馬榮華，張玉超，段洪濤

（中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008）

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非傳統(tǒng)湖泊水色遙感的現(xiàn)狀與發(fā)展*

馬榮華，張玉超，段洪濤

（中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008）

外界環(huán)境條件以及自身因素的驅(qū)動(dòng)，改變了傳統(tǒng)湖泊水色遙感垂向均一的理論假設(shè)前提，基于垂向非均勻條件的湖泊水體水色參數(shù)的遙感稱之為非傳統(tǒng)湖泊水色遙感.本文分析了傳統(tǒng)水色遙感面臨的挑戰(zhàn)，且非傳統(tǒng)湖泊水色遙感中藻類葉綠素a濃度的垂向分布類型及其定量表達(dá)、水下光場(chǎng)分布的定量表達(dá)模型與數(shù)值模擬方法，給出垂向異質(zhì)水體遙感反射比的定量表達(dá)式，分析了藻類垂向異質(zhì)對(duì)水色參數(shù)遙感反演模型的影響，最后提出下一步需要重點(diǎn)關(guān)注的問題.

水色遙感；垂向；非傳統(tǒng)；現(xiàn)狀；發(fā)展；湖泊

?2016 by Journal of Lake Sciences

在湖泊水體水色三要素參數(shù)的定量反演方面，已經(jīng)進(jìn)行了大量工作［1］，并取得了顯著成果，然而，這些研究有一個(gè)基本的前提假設(shè)：這些水色參數(shù)或水體光學(xué)特性在垂向上是均質(zhì)的.基于該假設(shè)的湖泊水體水色參數(shù)的遙感稱之為傳統(tǒng)的湖泊水色遙感.實(shí)際上，一方面，由于河流和冰川等地表徑流的匯入、江水倒灌和風(fēng)浪等自然驅(qū)動(dòng)力的介入以及采砂、航運(yùn)、路橋基建等人為活動(dòng)的擾動(dòng)，湖泊底泥再懸浮，使得湖泊水體中的懸浮泥沙在垂直方向上非均勻分布；另一方面，尤其在富營養(yǎng)化湖泊水體中，不論在水平方向還是在垂直方向上，都存在大量的藻顆粒，為了保持較高的光合作用能力，這些藻顆粒通過自身移動(dòng)或者通過水流和風(fēng)生流等外界條件，不斷調(diào)節(jié)其在水體中的垂直位置，以躲避強(qiáng)光造成的光抑制或者上浮到水體表層接受充足的光照形成藻華［2-7］.這些外環(huán)境驅(qū)動(dòng)力以及浮游藻類的主動(dòng)調(diào)節(jié)，客觀上造成了藻顆粒及其相關(guān)水色參數(shù)（如葉綠素、藻藍(lán)素、有色可溶性有機(jī)物（colored dissolved organic matter，CDOM）懸浮物等）在垂向上的不均勻分布，改變了傳統(tǒng)湖泊水色遙感的理論假設(shè)前提；這種基于垂向非均勻條件的湖泊水體水色參數(shù)的遙感稱為非傳統(tǒng)湖泊水色遙感.

1　傳統(tǒng)湖泊水色遙感面臨的挑戰(zhàn)

