STOTEN|全国尺度湖泊溶解有机碳浓度遥感算法

文摘   2024-12-18 08:13   天津  

文章信息

第一作者:刘东 副研究员

一作单位:中国科学院南京地理与湖泊研究所

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.177117

亮点

• 淡水湖和咸水湖中溶解有机碳(DOC)的光学性质有显著差异。
基于全国数据开发了一种混合机器学习算法来计算DOC浓度。
首次使用OLCI/Sentinel-3数据绘制了全国大型湖泊DOC浓度。
中国湖泊DOC浓度总体呈西北高、东南低空间分布特征。

研究进展

湖泊水质、碳循环与溶解有机碳(DOC)浓度密切相关。虽然目前已经提出了一些区域尺度的湖泊DOC浓度遥感反演算法,但要在更大范围内可靠地反演湖泊DOC浓度,还需要进一步确认算法的鲁棒性。基于中国不同区域55个湖泊的生物光学同步测量数据,本研究旨在开发可行的卫星遥感算法,从而实现从OLCI/Sentinel-3卫星影像反演全国尺度的湖泊DOC浓度。主要包括三个目标:(1)比较淡水湖和咸水湖DOC的生物光学性质差异;(2)开发从卫星数据获取DOC浓度的算法;(3)揭示中国湖泊DOC浓度的空间格局。

淡水湖、咸水湖DOC浓度与生物光学因子相关性存在差异。与盐湖相比,淡水湖的Chl-a浓度较高,而DOC浓度较低,且DOC浓度随Chl-a浓度呈指数增长;然而,盐湖中DOC浓度与Chl-a浓度呈线性相关。因此,研究区分淡水湖和咸水湖,然后对比了三种传统线性回归算法精度。淡水湖DOC浓度估算的MAPD、RMSE和偏差分别为35.05~39.79%、3.00~3.12 mg/L和-5.83~-0.01%,而咸水湖分别为87.12~123.95%、21.22~35.50 mg/L和-38.52~0.01%;当淡水湖和咸水湖合并时,MAPD、RMSE和偏差分别为55.68-66.44%、12.61-18.99 mg/L和-23.17--2.15%(图1)。因此,基于波段比值、αCDOM(λ)和SCDOM(λ)的线性回归方法不适用于遥感反演全国尺度湖泊DOC浓度。

图1 不同模型得到的DOC浓度验证结果。(a)基于波段比值的线性回归模型;(b)基于αCDOM(280)的线性回归模型;(c)基于αCDOM(280)和SCDOM(280)的线性回归模型;(d)神经网络模型。
与传统线性回归模型相比,以遥感水反射率为输入的神经网络模型预测DOC浓度精度更高,但对于盐湖还存在较大误差。为了减少DOC浓度估算误差,研究考虑了与湖泊DOC浓度相关的湖泊/流域特性。结果表明:(1)水体反射率数据仅适用于反演淡水湖DOC浓度;(2)当同时使用水体反射率和湖泊/流域属性时,反演结果仅有细微提高;(3)湖泊/流域性质可以用于估算淡水湖和咸水湖的DOC浓度(图2)。此外,淡水湖具有高度时空变化的DOC浓度,而咸水湖没有,研究推荐用水体反射率反演淡水湖DOC浓度,而用湖泊/流域属性估算盐水湖DOC浓度,并构建了一种适用于全国湖泊DOC浓度反演的神经网络算法,模型对测试数据集的精度为18.16%。

图2 神经网络结构和DOC浓度模拟结果。(a)神经网络结构;(b-j)为不同输入输出情形下的最优模拟结果。“HL1:10,purelin”表示第1隐含层的节点数为10,激活函数为“purelin”。
对河口(洞庭湖)、湖湾(洞庭湖)和藻华(滇池和太湖)等水域,所构建的神经网络模型能反演得到高DOC浓度结果。进而,将开发的神经网络模型应用于2017年7月的OLCI/Sentinel-3卫星影像,从而反演得到全国370个湖泊的月平均DOC浓度。全国湖泊DOC浓度总体呈“西北高、东南低”的空间分布,西北蒙新和青藏高原区域湖泊的平均DOC浓度分别为50.00±34.52 mg/L和53.90±34.01 mg/L,而东南云贵高原和东部平原湖泊的平均DOC浓度分别为12.10±6.96 mg/L和12.90±1.63 mg/L。不同湖区淡水湖的DOC浓度均显著低于咸水湖,且97.93%淡水湖DOC浓度低于20 mg/L,而盐湖只有2.67%。
图3 中国典型湖泊OLCI/Sentinel-3卫星影像和对应DOC浓度遥感结果

致谢:研究成果受中科院青促会等资助。

作者介绍

刘东,博士,副研究员,中国科学院南京地理与湖泊研究所。研究方向为水环境遥感,主要研究兴趣包括湖泊碳储量、河流碳输运和水环境遥感等。以第一/通讯作者在Nature子刊等发表文章50余篇,含中科院I区TOP 20篇;授权发明专利7项;登记软件著作20项;参与出版专著2部;主持国家自然科学基金等项目8项;获江苏省“333工程”人才、中科院青促会会员和浙江省科技进步一等奖等荣誉;研究成果被人民日报、新华社和中科院等百余家新闻媒体报道;兼任Remote Sensing of EnvironmentWater Research和地球环境学报等期刊青年编委、客座编辑或审稿人。

通讯邮箱dliu@niglas.ac.cn

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