內(nèi)陸湖泊顆粒有機(jī)碳(POC)濃度遙感定量反演模型研究.pdf

1、碳作為主要的生源要素，是決定水域生物資源可持續(xù)利用最關(guān)鍵的生態(tài)學(xué)要素之一，碳在海洋與湖泊中的行為及由碳引導(dǎo)的生物泵過(guò)程又在一定程度上決定了全球及區(qū)域性氣候變化的趨勢(shì)。顆粒有機(jī)碳雖然占總碳很小部分，但由于其沉降作用決定了POC在固碳及向下運(yùn)輸相關(guān)元素方面扮演著重要角色，具有生物泵的功能。遙感作為一種技術(shù)手段，能夠快速、宏觀的監(jiān)測(cè)顆粒有機(jī)碳濃度時(shí)空變化。目前大洋水體顆粒有機(jī)碳(POC)反演模型較為成熟，但內(nèi)陸水體顆粒有機(jī)碳遙感反演研究相對(duì)較

2、少，所以研究?jī)?nèi)陸水體顆粒有機(jī)碳遙感反演算法對(duì)利用遙感手段宏觀監(jiān)測(cè)內(nèi)陸水體POC時(shí)空變化情況有十分重要的意義。
　　本文主要利用太湖、洞庭湖野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（88個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)），構(gòu)建了內(nèi)陸湖泊顆粒有機(jī)碳的遙感反演模型，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图鞍敕治瞿Ｐ?，并利?013年MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對(duì)太湖地區(qū)POC濃度時(shí)空變化情況進(jìn)行了分析，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論可以概括4個(gè)方面。
　　(1)簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)反演模型的構(gòu)建。首先利用內(nèi)陸湖泊實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大洋水體PO

3、C遙感反演方法進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)大洋水體POC遙感反演算法在內(nèi)陸水體并不適用，因此構(gòu)建了適用于我國(guó)內(nèi)陸湖泊的POC經(jīng)驗(yàn)估算模型。構(gòu)建的三種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，基?25nm和550nm的比值模型具有最好的反演效果，模型MAPE為33％，RMSE為0.73mg/L。
　　(2)分類后反演模型的構(gòu)建。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)陸湖泊水體顆粒有機(jī)碳的主要來(lái)源為非色素顆粒有機(jī)物和色素顆粒物，二者比例差異導(dǎo)致了估算精度的差異。為了進(jìn)一步提高POC反演算法的精度，首先

4、根據(jù)光學(xué)特征對(duì)水體進(jìn)行分類，利用構(gòu)建的NDT指數(shù)(NDT=0.4*Rrs(705)+0.68Rrs(655)-Rrs(675))與色素顆粒物吸收系數(shù)與總懸浮物吸收系數(shù)的比值(aph/atsm)之間較好的相關(guān)性，最終將水體分為色素顆粒物主導(dǎo)(NDT＞0.45)和非色素顆粒物主導(dǎo)水體(NDT＜0.45)，并針對(duì)不同類型的水體分別構(gòu)建了POC反演模型，有效的提高了反演精度。其中非色素顆粒物主導(dǎo)水體的POC濃度可以用833nm和529nm的遙感

5、反射率組合估算，模型RMSE為0.71mg/L，MAPE為25％;色素顆粒物主導(dǎo)水體的POC濃度可以用825nm及550nm波段比值進(jìn)行估算，模型RMSE為0.63mg/L，MAPE為28％。分類反演精度比簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫斤@著提高。
　　(3)半分析模型的構(gòu)建。由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^大的依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，為了使得模型更具通用性，在分析水體光學(xué)特征的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了POC遙感反演的半分析模型。在結(jié)合大量的吸收系數(shù)的數(shù)據(jù)集情況下，發(fā)現(xiàn)非色素顆

6、粒物吸收與POC有著極好的關(guān)聯(lián)，并從總吸收中成功分離出非色素顆粒物的吸收，最終構(gòu)建了基于510nm、670nm和750nm的三波段半分析模型，模型MAPE為22％，RMSE為0.63mg/L。相對(duì)于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投?，半分析模型的反演精度有很大提高，并具備更?yōu)異的普適性和穩(wěn)定性。
　　(4)模型應(yīng)用的實(shí)例展示。根據(jù)MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的波段特點(diǎn)，選取已構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)模型的參數(shù)進(jìn)行率定，使其適用于MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。并利用MODIS數(shù)