湖泊水色參數(shù)的垂向非均勻分布，對(duì)于基于傳統(tǒng)垂向均一假設(shè)而形成的水體光學(xué)特性、水下光場(chǎng)分布、水質(zhì)參數(shù)反演模型等方面都產(chǎn)生了一些難以回避的問題.傳感器獲得的遙感信號(hào)是水體內(nèi)一定深度的綜合反映，當(dāng)假設(shè)水體垂向均一時(shí)，垂向異質(zhì)引起的遙感信息的差異，對(duì)已有水色遙感的研究造成了不能忽視的誤差.首先，湖泊水體內(nèi)水色物質(zhì)（葉綠素a（Chl.a）、CDOM、懸浮物等）垂向非均勻分布，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水體固有光學(xué)特性垂向異質(zhì).此時(shí)，垂向均一的假設(shè)（某一層或水柱內(nèi)的平均值代表整個(gè)水柱的IOP （Inherent OPtical ProPerties））會(huì)引起水柱內(nèi)固有光學(xué)特性的估計(jì)不準(zhǔn)，導(dǎo)致以IOP為核心的模型，如QAA （Quasi-Analytical Algorithm），直接應(yīng)用于垂向差異較大的湖泊水體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大誤差.其次，只有考慮了水體內(nèi)固有光學(xué)量的垂向異質(zhì)，根據(jù)輻射傳輸理論，才能得到準(zhǔn)確的水下光場(chǎng)分布及表觀光學(xué)量，否則會(huì)引起估計(jì)不準(zhǔn)的情況.在水質(zhì)參數(shù)反演模型的建立及應(yīng)用方面，一般是基于垂向均一的假設(shè)，建立光活性物質(zhì)濃度與遙感反射比的關(guān)系，而忽略了光活性物質(zhì)濃度垂向異質(zhì)對(duì)遙感反射比（Remote Sensing Reflectance，Rrs）的影響，從而導(dǎo)致定量反演模型在應(yīng)用中的誤差.實(shí)際情況下，不同物質(zhì)含量及物質(zhì)的不同垂向結(jié)構(gòu)，對(duì)Rrs的影響程度和范圍均不一致，可能產(chǎn)生反演結(jié)果在每個(gè)像元的不確定性.針對(duì)傳統(tǒng)湖泊水色遙感的垂向均一假設(shè)可能引起的問題及面臨的挑戰(zhàn)，有必要開展光活性物質(zhì)垂向異質(zhì)的研究.

2　藻類葉綠素濃度的垂向分布類型及其定量表達(dá)

目前，研究水體中藻類垂向分布對(duì)水體光學(xué)屬性的影響，主要集中在水深較深的大洋水體，受藻類生活習(xí)性以及外環(huán)境條件影響，藻類垂向分布呈現(xiàn)多種類型，主要有：高斯分布［8］、指數(shù)分布［9］、躍變型、單峰型、遞增型、垂直均勻型、線性分布［10-11］，其中高斯模型［8］在大洋Ⅰ類水體中應(yīng)用最為廣泛［12-13］：

式中，Chl0為背景葉綠素濃度，也稱為“本底值”；δ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，是與分層中葉綠素極大值寬度有關(guān)的參數(shù)；h為與峰值強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)；zmax為葉綠素濃度極大值所處的深度.基于該函數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者［12-14］評(píng)估不同的水體垂向結(jié)構(gòu)對(duì)藍(lán)綠光遙感反射比、離水輻亮度、衰減系數(shù)及平均余弦等光學(xué)參數(shù)影響.目前，國內(nèi)外一些學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)回歸方法［15-16］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［17-18］研究藻類垂向呈高斯分布時(shí)對(duì)遙感反射比的影響，同時(shí)可以得到葉綠素濃度垂向呈高斯分布時(shí)的參數(shù).在海洋二流輻射傳輸理論的基礎(chǔ)上［19］，假設(shè)Ⅰ類水體只由2層葉綠素濃度不同的水層構(gòu)成，利用最優(yōu)化方法求得2層葉綠素濃度和上層水體深度的最優(yōu)解.同樣地，在紅-近紅外波段，遙感反射比與懸浮顆粒物SPM 2層結(jié)構(gòu)參數(shù)也存在定量關(guān)系［20］.海洋水體中，可以使用PROFHMM統(tǒng)計(jì)方法［HMM（Hidden Markov Models）和SOM（Self-Organizing ToPological MaPs）的組合］［21］，從海面數(shù)據(jù)中推斷海洋生物地球化學(xué)變量垂直剖面；HMM通過SOM來定義，SOM被用來提供隱藏的馬爾科夫模型狀態(tài).

