不久前，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院張兵研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)布了全球首套湖庫遙感水色指數(shù)科學(xué)數(shù)據(jù)集，反映了全球范圍千余個(gè)大型湖庫在過去近20年的水色長時(shí)間序列時(shí)空變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)集及其獲取方法發(fā)表在《自然》雜志旗下的《科學(xué)數(shù)據(jù)》期刊。
湖庫為人類社會(huì)提供了重要的飲用水資源、工農(nóng)業(yè)用水資源、漁業(yè)資源、娛樂活動(dòng)場(chǎng)所以及生態(tài)環(huán)境資源，與人類生產(chǎn)生活的關(guān)系至關(guān)重要。那么，全球首套湖庫遙感水色指數(shù)科學(xué)數(shù)據(jù)集是怎么獲取的？主要得出了哪些結(jié)論？本報(bào)約請(qǐng)研究者向讀者做簡(jiǎn)要介紹。
1 水體顏色現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查歷史已逾百年
水體顏色是太陽光照射到水中，與水中物質(zhì)相互作用的結(jié)果，是湖庫的基本光學(xué)參數(shù)之一。水中的顯色組分——水分子、浮游藻類、懸浮物、有色可溶性有機(jī)物等對(duì)光照的吸收和散射作用共同決定了水體呈現(xiàn)的顏色。
全球大型湖庫2000-2018年平均水色指數(shù)分布圖。
我們?cè)谌粘Ｉ钪幸部梢园l(fā)現(xiàn)：純凈的自然水體，如青藏高原的一些清澈的湖泊和干凈的水域通常呈藍(lán)色，這主要是大氣散射和水分子對(duì)太陽入射光共同作用的結(jié)果；浮游藻類多的水體，如太湖、巢湖等富營養(yǎng)化嚴(yán)重的湖泊通常呈綠色，這主要是浮游藻類色素葉綠素a與入湖陽光相互作用的結(jié)果；富含泥沙的水體，如黃河和一些河口地區(qū)水體通常呈黃褐色，這主要是懸浮泥沙的顏色決定了更多反射光集中在黃褐色譜段；此外，也有一部分有機(jī)質(zhì)含量高的湖庫水體通常呈褐色或暗黑色，它們的顏色與有色可溶性有機(jī)物的顏色密切相關(guān)。
水體顏色已有一百多年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)歷史，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中通過手持式福萊爾水色計(jì)把自然水體顏色分為從深藍(lán)到紅棕色的21個(gè)級(jí)別，用于記錄海洋以及內(nèi)陸湖庫水體顏色。水色指數(shù)Forel-Ule Index（簡(jiǎn)稱為FUI）來源于福萊爾水色計(jì)，包括1至21之間的21個(gè)整數(shù)，F(xiàn)UI水色指數(shù)越低即水體顏色越偏藍(lán)色；反之，水色指數(shù)越高即水體顏色越偏向黃紅色。
2 水色指數(shù)能夠反映水體水質(zhì)情況
前面說過，水中的顯色組分——葉綠素、懸浮物、有色可溶性有機(jī)物共同決定了水體呈現(xiàn)的顏色。那么，水色指數(shù)與我們常規(guī)理解的水質(zhì)參數(shù)有什么聯(lián)系呢？水色指數(shù)能否反映水體水質(zhì)呢？答案是肯定的。
為了構(gòu)建湖庫水色指數(shù)與湖庫水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，張兵研究團(tuán)隊(duì)組織了幾十次地面與衛(wèi)星同步觀測(cè)的湖庫水體光譜和水質(zhì)參數(shù)采樣實(shí)驗(yàn)，足跡遍布中國大江南北，同時(shí)也通過廣泛的國內(nèi)外科技合作收集了大量國內(nèi)外湖庫地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這些湖庫包括清澈的青藏高原湖泊、北美五大湖湖泊，也包括渾濁富營養(yǎng)化的長江中下游湖庫和富含有機(jī)質(zhì)的歐洲湖泊。通過這些星地同步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了詳盡的水色指數(shù)與水質(zhì)參數(shù)關(guān)系分析，研究發(fā)現(xiàn)FUI水色指數(shù)與水體營養(yǎng)狀態(tài)和水體透明度有較好相關(guān)性，能夠用來進(jìn)行水體營養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)和水體透明度定量反演，指示水體的綜合水質(zhì)狀況。
3 利用衛(wèi)星遙感技術(shù)提取湖庫水色指數(shù)
雖然通過傳統(tǒng)的水體現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以方便測(cè)量水色指數(shù)，但這種實(shí)地測(cè)量方式成本高、采樣點(diǎn)代表性低、時(shí)效性差，難以獲取大區(qū)域內(nèi)完整的湖庫水色指數(shù)記錄。
衛(wèi)星遙感技術(shù)的出現(xiàn)恰恰解決了這一難題。相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星遙感具有低成本、快速、大范圍、連續(xù)監(jiān)測(cè)的顯著優(yōu)勢(shì)，可以逐像元獲得大面積長時(shí)間尺度的更全面的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，便于發(fā)現(xiàn)污染物的時(shí)空分布特征和遷移規(guī)律，是一種有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段。隨著國內(nèi)外遙感衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，基于衛(wèi)星遙感的水質(zhì)監(jiān)測(cè)正在發(fā)揮著越來越重要的作用。
