层化水体生物光学模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及层化水体生物光学模型的构建方法，利用Hydrolight辐射传输模拟不同藻颗粒垂向分布情况下的水下光场分布，并得到表观光学参数数据集，分析藻颗粒垂向分布对表征水下光场的遥感反射比rrs(λ,z)与漫衰减系数Kx(λ,z)的影响；然后，比较并筛选等效权重函数，计算不同层的水体对水面之下遥感反射比(rrs(0

【技术实现步骤摘要】
层化水体生物光学模型的构建方法
本专利技术涉及一种层化水体生物光学模型的构建方法。
技术介绍
湖泊富营养化和有害藻类水华是全世界普遍面临的水域生态环境问题(秦伯强等,2016)，湖泊富营养化引起的蓝藻水华频繁暴发是目前中国淡水湖泊面临的主要挑战(LiuandYang,2012)。在各种环境因子(外因)的耦合驱动下，蓝藻由于其独特的生理生态特性(内因)，产生巨大的生物量而在浮游植物群落中占绝对优势。在合适的水文气象条件下大量藻颗粒集聚于水表而形成蓝藻水华(马健荣等,2013)。研究表明，蓝藻水华具有较强的时空多变性，短时间内藻华的面积变化较大(Yangetal.,2013；Zhangetal.,2015)。目前，作为一种有效的研究手段，水色遥感已经被广泛应用于富营养化湖泊的水质参数反演、藻华暴发面积及频次的监测等方面。但是，传统的湖泊水色遥感大多是基于水体的垂向均一假设建立的，藻华形成过程中藻颗粒的垂向非均匀分布及其快速变化对该假设的应用提出了较大挑战。已有的研究仅限于通过水面之上的遥感反射比进行藻颗粒垂向分布类型的判断，或基于经验方法的遥感反射比校正以降低藻颗粒垂向分布的影响。仍旧难以揭示藻颗粒垂向分布的遥感监测机理。辐射传输理论描述了大量光子进入水体，与水中各粒子的吸收和散射作用，最终到达传感器的物理过程。水下光场模拟即基于辐射传输理论真实还原水体内部光场分布的过程。通过对不同藻颗粒垂向分布条件下的水下光场模拟，探究藻颗粒垂向分布对水下光场的影响机制，是实现藻颗粒垂向分布的定量遥感监测的核心。以富营养化湖泊-太湖为例，需要厘清藻华形成过程中，藻颗粒垂向分布的变化规律及其对水下光场的影响机制，以研究藻颗粒垂向分布的遥感监测机理。弄清藻类垂向分布对水下光场不同层的表观光学参数的影响机制，计算水下不同层的固有光学参数对遥感反射比的定量贡献，建立层化水体的生物光学模型。参考文献：LiuJ.,W.Yang.2012.WatersustainabilityforChinaandbeyond.Science,337(6095):649-650.MillánR.,S.Alvarez-Borrego,andC.C.Trees.1997.ModelingtheverticaldistributionofchlorophyllintheCaliforniaCurrentSystem.JournalofGeophysicalResearch:Oceans,102(C4):8587-8595.Yang,L.,K.Lei,W.Meng,G.Fu,andW.Yan.2013a.Temporalandspatialchangesinnutrientsandchlorophyll-ainashallowlake,LakeChaohu,China:An11-yearinvestigation.JournalofEnvironmentalSciences,25(6):1117-1123.Zhang,Y.,R.Ma,M.Zhang,H.Duan,S.Loiselle,andJ.Xu.2015.Fourteen-yearrecord(2000–2013)ofthespatialandtemporaldynamicsoffloatingalgaebloomsinLakeChaohu,observedfromtimeSeriesofMODISimages.RemoteSensing,7(8):10523-10542.秦伯强,杨桂军,马健荣等.2016.太湖蓝藻水华“暴发”的动态特征及其机制[J].科学通报.07:759-770.马健荣,邓建明,秦伯强等.2013.湖泊蓝藻水华发生机理研究进展[J].生态学报.33(10):3020-3030.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种层化水体生物光学模型的构建方法。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种层化水体生物光学模型的构建方法，包括如下步骤：1)通过Hydrolight辐射传输模拟，模拟不同藻类垂向分布条件下的水下光场分布，得到表观光学参数数据集，分析藻类垂向分布对表征水下光场的表观光学量AOP的光谱特征及垂向分布的影响机制；其中，所述表观光学量AOP包括遥感反射比rrs(λ,z)和漫衰减系数Kx(λ,z)；2)计算水体不同层对恰好位于水面之下的遥感反射比rrs(0-)的贡献率；根据步骤1)中获取的模拟数值，筛选等效权重函数，定量计算水体中各层对rrs(0-)的贡献率；3)构建不同太阳角度条件下的层化水体生物光学模型；根据步骤2)中层化水体不同层对rrs(0-)的贡献率，构建不同深度的固有光学参数IOP与rrs(0-)之间的关系模型。