卫星遥感揭开近20年全球湖库水色变化规律 | 观天测地

编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

湖库为人类社会提供了重要的饮用水资源、工农业用水资源、渔业资源、娱乐活动场所以及生态环境资源等，其环境对于气候变化和土地利用具有敏锐感知，对流域内生态系统及人类生活生产至关重要。水色指数（FUI）是湖库、河流和海洋水质的重要衡量指标，与水体清洁度及富营养化状态相关。

（图片来自网络）

卫星遥感可以通过获取水体离水辐射光谱以提供大范围、高频率、连续且客观的湖库水质观测信息。相比海洋清洁水体，湖库水体复杂且受周边环境和人类活动影响大，并呈破碎性分布，这为利用遥感技术监测大范围长时序湖库水质变化带来了很大困难。

水体颜色是太阳光与水中物质相互作用的结果，与水色要素——浮游植物、悬浮物、有色可溶性有机物的吸收和散射作用密切相关。水体颜色具有一百多年的观测历史。在现场调查中，通过福莱尔水色计 （Forel-Ule scale）把全球海洋和内陆水体颜色分为从深蓝到红棕色的21个级别。

一般认为，颜色级别越低水体越清澈水质越好，颜色级别越高水体越浑浊水质越差

近些年随着卫星遥感的发展，相关研究开始利用卫星遥感数据提取以水色指数为代表的水体颜色参量。同时，研究发现水色指数与水体营养状态、水中总悬浮物浓度和水体透明度有较好相关性，能够指示水体综合水质，尤其是水体浑浊程度情况，因此近年来水色指数被提升为重要的综合水质参数之一。

中国科学院空天信息创新研究院张兵研究员带领的水环境遥感团队多年来在水环境动态监测研究领域做了大量研究工作，突破了大范围长时序湖库水质参数遥感反演的一系列关键理论与方法问题。他们发展了面向大范围长时序湖库水质监测的水色指数提取算法及其在水质参数反演上的应用算法模型体系，构建了一套公开共享的全球长时间序列的湖库水色指数遥感数据集。该数据集包括全球范围1049个面积大于25平方公里的大型湖库，分为基础信息和湖库水色指数两个部分。基础信息部分提供了水体基本信息，包括湖泊ID号、名称、经纬度、水体面积、冬季是否结冰、所在国家/地区以及所在大洲名称。湖库水色指数部分提供了湖库2000-2018年月度和年度水色指数长时间序列数据。除此之外，随同该数据集，研究团队公布了基于MODIS遥感图像的水色指数计算程序代码。

全球大型湖库2000-2018年平均水色指数分布图

通过该数据集初步发现，在过去近20年中全球有36%的大型湖库水色指数呈显著下降趋势，表明湖库清澈程度上升，这些湖库主要集中在寒冷地区，如青藏高原、欧洲北部、北美北部及南美南端等地区；同时只有8%的大型湖库水色指数呈显著上升趋势，表明这部分湖库清澈程度下降，其在全球分布较为分散。

2000-2018年全球大型湖库水色指数年变化率及显著变化分布图

同时，研究也发现中国大型湖库水色指数总体呈下降趋势，表明在近20年湖库水体清澈程度总体上升；其中西部湖库尤其是青藏高原湖库清澈程度上升更加明显，东部湖库清澈程度上升相对较弱，这主要与近20年气候变化和我国水环境治理保护措施有关。

此数据集为全球首套湖库遥感水色指数科学数据集，填补了全球尺度湖库水质遥感数据集的不足，为全球及区域尺度湖库水质监测及其变化研究提供了重要的科学数据支撑，对于全球气候变化研究、全球及区域水环境保护、联合国可持续发展目标实现等具有重要意义。

该数据集连同模型方法与获取方式等发表在 Nature旗下 Scientific Data期刊（论文引用：Wang, S., Li, J., Zhang, W. et al. A dataset of remote-sensed Forel-Ule Index for global inland waters during 2000–2018. Sci Data 8, 26 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-021-00807-z），数据集在全网免费共享（数据集共享网址：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.13014299）。

作者：王胜蕾 李俊生 张兵

来源：中国科学院空天信息创新研究院

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