在湖泊水體中，水體垂向結(jié)構(gòu)研究較少.但實(shí)際上，由于受風(fēng)、浪等動(dòng)力條件的影響，湖泊藻顆粒垂向分層呈現(xiàn)多種模式［22］，在藻顆粒生長(zhǎng)的不同階段（休眠、復(fù)蘇、生物量增加、上浮和積聚），垂向分布有很大變化［22-23］；特別在藍(lán)藻水華形成階段，大量藍(lán)藻顆粒漂浮于水面，不能簡(jiǎn)單地用高斯模型模擬湖泊水體的藻顆粒垂向分布結(jié)構(gòu)，需要分不同情形進(jìn)行定量表達(dá).Xue等［24］在巢湖的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速是引起藻顆粒短時(shí)間內(nèi)垂向遷移的重要因素.當(dāng)風(fēng)速大于3～4 m/s時(shí)，水柱內(nèi)上下混合均勻，藻顆粒呈現(xiàn)垂向均一分布.在弱風(fēng)條件下（2～3 m/s），藍(lán)藻自身浮力使其在水柱內(nèi)上浮，形成Chl.a濃度最大值在水表面的高斯分布.而在風(fēng)速很低或無風(fēng)的情況下（＜2 m/s），藻顆粒大量聚集在水表面形成藻華，此時(shí)Chl.a濃度垂向呈現(xiàn)指數(shù)或冪指數(shù)分布.據(jù)此把巢湖藻類垂向分布?xì)w結(jié)為4種類型（圖1）：（1）垂向均一分布型；（2）高斯分布型；（3）指數(shù)分布型；（4）冪函數(shù)分布型.同時(shí)給出了上述4種分布類型的數(shù)學(xué)描述函數(shù)（表1）.

3　水下光場(chǎng)分布的定量表達(dá)與數(shù)值模擬

光進(jìn)入水體，受水中粒子（水分子、藻類等有機(jī)顆粒物、黃色物質(zhì)、無機(jī)懸浮物等）吸收和散射共同影響，產(chǎn)生衰減，但在不同波長(zhǎng)，衰減程度差別很大.水下光場(chǎng)是對(duì)水體組分在特定太陽角度、風(fēng)速、氣象條件下水體表觀光學(xué)特性的綜合反映，主要由輻亮度、輻照度、漫衰減系數(shù)、平均余弦等表觀光學(xué)量來反映水下光場(chǎng)的分布情況.

圖1　巢湖Chl.a濃度垂向分布類型圖（TyPe1：垂向均一，TyPe2：高斯，TyPe3：指數(shù)，TyPe4：冪函數(shù)）Fig.1 ChloroPhyll-a concentration Profiles with original data Points and fitted curves for the four vertical chloroPhyll-a Profile classes：（a）TyPe 1，vertically uniform；（b）TyPe 2，Gaussian distribution；（c）TyPe 3，exPonential distribution；and（d）TyPe 4，negative Power function distribution

式中，L（τ；μ，φ）為在光學(xué)深度τ（光到達(dá)的最大深度）、方向（μ，φ）上的非偏振光譜輻照度；ω0為散射和衰減的比值；為散射相函數(shù)；S為水體內(nèi)部光源.

藻顆粒垂直分層導(dǎo)致光在水體中的傳播路徑和方向發(fā)生變化，是影響水下光場(chǎng)分布的重要原因［8］.在垂直分層的水體中，存在高吸收水層和高散射水層；在高散射水層中，水下光場(chǎng)的強(qiáng)度隨光學(xué)深度減小得更加緩慢；在高吸收的水層中，水下光場(chǎng)的強(qiáng)度隨光學(xué)深度減小得更加迅速［25］.在僅有吸收、沒有散射的介質(zhì)中，光場(chǎng)的角度分布不會(huì)隨傳輸距離的增加而發(fā)生改變.事實(shí)上，湖泊水體具有高散射的特性［26］，水體中懸浮性藻顆粒的存在使湖水的散射具有明顯的前向峰值［27］.因此，光束在水體中傳輸時(shí)，隨傳輸距離、散射次數(shù)的不同，光場(chǎng)的角度分布會(huì)有明顯的變化.傳輸距離越長(zhǎng)，散射次數(shù)越多，光場(chǎng)的漫射分布特征就越明顯.特別是在藻華期間，高度累積在水體表層的生物量，使得下層水體獲取的有效光合作用輻射大幅衰減，稱為藻華過程的“自我遮蔽”效應(yīng)［28-29］，造成了藻華期間水體真光層深度降低，下行輻照度減少.

