內(nèi)陸富營養(yǎng)化水體水華發(fā)生時的主要優(yōu)勢藻種，藍藻豐度（藍藻藻密度占總藻密度的比例）對于藍藻水華的預警和監(jiān)測具有重要意義。利用遙感技術可以宏觀、快速和實時地監(jiān)測藍藻豐度，能反映藍藻是否為優(yōu)勢藻種以及藍藻豐度分布的時空差異性和變化規(guī)律，因此發(fā)展藍藻豐度的遙感監(jiān)測模型具有重要的意義。本文以典型的內(nèi)陸富營養(yǎng)化湖泊太湖為研究區(qū)，通過探討藍藻豐度與不同生物光學特性關系，包括表觀光學特性（遙感反射率）、固有光學特性（浮游藻類吸收系數(shù)）和色素濃度(

2、PC:Chla)，分析不同藍藻豐度光學特征的差異，研究藍藻豐度的遙感估算方法。在此基礎上分別構(gòu)建了基于MERIS數(shù)據(jù)的藍藻豐度遙感估算的偏最小二乘模型和藍藻豐度遙感估算的半分析模型。主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括以下4個方面:
　　(1)藍藻豐度與生物光學特性的響應關系
　　在分析藍藻豐度和遙感反射率(Rrs)、浮游藻類吸收系數(shù)（aph）以及色素濃度(PC:Chla)的關系的基礎上，發(fā)現(xiàn)藍藻豐度的差異能夠在遙感反射率及浮游藻類吸收系

3、數(shù)上很好的指示出來，不同藍藻豐度的遙感反射率差異主要表現(xiàn)在560nm～700nm波段范圍內(nèi)，且隨著藍藻豐度的升高，624nm處的反射谷的深度也在增加。浮游藻類吸收系數(shù)對藍藻豐度有著更明顯的指示作用。隨著藍藻豐度的增加，624nm處的吸收峰更為明顯，而且浮游藻類吸收系數(shù)的波段比值[aph(624)-aph(550)]/[aph(624)+aph(550)]和[aph(665)-aph(624)]/[aph(665)+aph(624)]以及

4、單位吸收系數(shù)波段比值[a*ph(624)-a*ph(550)]/[[a*ph(624)+a*ph(550)]和[a*ph(665)-a*ph(624)]/[[a*ph(665)+a*ph(624)]與藍藻豐度都具有較好的相關性，均能夠較好地指示藍藻豐度，波段比值[aph(624)-aph(550)]/[aph(624)+aph(550)]和[a*ph(624)-a*ph(550)]/[[a*ph(624)+a*ph(550)]與藍藻豐度

5、的相關性更為緊密。但研究發(fā)現(xiàn)，色素濃度PC:Chla與藍藻豐度的相關性很差，PC:Chla不能夠用來指示藍藻豐度。
　　(2)藍藻豐度經(jīng)驗估算模型的構(gòu)建
　　將野外實測的高光譜遙感反射率數(shù)據(jù)模擬到MERIS的15個波段上，基于藍藻豐度和遙感反射率的關系，選用模擬的MERIS波段中的第五波段(中心波長560nm)、第六波段(中心波長620nm)、第七波段(中心波長665nm)、第八波段(中心波長681nm)和第九波段(中心波長

6、709nm)構(gòu)建了藍藻豐度估算的偏最小二乘模型，其均方根誤差為8.58，平均相對誤差為14.09％，所構(gòu)建的模型能夠較好地估算水樣的藍藻豐度。
　　(3)藍藻豐度半分析估算算法的構(gòu)建
　　在分析不同藍藻豐度樣點光學特征的基礎上，提出了一種藍藻豐度遙感估算的半分析模型，通過浮游藻類的吸收系數(shù)（aph）分離得到藻藍蛋白在620nm處的吸收apc(620)和葉綠素a在665nm處的吸收ach1(665)，基于藍藻豐度和apc(62

7、0)/ach1(665)的關系，構(gòu)建了基于Rrs(620)、Rrs(665)、Rrs(709)和Rrs(778)的藍藻豐度估算的半分析模型。模型的均方根誤差為19.57，平均相對誤差為41.37％。雖然半分析模型的精度比偏最小二乘模型的精度稍差，但該算法具更具有物理基礎和意義，其在內(nèi)陸湖泊的通用性方面具有更好的潛力。
　　(4)太湖區(qū)域藍藻豐度分布及其季節(jié)性變化
　　通過兩步法實現(xiàn)太湖區(qū)域藍藻豐度的遙感估算，首先根據(jù)光譜形狀

8、SS(665)，判斷藍藻是否存在，然后基于MERIS數(shù)據(jù)和偏最小二乘模型實現(xiàn)了太湖區(qū)域藍藻豐度的反演。結(jié)果表明，不同季節(jié)藍藻豐度分布不同，整體上夏季和秋季藍藻豐度處于較高水平，春季和冬季藍藻豐度處于較低水平。在空間上，不同湖區(qū)藍藻豐度變化趨勢不同，胥口灣和東太湖藍藻豐度比較穩(wěn)定，四季都處于較低水平;竺山灣、梅梁灣和西北湖區(qū)藍藻豐度從春秋到冬季呈現(xiàn)增多-減少-減少的趨勢;貢湖灣、中心湖區(qū)和西南湖區(qū)藍藻豐度從春季到冬季呈現(xiàn)持平-增多-減少的