東北地理所在湖泊富營養(yǎng)化遙感估算研究中取得新進(jìn)展
湖泊富營養(yǎng)化一直是內(nèi)陸水體生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，其導(dǎo)致的水體缺氧、魚類死亡、藻華頻發(fā)及水體功能喪失等問題已引發(fā)全球關(guān)注。近幾年，研究發(fā)現(xiàn)一些飲用水源也出現(xiàn)了富營養(yǎng)化甚至有藻華暴發(fā)，這給本就匱乏的淡水資源帶來了更大的威脅，富營養(yǎng)化已然成為人類面臨的水生態(tài)系統(tǒng)健康安全的重大問題。在諸多應(yīng)對策略中，對內(nèi)陸水體實(shí)現(xiàn)大尺度快速的營養(yǎng)狀態(tài)評價是極其重要的一環(huán)。
湖泊富營養(yǎng)過程復(fù)雜，涉及諸多因素，如營養(yǎng)鹽過剩、浮游藻類瘋長、溶解氧下降、透明度下降等，其定量及評價方法也各不相同。傳統(tǒng)的檢測評價方法有單一指標(biāo)評價法和綜合指標(biāo)評價法，需要大量的實(shí)地采樣且測試費(fèi)用昂貴。富營養(yǎng)化過程中藻類增加和透明度下降可改變水體光譜特征，這為遙感估算富營養(yǎng)化指數(shù)（TSI）帶來了機(jī)會。因此，本研究于2020年9-10月份在東北地區(qū)選取了7個不同營養(yǎng)等級的湖泊，分析了相關(guān)生物化學(xué)指標(biāo)和實(shí)測高光譜數(shù)據(jù)，識別出與TSI密切相關(guān)的四個特征波段：443nm、575nm、680nm和710nm，然后基于這四個波段運(yùn)算組合與TSI中三個參數(shù)TP、SDD、Chla的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系建立了湖泊富營養(yǎng)化遙感估算方法。
研究結(jié)果表明此估算方法具有較高的估算精度（R2=0.88，RMSE=3.87，MRE=6.83%）。同時，根據(jù)Ternary制圖我們發(fā)現(xiàn)即便處于同一營養(yǎng)等級，湖泊富營養(yǎng)化的控制因子卻各不相同，例如蛤蟆通水庫和小興凱湖都是中度富營養(yǎng)化水體，但前者以葉綠素（Chla）為主控因子，其貢獻(xiàn)率為45.4%，后者則以總磷（TP）為主控因子（66.8%）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，使用單一參數(shù)估算湖泊營養(yǎng)狀態(tài)時會帶來很大誤差，所以本研究呼吁未來湖泊富營養(yǎng)化評價應(yīng)使用多參數(shù)綜合指標(biāo)估算法。這些發(fā)現(xiàn)為未來利用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大尺度高頻次的內(nèi)陸水體富營養(yǎng)化檢測提供了理論和方法基礎(chǔ)，為水生態(tài)環(huán)境管理及決策制定提供有力支持。
該研究成果發(fā)表在國際期刊Optics Express上，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所博士研究生呂麗麗為第一作者，溫志丹副研究員為通訊作者。
該研究得到了國家重點(diǎn)計劃課題（2019YFC0409105）和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（41730104, 42001311, 42171385）等共同資助。
圖1. 各參數(shù)及綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)實(shí)測值與估算值散點(diǎn)圖，(a): TSI(TP)、(b): TSI(SDD)、(c): TSI(Chla) 和(d):TSI。
論文信息如下：
Lili Lyu, Kaishan Song, Zhidan Wen*, Ge Liu, Yingxin Shang, Sijia Li, Hui Tao, Xiang Wang, Junbin Hou. Estimation of the lake trophic state index (TSI) using hyperspectral remote sensing in Northeast China. Optics Express, 2022, 30(7),10329-10345.
鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.453404.
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