表1　巢湖Chl.a濃度垂向分布類型及其函數(shù)表達(dá)*Tab.1 Vertical distribution tyPe and mathematic exPression __of chloroPhyll-a concentration in Lake Chaohu，China

水下光場(chǎng)的研究可以通過輻射傳輸理論模型或者野外實(shí)測(cè)的方式開展.隨著水體光輻射傳輸理論的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法在水下光場(chǎng)模擬中得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)上述輻射傳輸理論模型得到水下光場(chǎng)分布的方法有：Monte Carlo光線追蹤法［30-35］、不變嵌入法［25］、離散坐標(biāo)法［36］、矩陣算法［37-40］等；其中，Mobley利用不變嵌入方法開發(fā)的Hydrolight商業(yè)軟件［41］成為開展水下光場(chǎng)模擬研究的主要技術(shù)手段.Hydrolight可以模擬不同水體狀況、角度、波長(zhǎng)下的水下光場(chǎng)，還可以考慮拉曼散射和熒光效應(yīng)的影響，因此利用Hydrolight輻射傳輸模擬技術(shù)可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的水下光場(chǎng).Liu等［42-43］提出了一種快速準(zhǔn)確模擬水下光場(chǎng)輻照度的模型，基于Hydrolight參數(shù)的敏感性分析，建立了參數(shù)查找表，平均誤差在2%左右.Hydrolight假設(shè)水體水平均一，是一維的，無法解決復(fù)雜邊界諸如水華聚集到表面后有異于傳統(tǒng)水體輻射過程的問題.

蒙特卡洛方法（Monte Carlo，MC）是利用隨機(jī)數(shù)對(duì)隨機(jī)過程進(jìn)行數(shù)值模擬的方法，可以模擬以任意數(shù)學(xué)模型表述的光在介質(zhì)中的輻射傳輸過程［44］，是目前水體光學(xué)模型中唯一能解決有復(fù)雜邊界問題的方法.此外，該方法可以直觀地表達(dá)輻射傳輸過程中光束被水中粒子（水分子、懸浮顆粒物等）吸收和散射過程，物理結(jié)構(gòu)清晰.它可以對(duì)任意入射光線、散射相函數(shù)和固有光學(xué)屬性分布情況下的水下光場(chǎng)進(jìn)行三維模擬，可以解決一維模型所不能解決的問題，更加符合客觀世界的實(shí)際情況.Monte Carlo方法具有較強(qiáng)的靈活性，可以模擬野外測(cè)量難以達(dá)到的極限條件［45］.在水體光學(xué)研究領(lǐng)域，Plass等［30-35］已經(jīng)用Monte Carlo方法解決不同的海洋光學(xué)問題.國內(nèi)學(xué)者在模擬浮標(biāo)浮體陰影及其安裝的儀器自陰影對(duì)水下光輻射測(cè)量的影響［46］、理想簡(jiǎn)單條件下的水下光場(chǎng)Monte Carlo模擬及水下光場(chǎng)的二向反射特性研究［45，47］方面取得了一定的成果.上述分析表明，基于能對(duì)任意用數(shù)學(xué)公式和離散數(shù)值給出的邊界條件和參數(shù)分布進(jìn)行模擬的特點(diǎn)，Monte Carlo可用于藻顆粒富集、水體具有垂向分層、具有復(fù)雜邊界條件的富營養(yǎng)化湖泊的水下光場(chǎng)模擬，但目前這方面研究工作還沒有開展.但是，Monte Carlo方法存在運(yùn)行效率慢的問題，在模擬大量光子減少噪聲的同時(shí)，加劇了運(yùn)行的負(fù)擔(dān).即使有提高計(jì)算速度的方法（如方差縮減技術(shù)等），但這些方法只在一定程度上提高光子的利用效率.Monte Carlo方法的計(jì)算數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立，串行數(shù)據(jù)處理少等優(yōu)良的并行化特性，可以使用并行化方法來提高運(yùn)行效率，可以達(dá)到幾百上千的加速比［48］.

