東北地理所在中國(guó)湖泊水庫(kù)總磷遙感反演研究取得新進(jìn)展
近幾十年來(lái)，在污水排放、營(yíng)養(yǎng)鹽富集、圍湖造湖、氣候變化等多重壓力的協(xié)同影響下，我國(guó)湖泊水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)迅速加劇。磷被廣泛認(rèn)為是一種限制生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是80%水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要誘因。我國(guó)政府高度重視監(jiān)測(cè)和控制湖泊總磷（TP）濃度。由于TP是非光學(xué)活性參數(shù)，因此在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)湖泊和水庫(kù)中的TP遙感反演面臨巨大挑戰(zhàn)。
為了解決這一問(wèn)題，本研究提出了一種基于TP（Ln（TP））和B33/B9自然對(duì)數(shù)的散點(diǎn)圖雙線(xiàn)分類(lèi)方法，并將2012~2022年在中國(guó)105個(gè)湖泊和水庫(kù)進(jìn)行實(shí)地考察的1211個(gè)實(shí)測(cè)樣本分為1類(lèi)、2類(lèi)和3類(lèi)（圖1）。結(jié)果表明，所提出的分類(lèi)方法能夠增強(qiáng)Ln（TP）與43個(gè)基本潛在單波段和波段組合之間的相關(guān)性。具體而言，相關(guān)性范圍從未分類(lèi)的（-0.31,0.15）提高到第一類(lèi)的（-0.77，0.24），第二類(lèi)的（-0.81，0.36），第三類(lèi)的（-0.74，0.52）。此外，該分類(lèi)方法還改善了Ln（TP）和820波段比之間的相關(guān)性范圍，從未分類(lèi)的（-0.32，0.32）提高到第1類(lèi)的（-0.83，0.82），第2類(lèi)的（-0.16，0.86）和第3類(lèi)的（-0.56，0.86）。
圖1 1211個(gè)測(cè)量樣本點(diǎn)的空間分布，用于校準(zhǔn)和驗(yàn)證從中國(guó)105個(gè)湖泊和水庫(kù)收集的不同分類(lèi)的模型。底圖是2020年的土地利用數(shù)據(jù)類(lèi)型。
這些數(shù)據(jù)集隨后被代入極限梯度增強(qiáng)（XGBoost）模型。最后，使用2005年、2010年、2015年和2020年的MODIS圖像，使用性能良好的XGBoost 1類(lèi)（R2=0.76，RMSE=0.3，MAPE=12%）、2類(lèi)（R2=0.84，RMSE=0.49，MAPE=38%）和3類(lèi)（R2=0.74，RMSE 0.46，MAPE=14%）模型繪制了中國(guó)563個(gè)大型湖泊和水庫(kù)（≥20 km2）的TP圖（圖2）。這項(xiàng)研究提出了一種適用于全國(guó)范圍內(nèi)湖泊水庫(kù)的遙感反演TP濃度的新方法。由于數(shù)值范圍代表性強(qiáng)、樣本點(diǎn)地理分布廣泛，首次構(gòu)建了令人滿(mǎn)意的全國(guó)湖泊水庫(kù)TP估算模型。該研究也為今后全國(guó)范圍內(nèi)湖泊水庫(kù)非光學(xué)水質(zhì)參數(shù)時(shí)空演化的遙感監(jiān)測(cè)和分析提供了有價(jià)值的參考。此外，利用MODIS影像繪制2005年、2010年、2015年和2020年TP時(shí)空分布圖，可以為政府評(píng)估地方污染防治行動(dòng)計(jì)劃的有效性提供有價(jià)值的科學(xué)指導(dǎo)。
圖2 基于1、2和3類(lèi)中訓(xùn)練數(shù)據(jù)集（a、c、e）和測(cè)試數(shù)據(jù)集（b、d、f）的XGBoost回歸器測(cè)量和估計(jì)Ln（TP）的核密度分布。每個(gè)圖中的白色虛線(xiàn)是y=x線(xiàn)
該研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊Science of The Total Environment上，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所房沖項(xiàng)目副研究員為第一作者，宋開(kāi)山研究員為通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(42101366,42201433)，“黑土糧倉(cāng)”科技會(huì)戰(zhàn)人才專(zhuān)項(xiàng)基金和中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所青年科學(xué)家小組項(xiàng)目（2023QNXZ01）等共同資助。
論文信息如下：
Chong Fang,Changchun Song,Xiangyu Wang,Qiang Wang,Hui Tao,Xiaodi Wang,Yue Ma,Kaishan Song. A novel total phosphorus concentration retrieval method based on two-line classification in lakes and reservoirs across China. Science of the Total Environment,2024,2024,906: 167522.
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167522
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