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处于亚热带季风区的太湖属于典型的内陆富营养化浅水湖泊,在风力作用下沉积物极易发生再悬浮,水体组分的组成和理化性质具有较大时空差异。本研究以太湖作为研究区,通过室内和太湖现场实测的水体组分光学特性,结合水动力和辐射传输模型研究太湖水体组分生物光学特性及其垂直分布对遥感信号和反演算法的影响,并建立总悬浮颗粒物和蓝藻百分比生物光学反演模型,进而利用2003-2010年获取的太湖MERIS遥感影像数据监测总悬浮颗粒物浓度和蓝藻的时空变化。本研究获得的主要结果如下:
水动力对总悬浮颗粒物和叶绿素垂直分布的影响:沉积物再悬浮临界风速大约在4ms-1-5ms-1之间,水体中总悬浮颗粒物垂直分布表现为随深度增加呈指数增加,随着风速的增加,指数增加的速度不断降低,最终达到垂直均一。低风速条件下(风速小于4ms-1),叶绿素呈现近似高斯分布,而高斯峰值的位置随真光层深度而变化,随着风速的增加,高斯峰值不断减小,且不断下移,最终叶绿素达到垂直均一分布。当风速大于5ms-1-6ms-1时,水面难以形成漂浮的“水华”现象。
水体组分垂直分布对遥感反射率的影响:在低叶绿素浓度条件下(Cchl<155μgL-1),叶绿素随风速变化的垂直分布使得400nm-500nm和600nm-800nm范围内的遥感反射率增大,500nm-600nm范围内的遥感反射率有所降低:在高叶绿素浓度条件下(Cchl>155μgL-1),叶绿素垂直分布使得整个波段范围内的(400nm-800nm)遥感反射率变大。在低悬浮颗粒物浓度条件下(Cmin<200mgL-1),总悬浮颗粒物垂直分布使得450nm-650nm范围内遥感反射率有所增加,而在400nm-450nm和650nm-800nm范围内有所减小；在高总悬浮颗粒物浓度条件下(Cmin>200mgL-1),总悬浮颗粒物垂直分布使得整个波段范围(400nm-800nm)内的遥感反射率变小。
水体组分垂直分布对模型反演精度的影响:通过对多种反演模型的分析比较,认为水体组分垂直分布对不同类型反演模型的精度影响具有一定的差异。受总悬浮颗粒物垂直分布影响,单波段模型最高可将总悬浮颗粒物浓度高估30.5％,而波段比值模型对总悬浮颗粒物浓度的高估程度要远高于单波段模型。受叶绿素垂直分布影响,叶绿素单波段反演模型最高可将叶绿素浓度高估22.3％,而波段比值算法能够显著地降低叶绿素被高估的程度,半分析模型(三波段算法)同样能够降低由叶绿素垂直分布所引起的叶绿素被高估的程度。叶绿素和总悬浮颗粒物垂直分布结构对半分析算法(QAA)反演精度具有不同的影响,在叶绿素垂直分布影响下,QAA将会低估水体的总吸收系数和总后向散射系数,最大低估程度可达到60％；而在总悬浮颗粒物垂直分布结构影响下,QAA将会高估水体的总吸收系数和总后向散射系数,最大高估程度可达到30％。
生物光学特性的时空差异对总悬浮颗粒物生物光学模型反演精度的影响:水体组分吸收和散射特性的差异对反演算法都具有显著的影响,其中散射特性差异对反演结果的影响处于主导地位,当以每年实测的比后向散射系数代替平均比后向散射系数进行总悬浮颗粒物反演时,2006年反演结果的RMSP由9.61％降低到4.94％,2007年反演结果的RMSP由4.73％降低到4.60％,2008年反演结果的RMSP由9.39％降低到8.57％,2009年反演结果的RMSP由13.74％降低到5.77％。而“865nm处吸收系数为零”的假设的影响处于第二影响地位,考虑吸收系数在假设波段非零时,2006年反演结果的RMSP由9.61％降低到8.06％,2007年反演结果的RMSP由4.73％降低到4.51％,2008年反演结果的RMSP由9.39％降低到8.73％,2009年反演结果的RMSP由13.74％降低到8.63％。
蓝藻百分比的估算:结合室内培养的太湖主体藻类(铜绿微囊藻和斜生栅藻)的比吸收系数建立的太湖浮游植物吸收系数模型能够准确模拟藻红和藻蓝蛋白吸收特征,并且对蓝藻百分比(蓝藻占总浮游植物百分比)具有表征作用。根据遥感反射率光谱形状建立的蓝藻百分比生物光学模型反演结果表明,蓝藻百分比生物光学反演模型反演的浮游植物吸收系数比例(ar(440nm))与模拟输入值之间的RMSP为18.39％,模型反演的总吸收系数a(440nm)值和模拟输入值之间的RMSP值仅为3.65％,模型反演的蓝藻百分比(Sm)和非色素颗粒物和黄质(CDOM)总吸收系数光谱斜率(S)值和模拟输入值之间的RMSP分别为13.6％和5.89％,后向散射系数的光谱斜率指数(Y)的反演结果相对较差,反演值与模拟输入值之间的RMSP为30.46％。野外实测数据反演结果表明,ar(440nm)的模型反演值与野外实测值之间的RMSP为43.48％,a(440nm)的模型反演值与野外实测值之间的RMSP为11.52％,Sm模型反演效果要好于ar(440nm),Sm的模型反演值与野外实测值之间的RMSP为19.25％,S的模型反演值与野外实测值之间的RMSP为16.80％。
基于MERIS数据的太湖总悬浮颗粒物和蓝藻百分比反演:根据2003到2010年37幅MERIS全分辨率遥感影像反演的总悬浮颗粒物和蓝藻百分比表明,总悬浮颗粒物空间分布总体呈现由北向南逐渐递减,由东向西逐渐递减；沿岸水体总颗粒悬浮物浓度大于太湖中央水体总颗粒悬浮物浓度。太湖水体总悬浮颗粒物浓度的变化与风速之间具有较强的关联性,当无机颗粒物主导时,总悬浮颗粒物浓度变化主要受沉积物的再悬浮和沉降影响,根据此量可以近似估算沉积物再悬浮量和总磷的释放量。浮游植物时空分布同样受到风速影响,风力对于蓝藻分布具有双重影响,当风速较低时(风速小于4ms-1),风力主要影响蓝藻的水平漂移,当风速较大时(风速大于5ms-1),风力将影响蓝藻的沉降。