2000年—2020年中國大型湖泊月平均透明度遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集

劉東，張民，曹志剛，沈明，齊天賜，馬金戈，段洪濤，3

1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210008;

2.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;

3.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,西安710127

1 引 言

水體透明度是指黑白賽克盤（Secchi disk）垂直沉入水中直至看不見的深度，可用于表征水體清澈程度，通常透明度越高，水體越清澈。由于其低廉的測量成本和簡易操作性，透明度已有超過100年的測量歷史，并被廣泛應(yīng)用于研究湖泊水下光環(huán)境和水體浮游植物含量等的時(shí)空變化（Carlson，1977；Lee 等，2015）。然而，湖泊透明度具有高時(shí)空動態(tài)性，不同湖泊、同一湖泊不同水域或季節(jié)的透明度常存在明顯時(shí)空差異（Liu等，2020）。因此，固定點(diǎn)位獲取的一定時(shí)間頻率的透明度測量結(jié)果，對高時(shí)空動態(tài)變化的湖泊水環(huán)境監(jiān)測存在局限性。衛(wèi)星遙感具有長時(shí)間、大范圍和周期性特點(diǎn)，對大區(qū)域范圍、高動態(tài)變化的湖泊水環(huán)境監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢。

自20 世紀(jì)90年代以來，衛(wèi)星遙感越來越多的被應(yīng)用于水體透明度監(jiān)測。在Web of Science 以“water transparency”O(jiān)R“water clarity”AND“satellite remote sensing”為檢索詞共找到1777條結(jié)果；1990s 以前每年只有幾條相關(guān)的檢索結(jié)果；1990s以來數(shù)量呈爆發(fā)式增長，從1991年的49 條增長至2020年的709 條。受限于水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)低空間分辨率，其最開始主要應(yīng)用于全球海洋的透明度反演（Prasad 等，1998）。伴隨遙感技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入21 世紀(jì)后，衛(wèi)星數(shù)據(jù)逐漸應(yīng)用于內(nèi)陸湖泊透明度監(jiān)測，同步監(jiān)測的湖泊數(shù)量也從一開始的一個(gè)或幾個(gè)湖泊擴(kuò)展至區(qū)域乃至全國湖泊群（Duan等，2009； Kloiber 等， 2002； Olmanson 等， 2008；Song 等，2020；Wang 等，2020）。例如，基于長時(shí)序Landsat 數(shù)據(jù)，Olmanson 等（2008）反演了美國民尼蘇達(dá)州近10000 個(gè)湖泊在1985年—2005年間的透明度；Song 等（2020）和Wang 等（2020）分別基于Landsat 和MODIS 數(shù)據(jù)反演了中國湖泊透明度。由于湖泊水體光學(xué)的復(fù)雜性，已有的湖泊透明度遙感大多采用的是經(jīng)驗(yàn)算法（Ma等，2010；Olmanson 等，2008）。近年來，Lee 等（2015）更正了關(guān)于水體透明度的錯(cuò)誤推到，提出了一種新的水體透明度理論和半分析遙感方法。Feng 等（2019）將該新方法成功應(yīng)用于中國長江中下游湖泊群的透明度遙感反演，證明了該新理論在內(nèi)陸復(fù)雜湖泊水體的適用性。

雖然衛(wèi)星遙感透明度對高動態(tài)湖泊水環(huán)境監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢，但目前其應(yīng)用范圍仍局限于少數(shù)人或部門。究其原因，主要是遙感數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)和大氣校正等專業(yè)處理的復(fù)雜性使生產(chǎn)透明度產(chǎn)品具有一定門檻，同時(shí)也反映出生產(chǎn)湖泊透明度數(shù)據(jù)集的必要性。目前雖已有中國湖泊透明度數(shù)據(jù)集發(fā)布（Wang 等，2020），但還沒有關(guān)于中國湖泊月尺度透明度的數(shù)據(jù)集發(fā)布。由第二次全國湖泊調(diào)查結(jié)果可知，全國共有面積＞1 km2的湖泊2928 個(gè)（馬榮華等，2011）。根據(jù)區(qū)域自然環(huán)境、湖泊資源開發(fā)利用和湖泊環(huán)境整治等特征劃分為5 個(gè)湖區(qū)，分別為：西北干旱湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)和東部平原湖區(qū)（馬榮華 等，2011）?；贕EE（Google Earth Engine）云計(jì)算平臺和Google 云存儲的海量遙感數(shù)據(jù)，本研究將構(gòu)建的透明度遙感算法應(yīng)用于中國大型湖泊，構(gòu)建了中國412 個(gè)湖泊2000年—2020年的月平均透明度數(shù)據(jù)集。