4　垂向異質(zhì)水體遙感反射比的定量表達(dá)

對(duì)Ⅰ類水體而言，結(jié)合水體的固有光學(xué)特性（水體的總吸收a和總后向散射bb），有［49-50］：

式中，f=0.975-0.629μ0［51］，μ0為水下平均余弦；Q為上行輻照度與上行輻射亮度的比值；一般地，f/Q= 0.0945［52］、0.0922［34，53］或0.0924［54］.水體垂向光學(xué)均質(zhì)時(shí)，bb和a可以隨水深而變化，但bb/a不變［55］；或者bb和a都隨葉綠素而協(xié)同變化［27］，此時(shí)水體的光學(xué)屬性被浮游植物主導(dǎo)，a（z）和bb（z）的垂直結(jié)構(gòu)能夠通過同一個(gè)深度函數(shù)h（z）來導(dǎo)出，即a（z）=a（0）h（z），bb（z）=bb（0）h（z）.因此，光學(xué)均質(zhì)時(shí)，在每個(gè)深度z上，水體都有相同的反射率，即R/f=（bbz/az），此時(shí)：

水體在垂向上是否光學(xué)均質(zhì)，可以通過光學(xué)均質(zhì)指數(shù)H來判斷［55］：

當(dāng)水體光學(xué)垂向非均質(zhì)時(shí)，適用于光學(xué)均質(zhì)水體的式（3）就會(huì)帶來較大誤差.Gordon等［56］認(rèn)為如果光活性物質(zhì)C具有垂直分布結(jié)構(gòu)C（z）時(shí)，遙感反射比則等同于該光活性物質(zhì)垂直均質(zhì)時(shí)的情況：

式中，z90為向下輻照度衰減到90%的深度，g（z）權(quán)重函數(shù)為：

式中，K為漫垂直衰減系數(shù).此時(shí)，對(duì)于式（3）的遙感反射比而言，bb/a可用來表達(dá)［56-57］：

Zaneveld［58］從理論上導(dǎo)出了光學(xué)垂直結(jié)構(gòu)變化情況下遙感反射比的關(guān)系表達(dá)；然而，該關(guān)系式由于包含了體散射函數(shù)和輻亮度分布，被認(rèn)為過于復(fù)雜而難以應(yīng)用［55］.Gordon［27］對(duì)這個(gè)權(quán)重函數(shù)所隱藏的假設(shè)條件（即分層海洋水體的反射率等同于浮游植物色素濃度均質(zhì)的海洋水體的反射率，這個(gè)浮游植物色素濃度是隨水深變化的函數(shù)的平均值），使用Monte Carlo模擬實(shí)驗(yàn)，從理論上加以證明.同樣使用Monte Carlo模型，Piskozub等［57］表明式（7）所示的權(quán)重函數(shù)過分依賴表層水體的光學(xué)特性，即會(huì)賦予表層水體更多的權(quán)重.于是又發(fā)展了另外一種權(quán)重函數(shù)f（z）：

于是有［55］：z

f（z）是g（z）的一階導(dǎo)數(shù)，在水體光活動(dòng)層的頂部具有最大值，不像g（z），它不是單調(diào)遞減函數(shù).但二者都涉及到2K的計(jì)算，不同的情況，可選擇不同的計(jì)算方式：2Kd、Ku+Kd、Kd+c（c為漫衰減系數(shù)）.對(duì)于光學(xué)遙感而言，一般情況下［57］，用2Kd的方法優(yōu)于用Ku+Kd的方法，Ku+Kd的計(jì)算結(jié)果要好于Kd+c.另外，通過輻照度剖面計(jì)算漫衰減系數(shù)，要好于通過固有光學(xué)特性的計(jì)算［55，57］.

