內陸湖泊顆粒有機碳(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)利用最關鍵的生態(tài)學要素之一，碳在海洋與湖泊中的行為及由碳引導的生物泵過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。顆粒有機碳雖然占總碳很小部分，但由于其沉降作用決定了POC在固碳及向下運輸相關元素方面扮演著重要角色，具有生物泵的功能。遙感作為一種技術手段，能夠快速、宏觀的監(jiān)測顆粒有機碳濃度時空變化。目前大洋水體顆粒有機碳(POC)反演模型較為成熟，但內陸水體顆粒有機碳遙感反演研究相對較

2、少，所以研究內陸水體顆粒有機碳遙感反演算法對利用遙感手段宏觀監(jiān)測內陸水體POC時空變化情況有十分重要的意義。
　　本文主要利用太湖、洞庭湖野外實測數(shù)據(jù)（88個實測數(shù)據(jù)），構建了內陸湖泊顆粒有機碳的遙感反演模型，包括經驗模型及半分析模型，并利用2013年MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對太湖地區(qū)POC濃度時空變化情況進行了分析，主要研究內容和結論可以概括4個方面。
　　(1)簡單經驗反演模型的構建。首先利用內陸湖泊實測數(shù)據(jù)對大洋水體PO

3、C遙感反演方法進行了驗證，發(fā)現(xiàn)大洋水體POC遙感反演算法在內陸水體并不適用，因此構建了適用于我國內陸湖泊的POC經驗估算模型。構建的三種經驗模型中，基于825nm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建。研究發(fā)現(xiàn)內陸湖泊水體顆粒有機碳的主要來源為非色素顆粒有機物和色素顆粒物，二者比例差異導致了估算精度的差異。為了進一步提高POC反演算法的精度，首先

4、根據(jù)光學特征對水體進行分類，利用構建的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)之間較好的相關性，最終將水體分為色素顆粒物主導(NDT＞0.45)和非色素顆粒物主導水體(NDT＜0.45)，并針對不同類型的水體分別構建了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％;色素顆粒物主導水體的POC濃度可以用825nm及550nm波段比值進行估算，模型RMSE為0.63mg/L，MAPE為28％。分類反演精度比簡單經驗模型得到顯著提高。
　　(3)半分析模型的構建。由于經驗模型較大的依賴實驗數(shù)據(jù)集，為了使得模型更具通用性，在分析水體光學特征的基礎上進一步發(fā)展了POC遙感反演的半分析模型。在結合大量的吸收系數(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。相對于經驗模型而言，半分析模型的反演精度有很大提高，并具備更優(yōu)異的普適性和穩(wěn)定性。
　　(4)模型應用的實例展示。根據(jù)MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的波段特點，選取已構建的經驗模型對模型的參數(shù)進行率定，使其適用于MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。并利用MODIS數(shù)