【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(gè)清澈的湖泊可以傳達(dá)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(duì)于湖泊水質(zhì)和光學(xué)特征的重要性。
透明度是評(píng)價(jià)湖泊富營養(yǎng)化的一個(gè)重要指標(biāo)，它的變化主要受湖水中光學(xué)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(chǎng)的重要指標(biāo)之一，對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境研究具有重要的科學(xué)及實(shí)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(cái)富之一。但是隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)狀態(tài)、懸浮物濃度以及可溶性有機(jī)物直接影響湖泊透明度和水下光場(chǎng)分布，對(duì)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(xué)組分復(fù)雜，傳統(tǒng)的透明度測(cè)量方法無法滿足對(duì)湖泊SD進(jìn)行大范圍長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)的需求，不具有較強(qiáng)的時(shí)效性和可重復(fù)性。中國科學(xué)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(zhǎng)時(shí)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(cè)研究中難以攻克的難題，其中覆蓋不同類型水體的光學(xué)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(shí)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(xué)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(tuán)隊(duì)充分考慮這些因素，對(duì)全國湖泊水體SD進(jìn)行了歷時(shí)6年共計(jì)34次野外調(diào)查分析，共采集了200余個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，篩選得到了1792個(gè)星地匹配數(shù)據(jù)。最終基于實(shí)測(cè)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(lán)波段比值的中國湖泊透明度遙感估算模型，通過覆蓋整個(gè)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(tái)，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(shí)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(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)湖泊SD的定量反演（面積為>8 ha）。同時(shí)該方法也表明利用Landsat遙感影像可以進(jìn)行全國或更大范圍的湖泊SD長(zhǎng)時(shí)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(gè)相對(duì)具有大尺度反演能力且能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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(jìn)行了有效匹配，具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。據(jù)介紹，該研究成果前期的預(yù)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(cè)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(cè)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(biāo)志。建設(shè)“天藍(lán)，地綠，水清的美麗中國”，這是一幅美好藍(lán)圖，也是我們夢(mèng)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(xì)評(píng)估，該成果可以推廣應(yīng)用于各地環(huán)境監(jiān)測(cè)部門，為湖泊保護(hù)和管理提供決策依據(jù)。
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