2 數(shù)據(jù)源介紹

2.1 全國湖泊實(shí)測透明度

為構(gòu)建適用于中國不同區(qū)域湖泊水體透明度的高魯棒性遙感算法，收集整理了2008年—2018年采集的覆蓋中國不同區(qū)域的湖泊實(shí)測透明度（圖1，表1）。不同湖區(qū)有實(shí)測透明度數(shù)據(jù)的湖泊數(shù)和總樣本量如表1 所示：總共有2236 個(gè)點(diǎn)位的實(shí)測透明度，這些實(shí)測透明度分布在不同湖區(qū)的299個(gè)湖泊中，采樣點(diǎn)位置分布如圖1所示。由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，不同湖區(qū)、同一湖區(qū)內(nèi)不同湖泊的透明度均有明顯差異，整體呈現(xiàn)出西部湖區(qū)透明度高于東部湖區(qū)的分布（表1）。值得注意的是：由于實(shí)測透明度具有湖泊選擇性，實(shí)測結(jié)果可能不完全代表各湖區(qū)情況，如青藏高原羌塘地區(qū)湖泊具有低透明度（Liu 等，2020），但實(shí)測數(shù)據(jù)幾乎沒有覆蓋（圖1，審圖號：GS（2016）1549），從而可能導(dǎo)致該湖區(qū)實(shí)測透明度平均值偏高。

表1 2003年—2018年中國不同湖區(qū)實(shí)測透明度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of in situ water transparency in different lake zones in China from 2003—2018

圖1 中國大型湖泊及實(shí)測透明度采樣點(diǎn)分布（中國5大湖區(qū)的劃分參考馬榮華等（2011）Fig.1 Spatial locations of large lakes and sampling stations in China（Please refer to Ma et al.（2011）for the divisions of five lake zones

2.2 MODIS地表反射率

為遙感反演中國湖泊透明度，本文選用搭載在美國Terra 衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）獲取的地表反射率數(shù)據(jù)集MOD09GA。MOD09GA 數(shù)據(jù)集由美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測與科學(xué)中心提供（https：//www.usgs.gov/centers/eros［2021-03-28］），全球覆蓋的時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為500 m，時(shí)間跨度為2000-02-24 至今。MOD09GA包含MODIS 掃描的7 個(gè)波段的地表反射率；此外，還有一個(gè)反射率數(shù)據(jù)狀態(tài)波段，記錄了像元的云覆蓋、云陰影、氣溶膠厚度、冰雪覆蓋、陸地/水體范圍等信息（Vermote 等，2015）。GEE 平臺存儲有MOD09GA 數(shù)據(jù)集，可以通過代碼調(diào)用應(yīng)用于中國透明度產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的快速計(jì)算和制圖。

2.3 數(shù)據(jù)集包含的中國大型湖泊

MOD09GA 數(shù)據(jù)一個(gè)像元覆蓋的地表面積為0.25 km2，為使每個(gè)湖泊有足夠多的觀測像元，參照中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所第二次全國湖泊調(diào)查結(jié)果（馬榮華等，2011），研究只關(guān)注中國水面面積＞20 km2的大型湖泊，全國共有472 個(gè)，其分布如圖1所示。不同湖區(qū)包含的大型湖泊數(shù)量（百分比）、面積范圍和總面積（百分比）情況如表2所示。

表2 中國不同湖區(qū)湖泊信息和2019年透明度Table 2 Basic information on lakes and water transparency in 2019 for different lake zones in China

