讓中國湖泊更「透明」

2020-08-16 中科院之聲

如果說山峰是地球的脊柱，那麼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）對於湖泊水質和光學特徵的重要性。

透明度是評價湖泊富營養化的一個重要指標，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，對湖泊生態環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。但是隨著社會和經濟的發展，湖泊卻在不斷遭到侵蝕與破壞，昔日魚米之鄉，如今魚蝦匱乏，湖泊萎縮和水質惡化等問題不斷凸顯。藻類的生長狀態、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，對水質環境變化以及水產養殖產生直接影響。

但由於中國內陸湖泊光學組分複雜，傳統的透明度測量方法無法滿足對湖泊SD進行大範圍長時序監測的需求，不具有較強的時效性和可重複性。中國科學院東北地理與農業生態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遙感數據仍然是SD區域遙感監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數據的獲取、遙感影像數據的大氣校正、具有時空可移植性模型的構建是讓中國湖泊水體更『透明』的關鍵。」

中國科學院東北地理與農業生態研究所水環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次野外調查分析，共採集了200餘個湖泊的野外數據。以野外採樣日期與過境Landsat 8影像相差7天為標準，篩選得到了1792個星地匹配數據。最終基於實測數據與Landsat OLI遙感數據，構建了一種新的基於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據的參數化，模型的穩定性和魯棒性均得到了大幅度的提高。該算法結合GEE雲平臺，基於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果，首次實現了30米解析度全國湖泊SD遙感反演（圖2）。

圖2 不同湖區湖泊透明度頻率直方圖

本研究表明，Landsat影像經過瑞利散射校正後，與現場觀測的數據相結合，可以實現湖泊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範圍的湖泊SD長時序反演估算。宋開山研究員介紹，本次研究成果的創新之處，在於構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，與衛星進行了有效匹配，具有較強的穩健性。據介紹，該研究成果前期的預研究結果，已得到相關環保部門的應用；採用該方法構建的模型，也應用到今年黑龍江呼蘭河汙染事件中，監測被汙染呼蘭河的水體透明度。目前，該課題組正與生態環境部、科技部等相關部門溝通，將算法與成果共享，為中國內陸水體透明度監測提供技術服務。

水是生態環境的控制性因素，人水和諧是人與自然和諧共生的重要標誌。建設「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願望。中國國家尺度的湖泊透明度高精度製圖可支撐國家湖泊生態系統的精細評估，該成果可以推廣應用於各地環境監測部門，為湖泊保護和管理提供決策依據。

來源：中國科學院東北地理與農業生態研究所

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