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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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内陆水体CDOM荧光特性及遥感反演研究

赵莹  
【摘要】:内陆水体一般包括湖泊、水库、河流及城市水体等,由于受到时空变化和人类活动的影响,内陆水体的光学性质较为复杂。不同区域内或者同一研究区不同的水体类型,溶解性有机碳(DOC)浓度和有色溶解有机物(CDOM)光学特性之间存在着较大的差异。通常选取CDOM的吸收系数表征CDOM浓度,通过三维荧光光谱(EEM)表征CDOM荧光组分。利用平行因子分析方法(PARAFAC)或体积积分方法(FRI)分离出不同的CDOM荧光组分,进而分析CDOM荧光组分或者吸收系数与DOC浓度之间的相关性,为遥感估算内陆水体DOC浓度奠定基础。本论文主要选取东北地区的湖水,全国流域内(松花江、辽河、海河、黄河和淮河、长江、珠江和内流区)的河水以及典型代表性的东北地区(哈尔滨市,长春市和沈阳市)和华北地区(北京市和天津市)的城市水体DOC浓度以及CDOM吸收与荧光进行研究,并利用遥感影像对黑龙江与松花江交汇处的水体CDOM浓度进行反演,主要得出以下主要结论:1.东北地区的湖泊群的DOC浓度在不同水体和不同季节之间存在着明显差异,微咸水湖泊高于淡水湖泊(t-检验,p0.001);冬季结冰期的冰下水体明显高于非冰期湖泊水体(t-检验,p0.001)。通过EEM-PARAFAC方法分离出CDOM荧光组分,主要包括类腐殖质组分和类蛋白组分(类色氨酸和类酪氨酸组分)。每一种CDOM荧光组分的平均荧光强度在不同的湖泊水体中会呈现出一定的不同,主要受到盐度、污染源、土地利用/土地覆盖及季节变化的影响。2.对东北地区(哈尔滨市,长春市,沈阳市)和华北地区(北京市和天津市)的城市水体DOC浓度研究发现,受污染的水体明显高于清洁水体;东北地区的景观城市水体明显高于华北地区的景观城市水体(t-检验,p0.001)。通过EEM-PARAFAC方法分离出CDOM荧光组分,主要包括类腐殖质组分和类蛋白组分(类色氨酸和类酪氨酸组分)。随着从华北地区到东北地区的过渡,水体中类腐殖质成分基底值逐渐增大;随着污染水平的增大,类色氨酸组分的荧光强度逐渐增大。3.由于受到气候,水文以及地理特征的影响,全国各个流域的河水的平均DOC浓度呈现出明显的不同,其中四个流域(海河,黄河和淮河,长江和内流河)内的DOC浓度的平均值处于2.0–6.0 mg L~(-1)。DOC浓度的平均值的最小值出现在珠江流域,最高值出现在辽河流域。处于东北地区的松花江流域DOC浓度明显低于辽河流域的DOC浓度(t-检验,p0.001),这主要是由于辽河流域受到了严重的污染,DOC浓度大大增加。通过EEM-FRI方法划分出五个荧光区域:类酪氨酸,类色氨酸,微生物作用产生的类蛋白,类腐殖酸和类富里酸区域。这五种荧光区域的荧光强度在各个流域内存在着一定的差异,即使在同一流域内也存在着明显的差异。4.对于不同的湖水,河水以及城市水体,随着波长的增加,CDOM吸收系数a(254)、a(280)、a(350)、a(355)与DOC浓度之间的相关性逐渐减弱。由于受到人类活动的严重影响,城市水体的CDOM吸收系数与DOC浓度之间的相关性变得比较复杂。对于河水,在松花江流域,辽河流域,海河流域和青海湖流域,CDOM吸收系数a(254)与DOC浓度均存在着较强的相关性。5.在利用实测的高光谱反演松花江与黑龙江交汇处水体CDOM浓度的模型中,单波段,一阶微分和波段比模型均可以取得较好的结果,其中模型的精度顺序为:一阶微分单波段波段比。利用遥感卫星数据Landsat 8/OLI和Sentinel 2B分别对水体CDOM浓度进行空间反演均得出单一波段可以用于指示松花江与黑龙江交汇处CDOM浓度的空间变化。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X87

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