3 數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

基于多源數(shù)據(jù)和GEE 云計(jì)算平臺，研究生產(chǎn)了中國大型湖泊的月平均透明度數(shù)據(jù)集。具體生產(chǎn)流程如圖2 所示：首先，基于GEE 云計(jì)算平臺，查找現(xiàn)場實(shí)測透明度時(shí)空同步的無云高質(zhì)量MOD09GA 反射率；然后，構(gòu)建適用于中國湖泊的透明度遙感算法，并利用獨(dú)立數(shù)據(jù)集進(jìn)行算法性能評估；最后，將構(gòu)建好的遙感算法應(yīng)用于GEE云平臺存儲的長時(shí)序MOD09GA 數(shù)據(jù)集，進(jìn)行透明度產(chǎn)品快速計(jì)算與制圖（圖2，審圖號：GS（2016）1549）。其中，涉及的主要步驟包括非水體像元去除、透明度遙感算法構(gòu)建、透明度遙感精度評估、全國月平均透明度計(jì)算、各湖泊月平均透明度裁剪等。

圖2 中國大型湖泊月平均透明度數(shù)據(jù)集生產(chǎn)流程圖（全國湖泊邊界圖參考Ma等（2010），實(shí)測透明度分布和算法性能評估圖參考Liu等（2020）Fig.2 Production flow chart of monthly mean water transparency dataset for large lakes in China（Please refer to Ma et al.（2010）for lake boundaries and to Liu et al.（2020）for the charts of in situ transparency distribution and algorithm performance evaluation

3.1 非水體像元去除

MOD09GA 數(shù)據(jù)集包括MODIS掃描覆蓋的所有像元的地表反射率。為去除云、云陰影和陸地等非水體像元，研究使用了MOD09GA 的反射率數(shù)據(jù)狀態(tài)波段（Vermote 等，2015）。該波段由16 位組成，第1—2 位的值表示云狀態(tài)，第3 位的值表示是否云陰影，第4—6 位的值標(biāo)識陸地/水體（Vermote 等，2015）。根據(jù)上述位值信息，篩選出晴空無云的內(nèi)陸水體區(qū)域，即MOD09GA 反射率狀態(tài)波段前5 位的值為000011 或000101。去除云、云陰影和陸地像元后，對剩余像元計(jì)算歸一化水體指數(shù)NDWI（Normalized Difference Water Index）（McFeeters，1996），并對NDWI 應(yīng)用OTSU 算法進(jìn)行雙峰閾值分割，篩選出高質(zhì)量的內(nèi)陸水體像元（Otsu，1979）。NDWI計(jì)算公式如式（1）所示：

式中，Rrs（Band2）和Rrs（Band4）分別表示MOD09GA第2波段（近紅外）和第4波段（綠光）的地表反射率。

3.2 透明度遙感算法構(gòu)建

基于現(xiàn)場調(diào)查透明度和同步掃描獲取的MOD09GA 地表反射率，分3 步構(gòu)建中國湖泊透明度遙感算法，更多算法構(gòu)建細(xì)節(jié)可以參考Liu 等（2020）：

（1）是進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查透明度與MOD09GA 地表反射率時(shí)空匹配。參照NASA 采用的星地匹配規(guī)則（Bailey 和Werdell，2006），通過GEE 平臺查找實(shí)測透明度在±3 h 時(shí)間窗口范圍內(nèi)的同步地表反射率。依據(jù)Kloiber 等（2002），當(dāng)時(shí)間匹配窗口放寬至7 d 時(shí)，不會對透明度遙感產(chǎn)生明顯影響。為增加匹配點(diǎn)，對于實(shí)測透明度大于200 cm 的點(diǎn)位，同時(shí)查找±7 d內(nèi)的MOD09GA地表反射率。

（2）是篩選MOD09GA 有效地表反射率。根據(jù)3.1 節(jié)介紹的方法，對±3 h 時(shí)間窗口內(nèi)的反射率去除云、云陰影和陸地等影響的像元后，共篩選出451 對有效匹配。對實(shí)測透明度大于200 cm 的點(diǎn)位，如果在±3 h 時(shí)間窗口內(nèi)沒有有效匹配，則逐步擴(kuò)大時(shí)間窗口至±7 d 或找到有效匹配，共篩選出38 對有效匹配。因此，共對489 個(gè)實(shí)測透明度找到MOD09GA 地表反射率的有效匹配，分布如圖1 所示；其中，西北干旱湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)和東部平原湖區(qū)各有58、51、21、68和291個(gè)。

