【中科院之聲】讓中國湖泊更“透明”
如果說山峰是地球的脊柱，那么湖泊就是地球的眼睛。一個清澈的湖泊可以傳達這顆星球最深邃的美，讓人流連忘返，古人甚至用“琉璃萬頃”來形容湖水的晶瑩剔透。由此可見，湖泊透明度（SD）對于湖泊水質(zhì)和光學特征的重要性。
透明度是評價湖泊富營養(yǎng)化的一個重要指標，它的變化主要受湖水中光學活性組分和純水自身的影響（圖1），可以直觀反映湖水清澈和混濁程度，是衡量水下光場的重要指標之一，對湖泊生態(tài)環(huán)境研究具有重要的科學及實踐意義。
圖1 不同類型湖泊水體
著名的湖泊往往孕育著人類輝煌的文明，人類的生活和生產(chǎn)離不開水，水是自然賦予人類最寶貴的財富之一。但是隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，湖泊卻在不斷遭到侵蝕與破壞，昔日魚米之鄉(xiāng)，如今魚蝦匱乏，湖泊萎縮和水質(zhì)惡化等問題不斷凸顯。藻類的生長狀態(tài)、懸浮物濃度以及可溶性有機物直接影響湖泊透明度和水下光場分布，對水質(zhì)環(huán)境變化以及水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生直接影響。
但由于中國內(nèi)陸湖泊光學組分復雜，傳統(tǒng)的透明度測量方法無法滿足對湖泊SD進行大范圍長時序監(jiān)測的需求，不具有較強的時效性和可重復性。中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所助理研究員劉閣介紹：“獲得大尺度、長時間序列的水體SD遙感數(shù)據(jù)仍然是SD區(qū)域遙感監(jiān)測研究中難以攻克的難題，其中覆蓋不同類型水體的光學屬性與水質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取、遙感影像數(shù)據(jù)的大氣校正、具有時空可移植性模型的構(gòu)建是讓中國湖泊水體更‘透明’的關(guān)鍵。”
中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所水環(huán)境遙感研究團隊充分考慮這些因素，對全國湖泊水體SD進行了歷時6年共計34次野外調(diào)查分析，共采集了200余個湖泊的野外數(shù)據(jù)。以野外采樣日期與過境Landsat 8影像相差7天為標準，篩選得到了1792個星地匹配數(shù)據(jù)。最終基于實測數(shù)據(jù)與Landsat OLI遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一種新的基于紅藍波段比值的中國湖泊透明度遙感估算模型，通過覆蓋整個中國的大樣本星地匹配數(shù)據(jù)的參數(shù)化，模型的穩(wěn)定性和魯棒性均得到了大幅度的提高。該算法結(jié)合GEE云平臺，基于2016年中國夏秋季可用Landsat影像，得到了該年中國0.1 km2以上湖泊透明度反演結(jié)果，首次實現(xiàn)了30米分辨率全國湖泊SD遙感反演（圖2）。
圖2 不同湖區(qū)湖泊透明度頻率直方圖
本研究表明，Landsat影像經(jīng)過瑞利散射校正后，與現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)湖泊SD的定量反演（面積為>8 ha）。同時該方法也表明利用Landsat遙感影像可以進行全國或更大范圍的湖泊SD長時序反演估算。宋開山研究員介紹，本次研究成果的創(chuàng)新之處，在于構(gòu)建了一個相對具有大尺度反演能力且能夠進行長時序反演的水體透明度遙感反演模型。該模型覆蓋了全中國多種類型水體透明度樣本，與衛(wèi)星進行了有效匹配，具有較強的穩(wěn)健性。據(jù)介紹，該研究成果前期的預研究結(jié)果，已得到相關(guān)環(huán)保部門的應(yīng)用；采用該方法構(gòu)建的模型，也應(yīng)用到今年黑龍江呼蘭河污染事件中，監(jiān)測被污染呼蘭河的水體透明度。目前，該課題組正與生態(tài)環(huán)境部、科技部等相關(guān)部門溝通，將算法與成果共享，為中國內(nèi)陸水體透明度監(jiān)測提供技術(shù)服務(wù)。
水是生態(tài)環(huán)境的控制性因素，人水和諧是人與自然和諧共生的重要標志。建設(shè)“天藍，地綠，水清的美麗中國”，這是一幅美好藍圖，也是我們夢寐以求的一種愿望。中國國家尺度的湖泊透明度高精度制圖可支撐國家湖泊生態(tài)系統(tǒng)的精細評估，該成果可以推廣應(yīng)用于各地環(huán)境監(jiān)測部門，為湖泊保護和管理提供決策依據(jù)。
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