基于SentineL-3A OLCI数据的太湖水体漫衰减系数遥感估算研究

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太阳光透射进入水体后,受到水体中的水分子、悬浮颗粒物、浮游植物和有色可溶性有机物(CDOM)等水体组分吸收和散射作用的影响,其辐照度随水深增加呈接近指数式的衰减。向下辐照度漫衰减系数(diffuse attenuation coefficient of downwelling irradiance,Kd,简称漫衰减系数),是表征水下光场的主要参数,直接决定着水中的光强和光场结构,在水体浑浊度、输沙和底泥再悬浮、上层水体热量传输、浮游植物光合作用和自然水体初级净生产力等方面发挥着重要的作用。相较于船载或平台的常规测量方法,卫星遥感是大范围获取漫衰减系数最为省时、有效和快速的方法;其中,490nm处向下辐照度漫衰减系数(Kd(490))是最为常用的水色遥感标准产品之一。OLCI(Ocean and Land Colour Imager)传感器是搭载在Sentinel-3A卫星上的有效光学载荷之一,发射于2016年2月,是延续MERIS(MEdium Resolution Imaging Spectrometer)传感器进行全球海洋水色观测的新一代水色卫星传感器。OLCI传感器光谱波段更多且更适合内陆水体,稳定性更强,特别是拥有300m空间分辨率的全分辨数据集(Full Resolution data,FR),在内陆水体观测上有着很好的应用前景。然而,目前Kd(490)遥感估算算法具有很大的空间和季节局限性,且针对不同的卫星波段选择差异较大,尚没有统一的适用于内陆湖泊水体的算法,也未见有针对OLCI传感器的算法。因此,针对OLCI数据的区域性的Kd(490)遥感估算算法仍有待开发。  本研究以中国第三大淡水湖——太湖为研究区,基于2008-2017年7次野外试验数据,分析了太湖水体光学特性;然后,利用OLCI传感器与实测数据的星-地同步数据集构建了太湖水体Kd(490)遥感估算算法;最后,利用2016年11月至2018年1月OLCI数据构建了Kd(490)长时间序列数据集,并分析了太湖水体时空分布规律和主要影响因素。结果表明:  (1)太湖水体呈现出高悬浮物、高叶绿素浓度、高漫衰减系数和低透明度的特征;漫衰减系数主要受水体无机悬浮物吸收和散射控制,其次是有机悬浮物、浮游植物色素,CDOM的影响较小;不同波长间漫衰减系数具有很好的相关性(r>0.92,p<0.001)。  (2)基于OLCI传感器和野外观测的星-地同步数据集,发现双比值(681/560和754/560)算法具有较高精度(R2=0.81,RMSE=0.99m-1,RMSErel=25.36%,MNB=2.81%,NRMS=25.73%),可用于太湖水体的Kd(490)估算;与已有算法相比,双比值算法具有更高的准确性,可以减少大气和环境因素的影响,也更适用于藻类分布较多的富营养化湖泊。  (3)利用6S模型对OLCI数据进行大气校正,并将双比值算法应用于2016年11月-2018年1月期间OLCI数据,构建了太湖水体Kd(490)长时间序列数据集,发现太湖水体Kd(490)呈现出显著的时空差异。空间上,西南湖区Kd(490)最高,其次是湖心区,各个湖湾区域普遍较低;季节上,太湖水体冬季Kd(490)最高(7.96±2.03m-1),其次是春季(7.21±2.05m-1)和秋季(6.20±1.41m-1),夏季Kd(490)最低(3.67±1.16m-1)。此外,发现OLCI数据与MODIS数据Kd(490)估算结果具有较好一致性,为未来研究更长时间尺度Kd490)变化奠定了基础。  (4)风浪引起的底泥再悬浮是太湖水体Kd(490)变化的主要驱动因素,开阔的湖心区受风的影响远大于湖湾区域;另外,太湖水体Kd(490)变化通常滞后于风速变化12小时左右。此外,降水事件一方面会使河流径流携带大量悬浮泥沙进入湖体,导致水体Kd(490)增大;另一方面也会使河流径增加稀释入湖河口处悬浮物浓度,导致水体Kd(490)降低。
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