（3）是光譜分析與算法構(gòu)建。水體透明度通常隨水體懸浮物含量的增加呈指數(shù)降低（Shi 等，2015）。而懸浮物具有光吸收和散射特性，隨著懸浮物含量增加，水體遙感反射率在紅綠波段呈現(xiàn)反射峰（He等，2013；Williamson和Grabau，1973）。因此，紅綠波段遙感反射率常被用于湖泊懸浮物濃度或透明度遙感反演（Feng等，2012；劉翀等，2017；Shi 等，2015；Song 等，2020）。研究從星地匹配對中隨機(jī)選取75%進(jìn)行算法構(gòu)建，通過評價(jià)不同波段組合（比值、差值等）與實(shí)測透明度的關(guān)系式（線性、指數(shù)、冪函數(shù)和多項(xiàng)式等），構(gòu)建了適用于中國湖泊透明度的經(jīng)驗(yàn)遙感算法，如式（2）：

式中，SDD 為透明度；Rrs（Band1）和Rrs（Band4）為MOD09GA 第1 波段（紅光）和第4 波段（近紅外）的地表反射率；R為中間變量，表示兩個(gè)波段的平均遙感反射率。

3.3 透明度遙感精度評估

研究從3 方面評估了所構(gòu)建的透明度遙感算法，結(jié)果如表3所示。（1）利用建模外的25%星地匹配對進(jìn)行模型驗(yàn)證，得到的平均絕對百分比誤差MAPD （Mean Absolute Percent Difference） 為32.72%。（2）與其他人的結(jié)果進(jìn)行比較。對青藏高原各湖泊2000年—2018年平均透明度，與劉翀等（2017）結(jié)果進(jìn)行比較，MAPD 為15.36%；對東部平原各湖泊2000年—2018年平均透明度，與Feng 等（2019）結(jié)果進(jìn)行比較，MAPD 為35.68%。（3）將新構(gòu)建的算法應(yīng)用于國際水色協(xié)調(diào)組發(fā)布的模擬數(shù)據(jù)集（https：//www.ioccg.org/data［2021-03-28］），并和Lee等（2015）半分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，MAPD 為59.32%。MAPD、均方根誤差和偏差的計(jì)算公式及其他更多關(guān)于算法構(gòu)建和精度評估的信息，請參考Liu等（2020）。

表3 算法驗(yàn)證結(jié)果及與其他已發(fā)表算法對比Table 3 Algorithm validation results and comparisons with other published algorithms

3.4 全國月平均透明度計(jì)算

為生產(chǎn)中國不同湖泊每個(gè)月平均透明度，研究將式（2）應(yīng)用于GEE 存儲的日尺度MOD09GA地表反射率。在去除云、云陰影和陸地等像元后（3.1 節(jié)），對晴空日水體像元計(jì)算透明度值，對非晴空水體像元賦值為0。然后，對所有像元計(jì)算月內(nèi)不同天的有效遙感透明度的算術(shù)平均值，并將結(jié)果存儲為對應(yīng)的月平均透明度值。值得注意的是，由于西北干旱湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)和東北平原與山地湖區(qū)湖泊在冬季10 月到次年春季4 月會結(jié)冰（Cai 等，2019）；為避免湖面結(jié)冰對水體透明度遙感的影響，對這3個(gè)湖區(qū)的所有湖泊及東部平原湖區(qū)高緯度的衡水湖、東平湖、南四湖和洪澤湖只計(jì)算了夏秋季5—9月的平均透明度。

3.5 各湖泊月平均透明度裁剪

通過3.4 節(jié)得到的是所有MOD09GA 可識別水體的月平均透明度，除了研究關(guān)注的中國大型湖泊，還包括一些大型河流和中小型湖泊水體，時(shí)間跨度為2000-02—2020-12。在此基礎(chǔ)上，研究利用第二次全國湖泊調(diào)查結(jié)果（馬榮華等，2011）的湖泊邊界，裁剪得到全國不同湖泊、不同月份的平均透明度數(shù)據(jù)。對全國水面積＞20 km2的472個(gè)大型湖泊（2.3 節(jié)），由于部分湖泊水面面積變化劇烈或呈狹長型，去除鄰近陸地的兩個(gè)像元后，只有412 個(gè)湖泊在2000年—2020年間的透明度有效觀測年份大于10年。因此，最后構(gòu)建的數(shù)據(jù)集只包含412個(gè)湖泊的月平均透明度，其中西北干旱湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)和東部平原湖區(qū)分別包含40、262、11、20和79個(gè)湖泊。