在懸浮顆粒垂直平均的反演時(shí)，Pitarch等［59］給出了一個(gè)權(quán)重函數(shù)，即：

如果輸出深度不是很密，Ecolight能夠提供不很準(zhǔn)確的Ku和Kd，Ecolight能夠自動(dòng)增加靠近輸出深度的新深度.因此，通過每個(gè)點(diǎn)的Ecolight模擬，可以獲得Ku和Kd.與Hydrolight相比，Ecolight使用同樣的輸入數(shù)據(jù).公式（11）的權(quán)重函數(shù)依賴波長(zhǎng)，為了獲得單一波長(zhǎng)處的平均值，需要按照公式（12）進(jìn)行波長(zhǎng)平均：

5　藻類垂向異質(zhì)對(duì)水色參數(shù)遙感反演模型的影響

目前，生物光學(xué)模型和水體光學(xué)參數(shù)的測(cè)量和使用大都假設(shè)水體垂向均一，但是不考慮水體光學(xué)組分的垂直非均勻分布會(huì)帶來很大誤差［12，60-61］.Sathyendranath等［12］認(rèn)為，在不考慮葉綠素濃度垂直分布情況下計(jì)算光學(xué)深度和真光層總?cè)~綠素濃度，最大相對(duì)誤差可能超過100%.Ⅰ類水體葉綠素垂向一般呈高斯分布，如果不考慮其垂向結(jié)構(gòu)，對(duì)遙感反射比造成的誤差最低大于5%，極端條件下可能超過70%，近表層水體的衰減系數(shù)越小，下層水體對(duì)遙感反射比的影響越強(qiáng)［62-63］.

與藻類垂向均一相比，藻類垂向非均勻分布主要影響遙感反射比的大小及光譜形狀［64］.在Ⅰ類水體中葉綠素濃度垂向呈高斯分布時(shí)，葉綠素濃度的高斯峰值趨向于增加綠光波段的遙感反射比，減少藍(lán)光波段的遙感反射比［13］.赤潮多發(fā)區(qū)，垂向非均勻情況下的遙感反射比要高于垂向均勻的情況（藻總量相同），葉綠素濃度非均勻剖面參數(shù)的變化主要影響遙感反射比的綠黃波段，對(duì)藍(lán)、紅波段幾乎沒有影響［65］.馬孟梟等［66］利用Hydrolight模擬藻類多種高斯垂向分布條件下，藻類垂向分布對(duì)典型葉綠素a反演算法波段比值法的影響.結(jié)果表明，藻類垂向非均勻分布尤其是水下0.5 m范圍內(nèi)，將會(huì)嚴(yán)重干擾波段比值算法的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致反演算法的失效.藻類垂向異質(zhì)對(duì)Rrs的影響程度受水體光學(xué)活性物質(zhì)濃度、垂向結(jié)構(gòu)、水體衰減系數(shù)等的共同影響.已有的水質(zhì)參數(shù)反演算法大多基于表層幾十公分的混合樣或者單一水層建立的模型，當(dāng)藻類垂向異質(zhì)對(duì)Rrs的影響很大時(shí)，勢(shì)必會(huì)將這種誤差引入水質(zhì)參數(shù)反演模型，引起反演產(chǎn)品的高估或低估，這對(duì)正確估計(jì)水質(zhì)參數(shù)濃度的空間分布會(huì)產(chǎn)生干擾，而且這種干擾可能是空間不均勻分布的.

6　展望

太湖等東部地區(qū)湖泊是我國最為典型的富營養(yǎng)化湖泊之一，近年來以藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)類群［67-68］的藻華暴發(fā)頻繁［69-70］，藻顆?；虼罅科∮谒婊蜓蜎]于水體.這些在水平與垂直方向異質(zhì)分布的藻顆粒，改變了傳統(tǒng)的水色遙感理論基于水體水平和垂向均一的假設(shè)前提，水色參數(shù)遙感定量反演的不確定大大增加.因此，藻顆粒及其引起的水體垂向結(jié)構(gòu)變化，成為水色遙感，特別是富營養(yǎng)化湖泊水色遙感不可忽略的問題.目前主要存在3個(gè)方面還不清楚，亟需加強(qiáng)研究：

