文献总结 | RSE:基于中等分辨率水色传感器的湖泊反射率和叶绿素浓度反演

文摘   2024-08-01 19:27   北京  

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研究背景
RESEARCH BACKGROUND
内陆水体是全球重要的资源,提供饮用水、支持旅游业、保障粮食安全和维护生物多样性。然而,这些水体对环境变化极为敏感,容易受到人类活动的影响,导致水质和生态功能下降。水色被认为是一种关键的气候变量,可用于监测湖泊的物理和生物地球化学属性的变化。为了满足高频率和广泛覆盖的观测需求,需要利用多种传感器进行遥感监测。目前的研究主要集中在使用MERIS和OLCI传感器,但这些传感器在观测时间上存在空白,需要其他传感器如MODIS-Aqua来填补。
浮游植物是水生生态系统的重要组成部分,其中叶绿素a (Chla) 是其主要的光合色素。通过光学遥感测量水色变化可以估算浮游植物生物量。然而,不同传感器和算法在Chla估算上的表现存在差异,因此需要对MODIS-Aqua数据进行重新校准和验证。
研究方法

本研究采用多源数据,包括卫星遥感数据和实地观测数据。验证数据集包括来自全球湖泊和内陆水体的17个独立数据集,这些数据集由LIMNADES提供。综合数据集包含1982个遥感反射率(Rrs, sr1)和28726个叶绿素a(Chla,mg/m3)的实测值。

从MODIS影像中筛选与实测数据在±1天内的图像作为卫星数据,并计算实测点周围3 × 3范围内所有有效像素的中值,以评估算法的性能。最终筛选出937组Chla和243组遥感反射率的星地同步数据,图1展示了这些匹配数据的全球分布情况。利用实测数据对MODIS的两种大气校正算法L2gen和POLYMER进行了评估。

图1 (a)实测数据分布,(b) 叶绿素-a浓度(c) 488nm和(d) 667nm波长处的Rrs频率分布

本研究评估了9种Chla反演算法,包括三种蓝绿波段比值算法,三种近红外-红波段比值算法,一种峰值高度算法和两种半分析算法。

表1 9种Chla反演算法
研究结果
本研究评估了POLYMER和L2gen两种MODIS大气校正算法。结果显示,这两种算法在所有波段的校正结果与实测数据之间均存在显著的相关性。其中,POLYMER在547 nm波段的相关系数最高,为0.83;L2gen在555 nm波段的相关系数最高,为0.85。综合所有评估波段和统计数据,POLYMER算法表现出更优的性能。

图2 大气校正算法评估

9种Chla反演算法结果表明,OCX、R748_667和QAA算法表现出较高的精度。特别是,OC2和OC3算法分别具有0.66的相关系数和约40%的归一化均方根误差,与实测数据较为一致。然而,Shi、Appel和FLH算法的表现相对较差。

图3 Chla反演算法评估

OCX算法在大多数OWTs中表现优于其他算法,而R748/667算法在Chla浓度最高的三个OWTs(4, 6, 11)中表现最佳。

表2 Chla反演算法在不同OWTs下的适配性

在对48个湖泊的研究中,MERIS、OLCI和MODIS的跨传感器验证结果显示出良好一致性。在所有评估波段中,MODIS与OLCI之间的相关性和一致性优于MODIS与MERIS之间的相关性。特别是555 nm波段表现出最佳的稳定性,MODIS与MERIS的相关系数为0.92,均方根误差为0.0119,平均绝对百分比误差为13.2%。

图4 不同传感器间的一致性检验

以Sevan湖、Chardarinskoye湖和Razelm湖为例,进一步说明了在时间序列中各传感器之间的稳定性。结果表明,不同湖泊的跨传感器稳定性有所不同。Sevan湖的观测结果显示出良好的跨传感器一致性,在555 nm波段,MODIS与MERIS和OLCI的变化趋势相同,且相关性较强。此外,MODIS反演出的Chla数据也显示出与MERIS和OLCI观测结果一致的季节性变化趋势。对于Chardarinskoye湖来说,跨传感器的稳定性中等。而相比之下,Razelm湖的跨传感器稳定性较差,无论是Rw(555)还是Chla数据,相关性都较弱。

图5 跨传感器稳定性比较分析

选择了2009年10月5日和2019年9月24日的MODIS与MERIS和OLCI重叠观测数据,对Sevan湖泊中不同传感器在空间变化上的一致性进行了评估。结果显示,MODIS反演出的Chla数据与MERIS和OLCI观测结果在空间分布上具有良好的一致性。特别是在湖泊的西北部,Chla浓度较低,而在东南部则浓度较高。

图6 Sevan湖不同传感器Chla浓度空间分布比较
为了展示连续长时间序列卫星观测的应用,以Sevan湖为例,对湖水水位(LWL)、湖表水温(LWST)和Chla的年际变化趋势进行了分析。结果显示,自2002年以来,当地政府采取了提高湖水水位的措施,以恢复湖泊的自然生态。随着湖水水位的升高,Chla浓度在2010年至2016年间呈下降趋势,并保持在较低水平。然而,近年来,Chla浓度呈逐渐上升趋势,并在2017年至2020年间保持在较高水平。

图7 (a)湖面水位、(b)湖表水温和(c)Chla浓度的季节性变化趋势
总结讨论
本研究评估了MODIS/Aqua传感器在全球范围内反演Chla浓度的适用性。结果表明,使用MODIS传感器时,POLYMER大气校正算法的性能优于L2gen。
MODIS反演出的Chla数据在48个内陆水体中显示出较高的长期稳定性,表明MODIS传感器能够有效地弥补MERIS和OLCI之间的观测空白,为湖泊水色研究提供了连续的长时间序列数据。
✎ 编者注

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原文链接 ↓
https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114120

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团队介绍

湖泊遥感与智慧流域创新团队,主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作,并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究,保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师4人(段洪涛,罗菊花,刘东,谭振宇),可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学(国科大南京学院联合培养)等招收博、硕士研究生,欢迎报考!同时,长期招收联合培养研究生,欢迎咨询!

联系人:段洪涛研究员,htduan@niglas.ac.cn

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