3.6 數(shù)據(jù)存儲格式與命名

研究構(gòu)建的是中國412 個(gè)大型湖泊2000年—2020年的月平均透明度數(shù)據(jù)集，每個(gè)湖泊共有239 個(gè)文件（MODIS 數(shù)據(jù)從2000-02 開始獲取）。數(shù)據(jù)以GeoTiff 柵格格式存儲，同時(shí)保存有像元透明度值和坐標(biāo)信息，數(shù)據(jù)類型為32 位的無符號整型，空間參考地理坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS 84，像元空間分辨率為500 m。每個(gè)文件只包含一個(gè)波段：0 值表示非水體像元或無有效MODIS 觀測；大于0 表示遙感反演的月平均透明度，單位為cm。

每個(gè)數(shù)據(jù)文件采用字段加下劃線形式命名，具體為“平臺標(biāo)識_載荷標(biāo)識_國家_湖區(qū)_湖泊編碼_年份_月份_數(shù)據(jù)類型_空間分辨率_數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)間_版本號.后綴名”。示例如下：

TERRA_MODIS_CHINA_EPL_F32A001_2020_08_SDD_500m_20210331125631_V1.0.tif

其中，TERRA 為Terra 衛(wèi)星；MODIS 為中分辨率成像光譜儀；CHINA表示所在國家為中國；EPL表示所在湖區(qū)為東部平原湖區(qū)，西北干旱湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)和東北平原與山地湖區(qū)分別用IMXL、TPL、YGPL 和NPML 表示（Ma等，2010）；F32A001 標(biāo)識對應(yīng)湖泊為太湖，湖泊編碼參照第二次全國湖泊調(diào)查結(jié)果（馬榮華等，2011）；2020 和08 表示文件對應(yīng)為2020-08 的平均透明度數(shù)據(jù)；500 m 表示空間分辨率為500 m；數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)間采用14 位數(shù)字“年年年年月月日日時(shí)時(shí)分分秒秒”表示；V1.0 為版本號；tif 為GeoTiff數(shù)據(jù)文件的后綴名。

4 數(shù)據(jù)集的應(yīng)用價(jià)值及案例

4.1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢

基于GEE 平臺存儲的日尺度MOD09GA 數(shù)據(jù)集，研究生產(chǎn)的中國大型湖泊月平均透明度數(shù)據(jù)集在時(shí)空覆蓋方面具有突出特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面也具有獨(dú)特優(yōu)勢。（1）在空間覆蓋方面，數(shù)據(jù)集包含了全國不同湖區(qū)的412個(gè)大型湖泊，基于該數(shù)據(jù)集可以進(jìn)行全國湖泊透明度的時(shí)空變異研究，而且能避免不同算法或數(shù)據(jù)集之間的系統(tǒng)偏差。（2）在時(shí)間覆蓋方面，月尺度透明度數(shù)據(jù)集可以部分避免異常值影響，同時(shí)保留季節(jié)變異信息，可用于研究不同湖泊透明度的季節(jié)變異特征。（3）數(shù)據(jù)集具有強(qiáng)時(shí)空拓展性，數(shù)據(jù)集之外的中國其他湖泊或其他月份，基于上述生產(chǎn)流程可以實(shí)現(xiàn)月平均透明度的快速計(jì)算與制圖。

4.2 中國不同湖區(qū)湖泊透明度對比

基于月平均透明度數(shù)據(jù)集，可以計(jì)算得到不同湖泊的年平均透明度，從而能分析中國不同湖區(qū)湖泊透明度的空間分布特征。2019年，中國各湖區(qū)不同湖泊透明度范圍和面積加權(quán)平均透明度如表2所示。整體上，中國湖泊透明度呈現(xiàn)出“東低西高”：東部湖泊透明度低，西部湖泊透明高。各湖區(qū)的年平均透明度遙感結(jié)果與實(shí)測值（表1、表2）一致：東部平原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)的湖泊透明度較低，而青藏高原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)的湖泊透明度較高。2019年，全國不同湖泊年平均透明度如圖3 所示（審圖號：GS（2016）1549），不同湖區(qū)年平均透明度大于1 m 的湖泊數(shù)量占比如表2所示，云貴高原湖區(qū)最高。

