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内陆水体光学特性与富营养化遥感评估取得阶段性进展——中国科学院“百人计划”东北地理与农业生态研究所水环境遥感学科组宋开山研究员

2016-06-23

近几十年来,我国社会经济快速发展,但污染治理设施与管理相对滞后,同时由于氮磷等营养物质的不断输入,致使我国大部分湖泊呈现富营养化趋势。据统计,20世纪80年代,全国26个重要国控湖库只有61%处于富营养状态,而现在已近90%。全国湖泊总面积约91 000平方公里,在2015年发生富营养化的面积接近8 000平方公里,除青藏高原湖泊区(面积约占49%),其他湖泊分布区都不同程度地呈现富营养化趋势。传统定点、定期采样分析的方式难以掌握大型湖泊或偏远地区湖泊的富营养化时空变化趋势,而遥感技术能够通过水的光学特性对湖泊的富营养化进行评估,可为全面了解湖泊的富营养化时空动态提供重要的技术支撑。

水体固有光学特性(IOPs,包括吸收与散射)与水体表观光学特性(AOPs,包括遥感反射率与离水辐亮度等)的关系是进行水体富营养化评价的关键。在中国科学院“百人计划”、国家自然科学基金项目(41171293,41471290)以及美国NASA项目(NNG06GA92G)的支持下,中国科学院东北地理与农业生态研究所宋开山研究员带领水环境遥感学科组,在内陆湖泊水体光学活性物质的吸收特性、荧光特性及其藻类丰度主要指示性色素——叶绿素-a(Chl-a)与藻清蛋白(PC)智能算法和半解析模型遥感反演算法等方面取得新的研究进展,相关研究成果发表在遥感和环境科学领域的国际主流学术期刊上(Remote Sensing of EnvironmentEnvironmental Science and Pollution ResearchBiogeosciencesHydrology and Earth System Sciences),为内陆浑浊水体水环境遥感算法及业务性应用奠定了技术基础。

学科组成员与美国印第安纳大学李林教授进行合作,开发了自适应智能算法GA-PLS,对内陆重要湖泊和城市水源地的Chl-a进行了遥感算法研究。该项研究同时使用了美国中西部水体、南澳大利亚水体、长春市水源地、太湖等实测数据(n = 1 160),水质参数变化梯度大,具有很好的代表性。结果表明GA所选取的波段与半解析模型的特征波段基本一致。研究证明,在有代表性的大样本训练下,GA-PLS模型可以直接用于水体Chl-a浓度估算。

课题组以三波段模型对蓝藻指示性色素PC进行浓度估算,为蓝藻爆发的遥感监测提供理论与技术支撑,同时也为其他地区湖泊富营养化遥感监测与动态分析提供了技术支持。PC的实验室分析一直以来是技术难点,该研究采用YSI水质仪的PC探头获取的蓝藻浓度与遥感反射率构建了三波段模型。与实验室分析结果对照表明,YSI水质仪与高光谱遥感有机结合,可快速进行蓝藻爆发、水体富营养化现状评价,为水资源管理与污染治理决策提供依据。

水体中有色溶解性有机物(CDOM)作为水色遥感三个重要组分之一,其含量与光学特性会显著改变水色及水下光强分布。中国科学院东北地理与农业生态研究所水环境遥感学科组成员基于对蒙新-青藏高原重要内陆水体的水质参数和CDOM光吸收的实测数据分析,发现内陆水体中总悬浮物(TSM)、总氮(TN)和电导率(EC)与光学活性物质的光吸收特征具有较强相关性。对CDOM的光吸收特征参数(SUVA254,E250:365,Sr)分析表明,东北地区高原河流水体中的CDOM物质较其他地区相比具有更高的溶解性有机物(DOC)浓度、CDOM光吸收系数和CDOM自生性。此外,课题组还通过三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术,分析了松嫩平原半干旱区湖泊中CDOM吸收特性及荧光组分的季节变化特征,结果表明水体中CDOM类腐殖质组分与类蛋白组分的荧光强度都有较明显的季节性波动,且CDOM光吸收系数与类腐殖质峰存在高度正相关。

专家简介

宋开山,1974年生,博士,研究员,博士生导师,中国科学院“百人计划”A类入选者。中国科学院东北地理与农业生态研究所水环境遥感学科组组长,《地理科学》编委,中国地理学会湖泊分会委员,吉林省遥感学会常务理事。主要从事内陆水生环境遥感监测与区域环境变化遥感反演研究。主持国家自然科学基金项目、中国科学院知识创新工程重要方向项目、国家973计划项目(专题)等10余项。以第一作者和通讯作者发表论文100余篇,其中SCI论文32篇;主编、合编专著各1部。曾获2013年第十二届中国青年地理科技奖(个人奖励)、2013年吉林省自然科学二等奖、2014吉林省自然科学学术成果奖一等奖。