1）水面藻顆粒密度與遙感反射比的定量關(guān)系不清.遙感反射比除了受水體不同組分的影響外，還受水-氣界面的影響.藻顆粒在不同水文氣象條件下的富集，改變了水面的物質(zhì)組成，水體的透光性下降，在極端情況下甚至使得自然光難以穿透這些大量積聚而漂浮在水面的藻顆粒，從而改變了水體的輻射傳輸過程.因此，水面藻顆粒密度顯著影響著水-氣界面光的透射率，改變了透過水面進(jìn)入水體的光通量，直接影響著水體的遙感反射比.遙感反射比的細(xì)微變化，包含了藻顆粒在水面的富集信息，反映了水面不同的藻顆粒密度；然而，目前尚不清楚不同的水面藻顆粒密度與遙感反射比的響應(yīng)關(guān)系.

2）水中藻顆粒對(duì)水下光場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制不清.受水文氣象條件的影響以及藻顆粒自身特性的限制，水體中的藻顆粒存在著垂向分層現(xiàn)象，也改變著自然光的輻射傳輸路徑和方向，一定程度上影響著水下光場(chǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響著水體的遙感反射比.實(shí)際上，藻顆粒的垂向分層具有不同的垂直梯度和結(jié)構(gòu)模式.不同的梯度與結(jié)構(gòu)，對(duì)水下光場(chǎng)的影響不同，但影響機(jī)制目前尚不清楚.

3）藻顆粒本身的光學(xué)特性需要進(jìn)一步明確.遙感反射比取決于水體的固有光學(xué)特性，固有光學(xué)特性獨(dú)立于介質(zhì)的環(huán)境光場(chǎng)，由介質(zhì)本身決定.富營養(yǎng)化湖泊中，藻顆粒是最重要的一種介質(zhì)，它們或以單一藻顆粒、或以顆粒集聚體的形式存在，因此具有不同的粒徑大小、形狀結(jié)構(gòu)和色素組成，決定著不同的固有光學(xué)特性（吸收和散射特性），對(duì)遙感反射比有著不同程度的影響.

藻顆粒在水面和水體中的大量富集，引起水面物質(zhì)組成、水體光學(xué)特性以及水體輻射傳輸過程的變化，是富營養(yǎng)化湖泊水色遙感研究中面臨的基本理論問題.對(duì)這些問題的研究，不但可以補(bǔ)充完善湖泊水色遙感的基本理論和方法，而且能夠推動(dòng)湖泊水色遙感和湖泊定量遙感的發(fā)展，具有較大的科學(xué)意義.另外，通過藻顆粒及其垂向不均勻下的非傳統(tǒng)水色遙感研究，可以定量揭示遙感反射比與水柱中藻顆粒密度的定量關(guān)系，有助于實(shí)現(xiàn)藻總量的精確遙感反演與估算，為藻類生態(tài)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警服務(wù)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

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The status and deveLopment of the non-traditionaL Lake water coLor remote sensing

MA Ronghua，ZHANG Yuchao&DUAN Hongtao
（State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China）

We define“non-traditional water color remote sensing”as the study of the heterogeneous vertical distribution of water color Parameters and their inherent oPtical ProPerties，in relation to the environmental factors（external and internal）that influence their distribution.This is quite different from traditional water color remote sensing as it includes the third dimension，rather than assuming homogeneous vertical distribution of water color Parameters.In this study，we exPlore aPProaches to determine the vertical distribution of chloroPhyll-a and exPlore methods to simulate the underwater light field.It should be noted that remote sensing reflectance（Rrs）of non-uniform water column could be equivalent to oPtically weighted Rrswith vertical uniform distribution.The effects of non-uniform vertical Profiles of chloroPhyll-a concentration on inversion models of remote-sensing is exPlored，and challenges should be the focus of further research.

Water color remote sensing；vertical distribution；non-traditional；status；develoPment；lake

10.18307/2016.0201

*國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目（41431176）資助.2015-04-20收稿；2015-06-08收修改稿.馬榮華（1972～），男，博士，研究員；E-mail：rhma@niglas.ac.cn.