圖3 2019年全國不同湖泊年平均透明度（西北干旱湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)、東北平原山地湖區(qū)湖泊的年平均透明度計(jì)算只用了夏秋季5—9月的遙感結(jié)果Fig.3 Annual mean water transparency of different lakes in 2019（Values of lakes in the Inner Mongolia-Xinjiang Lake Zone，the Tibetan Plateau Lake Zone，and the Northeast Plain and Mountain Lake Zone was calculated using remote sensing results from May-September

4.3 典型湖泊透明度月尺度時(shí)空變異

不同湖泊月平均透明度有顯著的時(shí)間變異特征。Liu 等（2020）報(bào)道中國湖泊透明度的主控因素是水體懸浮物含量，包含再懸浮的沉積物和浮游藻類。風(fēng)速和水深是沉積物再懸浮的重要控制因素，大風(fēng)時(shí)湖泊易發(fā)生沉積物再懸?。˙ailey 和Hamilton，1997；Carper和Bachmann，1984）；而氣溫則是浮游藻類生長繁殖的一個(gè)重要因素（Rhee和Gotham，1981）。除青藏高原湖區(qū)和西北干旱湖區(qū)，中國其他3 個(gè)湖區(qū)都處于季風(fēng)氣候區(qū)，夏季風(fēng)速低、氣溫高，而冬季則相反；在青藏高原湖區(qū)和西北干旱湖區(qū)，也表現(xiàn)為夏季風(fēng)速低、氣溫高（Liu等，2020）。氣候因子的季節(jié)變化使湖泊月平均透明度季節(jié)變異呈現(xiàn)兩種典型類型：第1種是懸浮物主要由沉積物組成的淺水湖泊透明度呈夏季峰值、冬季谷值；第2種是懸浮物主要由浮游藻類組成的深水湖泊透明度呈夏季谷值、冬季峰值。對云貴高原湖區(qū)的深水湖泊—撫仙湖，2000年—2020年夏季5—7 月的透明度明顯（470.44±237.3 cm）低于冬季11—1月（1294.87±289.75 cm），典型的屬于第2 種類型（圖4、圖5）。而對于東部平原湖區(qū)的淺水湖泊—鄱陽湖，2000年—2020年夏季的透明度（136.24±97.35 cm）明顯高于冬季（28.82±14.34 cm），典型的屬于第一種類型（圖4、圖6）。對中國其他湖泊，根據(jù)透明度的季節(jié)變異特征也可分為這兩種類型一種（Liu等，2020）。

圖4 遙感反演的2000年—2020年撫仙湖與鄱陽湖月平均透明度時(shí)間序列Fig.4 The satellite-derived monthly mean water transparency values of Lake Fuxian and Lake Poyang from 2000 to 2020

同一湖泊的月平均透明度具有明顯的空間變異特征。除沉積物再懸浮和浮游藻類增殖，入湖河流也會輸運(yùn)大量陸源顆粒物進(jìn)入湖泊，從而增加湖泊懸浮物含量，尤其是在近河口水域（Shi等，2015）。此外，同一湖泊不同位置的水深、風(fēng)速和浮游藻類繁殖所需的營養(yǎng)鹽含量等也可能存在明顯差異，如東部平原湖區(qū)的巢湖西部具有低水深、低風(fēng)速和高營養(yǎng)鹽特征（Liu 等，2021）。同一湖泊內(nèi)，這些因子的空間差異使湖泊透明度呈現(xiàn)空間變異，圖5 和圖6 分別展示了鄱陽湖和撫仙湖2020年不同月份的透明度，空間分布差異明顯，尤其是夏秋季5—10月。

