東北地理所在中國湖泊水庫總磷遙感反演研究取得新進展
近幾十年來，在污水排放、營養鹽富集、圍湖造湖、氣候變化等多重壓力的協同影響下，我國湖泊水庫富營養化趨勢迅速加劇。磷被廣泛認為是一種限制生長的營養物質，是80%水體富營養化的主要誘因。我國政府高度重視監測和控制湖泊總磷（TP）濃度。由于TP是非光學活性參數，因此在全國范圍內對湖泊和水庫中的TP遙感反演面臨巨大挑戰。
為了解決這一問題，本研究提出了一種基于TP（Ln（TP））和B33/B9自然對數的散點圖雙線分類方法，并將2012~2022年在中國105個湖泊和水庫進行實地考察的1211個實測樣本分為1類、2類和3類（圖1）。結果表明，所提出的分類方法能夠增強Ln（TP）與43個基本潛在單波段和波段組合之間的相關性。具體而言，相關性范圍從未分類的（-0.31,0.15）提高到第一類的（-0.77，0.24），第二類的（-0.81，0.36），第三類的（-0.74，0.52）。此外，該分類方法還改善了Ln（TP）和820波段比之間的相關性范圍，從未分類的（-0.32，0.32）提高到第1類的（-0.83，0.82），第2類的（-0.16，0.86）和第3類的（-0.56，0.86）。
圖1 1211個測量樣本點的空間分布，用于校準和驗證從中國105個湖泊和水庫收集的不同分類的模型。底圖是2020年的土地利用數據類型。
這些數據集隨后被代入極限梯度增強（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（R2=0.76，RMSE=0.3，MAPE=12%）、2類（R2=0.84，RMSE=0.49，MAPE=38%）和3類（R2=0.74，RMSE 0.46，MAPE=14%）模型繪制了中國563個大型湖泊和水庫（≥20 km2）的TP圖（圖2）。這項研究提出了一種適用于全國范圍內湖泊水庫的遙感反演TP濃度的新方法。由于數值范圍代表性強、樣本點地理分布廣泛，首次構建了令人滿意的全國湖泊水庫TP估算模型。該研究也為今后全國范圍內湖泊水庫非光學水質參數時空演化的遙感監測和分析提供了有價值的參考。此外，利用MODIS影像繪制2005年、2010年、2015年和2020年TP時空分布圖，可以為政府評估地方污染防治行動計劃的有效性提供有價值的科學指導。
圖2 基于1、2和3類中訓練數據集（a、c、e）和測試數據集（b、d、f）的XGBoost回歸器測量和估計Ln（TP）的核密度分布。每個圖中的白色虛線是y=x線
該研究成果發表在國際期刊Science of The Total Environment上，中國科學院東北地理與農業生態研究所房沖項目副研究員為第一作者，宋開山研究員為通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金青年項目(42101366,42201433)，“黑土糧倉”科技會戰人才專項基金和中國科學院東北地理與農業生態研究所青年科學家小組項目（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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