【摘要】：湖泊和水庫(kù)被稱為全球環(huán)境變化的哨兵,在過(guò)去幾十年,全球湖庫(kù)環(huán)境在土地利用和氣候變化的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生了快速變化。利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)全球范圍湖庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀和長(zhǎng)期變化趨勢(shì),對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)湖庫(kù)變化規(guī)律和對(duì)全球變化的響應(yīng)具有重要科學(xué)意義。由于湖庫(kù)水體組分和氣溶膠都具有光學(xué)復(fù)雜性且隨區(qū)域和季節(jié)變化大、水體破碎性分布,和陸地臨近效應(yīng)等問(wèn)題,一直缺少?gòu)V泛適用的湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)模型和遙感產(chǎn)品,為大范圍長(zhǎng)時(shí)間湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。Forel-Ule Index(FUI)水色指數(shù)是傳統(tǒng)水體光學(xué)性質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之一,基于福萊爾比色表(Forel-Ule Scale)將自然水體顏色由深藍(lán)到紅棕色劃分為21個(gè)顏色級(jí)別。FUI水色指數(shù)與水質(zhì)參數(shù)變化密切相關(guān),在區(qū)域和全球長(zhǎng)時(shí)間尺度監(jiān)測(cè)水質(zhì)方面具有很強(qiáng)潛力和優(yōu)勢(shì)。本文將FUI水色指數(shù)作為大尺度湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究的切入點(diǎn),分析FUI與湖庫(kù)水體光學(xué)特性之間的聯(lián)系,與大范圍不同類型湖庫(kù)水體水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系,挖掘FUI水色指數(shù)在大范圍長(zhǎng)時(shí)序湖庫(kù)水體水質(zhì)參數(shù)反演上的能力。本文以基于FUI水色指數(shù)的大范圍長(zhǎng)時(shí)序湖庫(kù)水體水質(zhì)參數(shù)反演為主題,開展了水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)、透明度反演和固有光學(xué)量反演研究,主要研究?jī)?nèi)容包括以下5個(gè)方面:1)設(shè)計(jì)面向大型湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的MODIS地表反射率產(chǎn)品預(yù)處理方案,面向大氣校正、水體提取、光學(xué)淺水、冰雪覆蓋以及云覆蓋等關(guān)鍵問(wèn)題提出處理方案,為進(jìn)行大范圍長(zhǎng)時(shí)序水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)。2)基于全球湖庫(kù)水體光譜數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)建針對(duì)不同光譜分辨率遙感圖像的FUI水色指數(shù)和色度角提取算法。3)在全球不同類型的湖庫(kù)水體實(shí)測(cè)采樣數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于MODIS FUI水色指數(shù)和紅波段輔助的全球湖庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估模型,首次完成了2012年全球大型湖庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)和制圖,并進(jìn)行了全球空間格局分析。4)基于中國(guó)26個(gè)不同類型湖庫(kù)數(shù)據(jù)集,以及模擬數(shù)據(jù)集分析,構(gòu)建了基于MODIS FUI水色指數(shù)和色度角的中國(guó)大型湖庫(kù)水體透明度估算模型,在大范圍湖庫(kù)中透明度估算精度達(dá)69.0%。首次生產(chǎn)了2000-2014年全國(guó)湖庫(kù)透明度長(zhǎng)時(shí)間序列遙感產(chǎn)品,分析了長(zhǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)因素。5)探索了FUI水色指數(shù)與水體固有光學(xué)量之間的聯(lián)系,提出了利用FUI水色指數(shù)和水體透明度Z_(sd)兩個(gè)歷史水色參量反演水體吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)的模型,為獲得水體固有光學(xué)量提供了新的思路,也為獲得衛(wèi)星時(shí)代之前的水體固有光學(xué)量數(shù)據(jù)提供了有效途徑。本文的研究結(jié)論主要有以下4個(gè)方面:1)FUI水色指數(shù)在不同傳感器圖像之間具有可比性,且對(duì)觀測(cè)條件和氣溶膠條件干擾具有抗擾動(dòng)能力。2)FUI水色指數(shù)可以用于大范圍長(zhǎng)時(shí)序的湖庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)和透明度反演,反演模型適用性強(qiáng);且FUI水色指數(shù)與水體固有光學(xué)量聯(lián)系緊密。3)通過(guò)全球大型湖庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)空間分析得出:貧營(yíng)養(yǎng)水體多集中在高山和高原地區(qū),如亞洲青藏高原地區(qū),南美洲Patagonia高原地區(qū);富營(yíng)養(yǎng)水體多集中在中國(guó)東部平原地區(qū)、非洲中部地區(qū)以及美國(guó)中南部地區(qū)。4)通過(guò)全國(guó)大型湖庫(kù)水體透明度長(zhǎng)時(shí)序分析得出:全國(guó)大型湖庫(kù)透明度在空間分布上呈西高東低的格局,2000~2014年間全國(guó)湖泊總體透明度下降,其中下降最明顯的是云貴高原湖區(qū)大型湖庫(kù)透明度,這與近年來(lái)該地區(qū)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)明顯和氣溫升高有關(guān);青藏高原湖區(qū)大型湖庫(kù)水體透明度變化較劇烈,這初步估計(jì)與近些年來(lái)青藏高原氣候變化氣溫升高有關(guān)。
【圖文】：

理為：水體中的各個(gè)重要光學(xué)組成成分影響著水體的光學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)吸收和散射特性，進(jìn)而通過(guò)水中和氣水界面輻射傳輸過(guò)程影響水體離水輻反射率；通過(guò)衛(wèi)星傳感器接收水體離水輻射信號(hào)，針對(duì)一種或多種光學(xué)組剝離出反映水體光學(xué)組分含量的有用信息，利用生物-光學(xué)或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷盟w中的一種或者多種重要組分含量 (陳軍 等, 2013)。其中，只與水體，不隨入射光場(chǎng)變化的光學(xué)量稱為水體固有光學(xué)量（Inherent Optical Prop），包括水體的吸收系數(shù)和散射系數(shù)等；隨水體成分和入射光場(chǎng)幾何結(jié)構(gòu)律變化的光學(xué)量稱為表觀光學(xué)量（Apparent Optical Properties, AOP），包射率（Rrs）和下行輻照度漫衰減系數(shù)（Kd）等。水色遙感的首要目標(biāo)是遙感數(shù)據(jù)獲取水體的離水輻亮度或離水反射率，通過(guò)離水輻亮度或離水反水體的固有光學(xué)量和水體組分含量和濃度，最終目標(biāo)是反映水質(zhì)在空間和分布情況和變化，發(fā)現(xiàn)污染源和污染物遷移特征，完成對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙制圖和預(yù)測(cè)的任務(wù) (馬榮華, 2009)。

第 1 章 引言的水體光學(xué)組分，除水分子本身外主要包括性有機(jī)物（又稱為黃色物質(zhì)，，CDOM，如圖 1底反射也是離水輻射中的一個(gè)重要組成成分，反射影響離水輻射的水體被稱為光學(xué)淺水，反作光學(xué)深水�？傮w上講，通過(guò)遙感可監(jiān)測(cè)的水綠素 a (Chl-a)濃度、水體透明度、濁度以及溶垂直衰減系數(shù)，以及一些綜合污染指標(biāo)如營(yíng)菊和王學(xué)軍, 2002)。除此之外，針對(duì)其他水質(zhì)、溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、總譜特征中直接得到，一般是利用不同物質(zhì)間的這些物質(zhì)的含量 (張淵智, 2010)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X524;X87

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2588951