圖5 遙感反演的鄱陽湖2020年不同月份平均透明度（湖泊界限范圍內(nèi)空白表示非水體覆蓋區(qū)域或無有效觀測）Fig.5 The satellite-derived monthly mean water transparency of Lake Poyang in 2020（Blanks within the lake boundary show areas which are not covered by waters or have not effective observations）

圖6 遙感反演的撫仙湖2020年不同月份平均透明度（湖泊界限范圍內(nèi)空白表示無有效觀測）Fig.6 The satellite-derived monthly mean water transparency of Lake Fuxian in 2020（Blanks within the lake boundary show areas which have not effective observations）

4.4 湖泊水體清澈度動態(tài)監(jiān)測

水體透明度是清澈度的計(jì)量表征，透明度越高、水體越清澈。參照Lee和Lee（2015），研究根據(jù)年平均透明度對不同湖泊進(jìn)行清澈度類別劃分：年平均透明度為＞100、（65，100］、（25，65］和≤25（單位cm）的湖泊分別劃分為I、II、III 和IV類清澈水體。

中國大型湖泊水體清澈程度表現(xiàn)整體良好。2019年中國大型湖泊清澈度類別如圖7 所示：監(jiān)測的412 個(gè)大型湖泊中，有222 個(gè)（53.88%）為I類、60個(gè)（14.56%）為II類、98個(gè)（23.79%）為III類和32個(gè)（7.77%）為IV 類。I類清澈湖泊大多分布在中國西部，尤其是青藏高原湖區(qū)，東部兩湖區(qū)水體渾濁（圖7，審圖號：GS（2016）1549）：青藏高原湖區(qū)的262 個(gè)大型湖泊中，有182 個(gè)（69.47%）為I類清澈度；東部平原湖區(qū)的79個(gè)大型湖泊中，只有10個(gè)（12.66%）為I類清澈度，II類和III類清澈度湖泊數(shù)分別占40.51%和46.83%。

圖7 2019年中國大型湖泊清澈度類別（清澈度類別根據(jù)湖泊年平均透明度確定（Lee和Lee，2015））Fig.7 Water clarity types of large lakes in China in 2019（Water clarity types are defined according to annual mean water transparency（Lee and Lee，2015）

中國湖泊水體清澈程度在2000年—2020年呈改善趨勢。不同年份、不同類型湖泊清澈度類別占比如圖8 所示：2000年—2020年，I 類清澈度湖泊數(shù)量呈顯著增加趨勢，r=0.7，p＜0.01；III 類清澈度湖泊數(shù)量呈顯著減少趨勢，r=-0.59，p＜0.01；IV類清澈度湖泊數(shù)量也呈顯著減少趨勢，r=-0.83，p＜0.01。中國湖泊清澈度的增加是中國退耕還林還草、植樹造林和富營養(yǎng)化控制等多種生態(tài)綜合工程治理下的有益效果，體現(xiàn)出山水林田湖草是共同生命體，對其進(jìn)行統(tǒng)一保護(hù)、統(tǒng)一修復(fù)是十分必要的。

圖8 2000年—2020年中國不同清澈度類別湖泊數(shù)量占比Fig.8 The quantity percentage of lakes in different water clarity types in China from 2000—2020

4.5 可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下的湖泊水環(huán)境評估與預(yù)測

當(dāng)前，可持續(xù)發(fā)展是社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展的主旋律。2015-09，聯(lián)合國在紐約總部召開可持續(xù)發(fā)展峰會，會上193 個(gè)成員國正式通過17 個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)， 共包含244 個(gè)具體指標(biāo)（https：//sdgs.un.org/［2021-03-28］）。其中，指標(biāo)6.3.2 為環(huán)境水質(zhì)良好的水體比例，核心參數(shù)包括溶解氧、電導(dǎo)率、pH、氮和磷。這些參數(shù)是國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）涉及的具體監(jiān)測指標(biāo)，但傳統(tǒng)點(diǎn)位觀測資料不具備時(shí)空連續(xù)性，監(jiān)測頻率通常為月尺度，監(jiān)測的也只是一些代表性點(diǎn)位，且對青藏高原等水體缺乏監(jiān)測資料。因此，目前指標(biāo)6.3.2 屬于有方法無數(shù)據(jù)的Tier II類型，對該指標(biāo)的評估結(jié)果，中國還無公開發(fā)布數(shù)據(jù)（https：//sdg-tracker.org/water-and-sanitation［2021-03-28］）。

