【摘 要】
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长江中下游流域是我国淡水湖群分布最集中的区域,在全球变暖与密集人类活动的双重压力下,湖泊生态环境遭受了不同程度的破坏。卫星遥感能够为地表研究提供客观、大范围、长时序的数据集,其中Landsat系列卫星自1972年发射起,更保持了长达数十年的连续观测,在追溯内陆湖泊水环境历史方面具有很高的应用潜力。由于水的高吸收、低反射特性,使得在将卫星遥感数据应用于水环境研究时,必须尽可能地去除大气信号。但是La
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长江中下游流域是我国淡水湖群分布最集中的区域,在全球变暖与密集人类活动的双重压力下,湖泊生态环境遭受了不同程度的破坏。卫星遥感能够为地表研究提供客观、大范围、长时序的数据集,其中Landsat系列卫星自1972年发射起,更保持了长达数十年的连续观测,在追溯内陆湖泊水环境历史方面具有很高的应用潜力。由于水的高吸收、低反射特性,使得在将卫星遥感数据应用于水环境研究时,必须尽可能地去除大气信号。但是Landsat卫星是针对陆地应用设计的,相比于常用于水色研究的MODIS等卫星,信噪比较低、缺乏水色波段等差异使得其在替代定标和大气校正阶段的难度更大。此外,水体颜色是反映水质综合状态的一个重要指标。目前对长江中下游流域湖泊水环境的遥感研究多集中在水面积、水量、传统水色参数等方面,对流域尺度的湖泊水色乃至水质的广泛调查较为欠缺。因此,本文在验证和比较了Landsat-8 OLI数据现有的多种替代定标系数和大气校正方法的基础上,获取了综合性能最佳的Landsat-5/8大气校正方法产品(Landsat-7因条带问题不作考虑,故缺失2012年数据),进而利用水体颜色指数(FUI)模型来研究1984-2018年间长江中下游流域湖泊的水色长时序变化,以及影响水色时空动态的驱动因素。本文完成的工作和主要结论包括:(1)大气校正与替代定标方法的对比验证:使用AERONET-OC实测数据集评估和比较3种替代定标系数和5种大气校正方法的校正效果。结果表明,整体性能最佳的针对Landsat OLI影像的大气校正方法是基于NIR/SWIR1的指数外推法,继而可以用具有较高精度的遥感反射率(Rrs)产品来获取更加精确的水色反演结果。验证的替代定标系数是Pahlevan-R、Pahlevan-L和Unity;验证的大气校正方法有:三种不同波段组合的指数外推法、基于图像的暗光谱拟合法、Landsat地表反射率产品、一种简单的气溶胶校正方法和基于NIR/SWIR2波段组合的NIR迭代算法。(2)湖泊水色长时序变化过程的分析:选取水体颜色指数(FUI)模型中的一个中间变量(具有连续值的色调角)作为分析的立足点,对长江中下游流域61个大型湖泊35年间的湖泊水色变化进行了聚类分析,最终将湖泊水色的多年年际变化归为三类:第一类湖泊的水色整体偏向黄色至棕色,且在中间年份有色调角下降的趋势,即水色偏向绿色,甚至蓝色;第二类湖泊水色整体上也偏向黄色至棕色,但是近年来色调角增大,即水色进一步加深;第三类湖泊水色整体颜色偏向绿色至蓝色,不过没有统一的明显水色年际变化趋势。以变化率和显著性水平这两个统计指标的量化分析结果来看,41%的湖泊水色呈现出显著水色年际变化,其中16个湖泊呈现明显负变化(水色偏向绿色至蓝色,即水体营养水平下降),9个湖泊呈现明显正向变化(水色偏向黄色至棕色,即水体营养水平增大)。(3)自然因素作为湖泊水色驱动因素的分析:引入自然因素数据集(径流、风速、归一化植被指数NDVI)作为影响水色动态变化的驱动因素,结果表明,在61个湖泊中,共有33个湖泊水色的多年季均值变化与自然因素显著相关。尽管皮尔逊相关系数(R)最高仅为0.5左右,但分别有10个、7个和22个湖泊水色表现出与径流、NDVI、风速的变化有显著相关性,其中受风速驱动的湖泊数量最多。因为该流域的大部分湖泊属于浅水湖泊,风容易引起湖泊内不同水层的扰动,甚至是湖底物质的再悬浮,使得表层水变得更加浑浊,反映在水色指标上即带来色调角的增大。(4)量化围垦对湖泊水色的影响:基于获取的围垦数据集,抽样选取了151组围垦点对(围垦点、自然水体点和湖泊中的对照点),通过设置空间对照组和时间对照组,利用统计指标明确了围垦区与自然水体区水色的时空差异;分别以北麻漾湖和严西湖的一个围垦为例,随着围垦形成的时间越来越久,围垦区与自然水体区发生了不同的水色变化趋势,但它们之间的绝对差异都显著增大,表明部分围垦与自然水体的水色会受到湖水阻断的影响而产生时空差异。此外,围垦区和对应湖泊区的实测水质参数数据(叶绿素a浓度和溶解有机碳浓度)的对比再次证明围垦可以改变湖泊的水质状况,水质的改善和恶化均有可能发生。
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