所述步骤1)中，藻类垂向分布以叶绿素a浓度表征的浮游植物色素的垂向分布表征；所述叶绿素a浓度由丙酮法实验室内使用分光光度计测量；藻类垂向非均匀分布的叶绿素a浓度函数表达式为：其中，C0、h、σ为叶绿素a分布函数的参数，通过函数拟合得到。所述步骤2)中水体不同层对水面之下的遥感反射比rrs(0-)的贡献率计算方法如下：式中，Frz1,z2是深度z1-z2处的水体对rrs(0-)的贡献率，g(z’)是等效权重函数，bb(z)为深度z处的后向散射系数，a(z)为深度z处的吸收系数。所述步骤3)中不同太阳角度条件下的层化水体生物光学模型为：其中，Si为深度z(i)、波长λ处的系数，bb(λ,z(i))为深度z(i)、波长λ处的后向散射系数，a(λ,z(i))为深度z(i)、波长λ处的吸收系数，i为第i层，n为总层数。本专利技术方法构建的层化水体生物光学模型是提高富营养化湖泊水质参数遥感反演精度的前提和基础，可以补充完善湖泊水色遥感的基本理论和方法，并推动其发展，具有较大的科学意义。附图说明附图不意在按比例绘制，在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示，为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记，现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例，其中：图1是叶绿素a浓度、吸收系数、后向散射系数和IOP的垂向分布曲线示例；图2是藻类垂向分布对水面之下不同层的遥感反射比光谱的影响；图3是藻类垂向分布对水面之下不同层的遥感反射比垂向分布的影响；图4是藻类垂向分布对漫衰减系数Kd光谱的影响；图5是藻类垂向分布对漫衰减系数Kd、Ku、KLu的垂向分布的影响；图6是不同等效权重函数在不同波段的比较；图7是不同层的水体对rrs(0-)的贡献率；图8是层化水体生物光学模型的验证结果；前述图示1-8中，作为英文形式表达的各坐标、标识或其他表示，均为本领域所公知的，并不在本例中再做赘述。具体实施方式为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本专利技术的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本专利技术的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本专利技术所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本专利技术公开的一些方面可以单独使用，或者与本专利技术公开的其他方面的任何适当组合来使用。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层化水体生物光学模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：1)通过Hydrolight辐射传输模拟，模拟不同藻类垂向分布条件下的水下光场分布，得到表观光学参数数据集，分析藻类垂向分布对表征水下光场的表观光学量AOP的光谱特征及垂向分布的影响机制；其中，所述表观光学量AOP包括遥感反射比rrs(λ,z)和漫衰减系数Kx(λ,z)；2)计算水体不同层对恰好位于水面之下的遥感反射比rrs(0‑)的贡献率；根据步骤1)中获取的模拟数值，筛选等效权重函数，定量计算水体中各层对rrs(0‑)的贡献率；3)构建不同太阳角度条件下的层化水体生物光学模型；根据步骤2)中层化水体不同层对rrs(0‑)的贡献率，构建不同深度的固有光学参数IOP与rrs(0‑)之间的关系模型。

【技术特征摘要】
1.一种层化水体生物光学模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：1)通过Hydrolight辐射传输模拟，模拟不同藻类垂向分布条件下的水下光场分布，得到表观光学参数数据集，分析藻类垂向分布对表征水下光场的表观光学量AOP的光谱特征及垂向分布的影响机制；其中，所述表观光学量AOP包括遥感反射比rrs(λ,z)和漫衰减系数Kx(λ,z)；2)计算水体不同层对恰好位于水面之下的遥感反射比rrs(0-)的贡献率；根据步骤1)中获取的模拟数值，筛选等效权重函数，定量计算水体中各层对rrs(0-)的贡献率；3)构建不同太阳角度条件下的层化水体生物光学模型；根据步骤2)中层化水体不同层对rrs(0-)的贡献率，构建不同深度的固有光学参数IOP与rrs(0-)之间的关系模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，藻类垂向分布以叶绿素a浓度表征的浮游植物色素的垂向...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛坤，马荣华，段洪涛，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32