雖然指標(biāo)6.3.2 的5 個(gè)核心參數(shù)都不是光學(xué)活性物質(zhì)，衛(wèi)星遙感無法進(jìn)行直接監(jiān)測，但研究表明衛(wèi)星可獲取的水體透明度與這些水質(zhì)參數(shù)有著密切關(guān)系，可作為判斷水質(zhì)好壞的依據(jù)（Chang等，2020；Lee和Lee，2015）。針對指標(biāo)SDG 6.3.2，中國科學(xué)院在第75 屆聯(lián)合國大會期間發(fā)布的《地球大數(shù)據(jù)支撐可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)報(bào)告（2020）》中，基于本數(shù)據(jù)集評估了2000年—2019年中國湖泊水體透明度/清澈度的時(shí)空分布格局（中國科學(xué)院，2020）。補(bǔ)充2020年最新數(shù)據(jù)，本文統(tǒng)計(jì)了2000年—2020 中國不同湖區(qū)湖泊透明度的總體變化趨勢，結(jié)果表明：西北干旱湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)的湖泊透明度/清澈度呈增加趨勢，而東部平原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)的湖泊透明度/清澈度呈降低趨勢（圖9）。

圖9 2000年—2020年不同湖區(qū)平均透明度（湖區(qū)平均透明度為各湖泊透明度的面積加權(quán)平均值）Fig.9 Mean water transparency of different lake zones from 2000—2020（Mean water transparency is the area-weighted average of the values in all lakes）

雖然遙感觀測只能反映歷史的湖泊水環(huán)境變化，但也可以支撐湖泊水環(huán)境預(yù)測。一方面，可以綜合分析歷史氣象—水文—營養(yǎng)條件和月尺度透明度變化特征，判斷未來短期內(nèi)的湖泊透明度變化；另一方面，可以利用湖泊月透明度數(shù)據(jù)集率定湖泊生態(tài)系統(tǒng)模型，進(jìn)而將模型應(yīng)用于湖泊中長期水環(huán)境變化預(yù)測。

5 結(jié) 論

基于中國299 個(gè)湖泊的現(xiàn)場調(diào)查透明度、MOD09GA 地表反射率和GEE 云平臺，本文構(gòu)建了中國大型湖泊2000年—2020年的月平均透明度遙感數(shù)據(jù)集，并介紹了該數(shù)據(jù)集的應(yīng)用價(jià)值。研究將構(gòu)建的算法應(yīng)用于GEE 平臺，創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)了中國5 個(gè)湖區(qū)的412 個(gè)大型湖泊透明度的快速制圖。中國湖泊透明度具有高時(shí)空動態(tài)變異特征：空間分布上呈“東低西高”特征，季節(jié)變異呈“夏高冬低”和“夏低冬高”兩種典型類型。2000年—2020年，中國大型湖泊水體清澈程度整體表現(xiàn)良好，且呈改善趨勢?？傊摂?shù)據(jù)集不僅可以應(yīng)用于中國湖泊透明度/清澈度時(shí)空變異特征研究，也可服務(wù)于聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下的湖泊水環(huán)境評估與模型預(yù)測，是中國湖泊水環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測的寶貴數(shù)據(jù)資源。目前，中國大型湖泊2000年—2020 的年平均透明度數(shù)據(jù)已經(jīng)可以通過國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心湖泊—流域分中心訪問下載（http：//lake.geodata.cn/gxb.html ［2021-03-28］），下一步擬處理完善月尺度透明度后進(jìn)行上傳共享。然而，研究生產(chǎn)的數(shù)據(jù)集只包含中國大型湖泊，下一步擬將本文介紹的方法應(yīng)用于全球湖泊，實(shí)現(xiàn)全球大型湖泊的透明度月尺度數(shù)據(jù)集生產(chǎn)。

志 謝野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取得到了科技部“中國湖泊水質(zhì)、水量和生物資源調(diào)查”基礎(chǔ)工作專項(xiàng)和中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊環(huán)境遙感團(tuán)隊(duì)的支持，在此表示衷心的感謝！