那么，怎樣利用這些衛(wèi)星遙感影像提取出湖庫水體的水色指數(shù)呢？
近幾年，隨著衛(wèi)星遙感的發(fā)展，張兵研究團(tuán)隊(duì)通過把色度學(xué)理論引入遙感研究中，以遙感圖像可見光波段組合作為輸入，構(gòu)建了遙感圖像中水體顏色色度參數(shù)計(jì)算的模型算法，并利用福萊爾水色計(jì)中每個(gè)顏色級(jí)別的色度參數(shù)建立查找表，進(jìn)而提取FUI水色指數(shù)。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也發(fā)展了一系列面向大范圍湖庫水體的衛(wèi)星遙感圖像處理方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，包括遙感圖像大氣校正方法、湖庫水體邊界自動(dòng)化提取方法、全球湖庫定位編號(hào)統(tǒng)計(jì)方法等，成功通過衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建出全球范圍長時(shí)間序列的湖庫水色指數(shù)科學(xué)數(shù)據(jù)集。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布的全球首套湖庫遙感水色指數(shù)數(shù)據(jù)集，包括全球范圍1049個(gè)面積大于25平方公里的大型湖庫。數(shù)據(jù)集分為基礎(chǔ)信息和湖庫FUI水色指數(shù)數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。在基礎(chǔ)信息部分，提供了水體基本信息，包括湖泊識(shí)別號(hào)、名稱、經(jīng)緯度、水體面積、冬季是否結(jié)冰、所在國家/地區(qū)以及所在大洲名稱；在FUI水色指數(shù)數(shù)據(jù)部分，提供了湖庫2000-2018年月度和年度FUI水色指數(shù)長時(shí)間序列數(shù)據(jù)。
4 數(shù)據(jù)顯示近20年中國湖庫在變清澈
在2000年以后，國家加大了水環(huán)境保護(hù)力度，在行動(dòng)上深度落實(shí)“綠水青山就是金山銀山”的理念。那么，自2000年以來我國大型湖庫水環(huán)境究竟發(fā)生了怎樣的變化？
通過數(shù)據(jù)集及相關(guān)研究顯示：近20年以來中國大型湖庫清澈程度總體呈上升趨勢(shì)，其中，青藏高原湖庫清澈程度上升明顯，東部地區(qū)湖庫清澈程度上升趨勢(shì)相對(duì)較弱。
據(jù)研究分析，青藏高原湖庫清澈程度上升主要與近幾十年該地區(qū)氣候變化有關(guān)；而東部地區(qū)湖庫清澈程度的微弱上升趨勢(shì)，表明近20年我國在東部湖庫水污染防治與區(qū)域環(huán)境治理方面取得了一些成效。
比如，長江中下游地區(qū)大型湖庫FUI水色指數(shù)主要在7至15之間，其中自然湖泊水體較渾濁，如太湖、巢湖、洪澤湖等，水色指數(shù)主要在10至15之間，而該區(qū)域的人工水庫水體相對(duì)清澈，水色指數(shù)主要在7至9之間；該區(qū)域湖庫水色指數(shù)有下降趨勢(shì)，表明水體在近20年變清澈；其中兩個(gè)人工水庫（新安江水庫、柘林水庫）水色指數(shù)下降顯著，年變化率達(dá)0.04以上，表明清澈程度有明顯上升。
而青藏高原地區(qū)大型湖庫FUI水色指數(shù)主要在3至8之間，水體清澈；該區(qū)域大型湖庫水色指數(shù)平均年下降率達(dá)0.05，其中74%的湖庫水色指數(shù)呈下降趨勢(shì)，35%的湖庫下降趨勢(shì)顯著，表明該地區(qū)湖庫清澈程度在近20年上升明顯。
同時(shí)，通過該數(shù)據(jù)集初步發(fā)現(xiàn)，在過去近20年中全球有36%的大型湖庫水色指數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)，表明湖庫清澈程度上升，這些湖庫主要集中在寒冷地區(qū)；同時(shí)只有8%的大型湖庫水色指數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)，表明這部分湖庫清澈程度下降，其在全球各大洲不同區(qū)域均有零散分布。研究人員推測(cè)，自然湖泊清澈程度上升的主要原因可能來自于全球氣候變化造成的水量增多和流域生態(tài)環(huán)境治理成效，清澈程度下降的主要原因是人類生產(chǎn)生活造成的水體污染和流域干旱等原因，不同區(qū)域的詳細(xì)分析論證工作將在后續(xù)陸續(xù)展開。
延伸閱讀
近20年全球其他湖區(qū)的水色變化
北美五大湖：
FUI水色指數(shù)主要在3至8之間，其中蘇必略湖、密歇根湖和休倫湖水色指數(shù)較低，主要在3至5之間，水體較清澈；伊利湖和安大略湖水色指數(shù)較高，主要在5至8之間，水體相對(duì)渾濁；在過去20年水色指數(shù)全部呈下降趨勢(shì)，表明水體清澈程度明顯上升，且較清潔的三個(gè)湖泊水色指數(shù)下降率較高，較渾濁的湖泊水色指數(shù)下降率反而較低。
歐洲中部地區(qū)湖庫：
該區(qū)域大型湖庫FUI水色指數(shù)主要在5至8之間，湖庫較清澈；其中，71%的湖庫水色指數(shù)呈明顯下降，表明近20年湖庫清澈程度上升。
非洲東部地區(qū)湖庫：
該區(qū)域大型湖庫FUI水色指數(shù)主要在4至16之間，湖庫清澈程度差異較大；其中，55%的湖庫水色指數(shù)下降，表明水體清澈度上升，45%的湖庫水色指數(shù)上升表明水體清澈程度下降。
