湖泊光谱解译：利用卫星遥感揭示明尼苏达州哨兵湖水体颜色以监测水质

《Inland Waters》：Spectrum of the lakes: using satellite remote sensing to unveil water color in Minnesota's Sentinel Lakes for water quality monitoring

本文推荐了一项利用Landsat 8 OLI卫星数据，对明尼苏达州哨兵湖泊计划（SLICE）中25个代表性湖泊进行长达十年（2013-2022）的水体颜色色度分析研究。该研究创新性地应用公开免费的卫星遥感数据，通过计算中值主导可见波长（mDVW）来表征湖泊水色，揭示了该地区湖泊以黄绿色（~575 nm）为主的色彩特征及其与光合作用活性、悬浮固体等水质参数的内在关联。研究不仅展示了水体颜色在不同生态区域内的空间分布规律与时间动态变化，还论证了卫星遥感水色分析作为一种低成本、高效率的工具，在补充和增强传统水质监测网络、指导资源优化调查方面的巨大潜力。这项工作为内陆湖泊生态健康的大尺度评估和长期监测提供了新的视角和方法论支持。

　　

引言

水质对所有生物至关重要，影响着邻近居民、饮用水用户以及依赖其健康生存的一切生命体。传统的水质监测方法往往受到设备成本和劳动力需求的限制，因此需要创新方法来有效评估广大区域内内陆湖泊的生态健康。卫星遥感水体颜色已发展成为一项低成本、强大的工具，可用于大范围地表水质的空间评估和跨时间监测。水体颜色与水生生态系统的健康直接相关，并被当前全球气候观测系统认定为基本气候变量。因为它与传统现场测量参数（如塞克盘深度、浊度和溶解性有机质）相关，所以可作为评估水质的指标。特定水质变量，如叶绿素a（绿色）、有色可溶性有机质（CDOM，红棕色）和总悬浮固体（TSS，颜色不定，取决于悬浮物成分呈棕黄色调），通过吸收和反射特定波长的光来影响水体的整体颜色。

在中大陆北美地区，湖泊具有重要的社会价值，需要大量的财政资源投入来进行充分的水质监测。美国明尼苏达州素有“万湖之州”的美誉，其湖泊的文化、经济和生态价值无与伦比。鉴于此，明尼苏达州根据《清洁水、土地和遗产法案》设立了“变化环境中湖泊可持续性（SLICE）”计划。该计划重点监测代表明尼苏达州主要生态区的哨兵湖泊（Sentinel Lakes）的水质长期变化，作为生态区健康的指标。本研究旨在利用卫星遥感水体颜色技术，调查美国中大陆内部的明尼苏达州哨兵湖泊。研究主要探讨以下问题：（1）明尼苏达州哨兵湖泊的水体颜色特征是什么？（2）水体颜色模式在这些湖泊所代表的生态区内和生态区之间是否存在差异？（3）明尼苏达州哨兵湖泊的水体颜色是否随时间发生了变化？

材料与方法

研究区域

明尼苏达州地形大多平坦，海拔在183至702米之间。其地貌是多次更新世冰川作用的遗迹，包括著名的锅穴湖，构成了该州约12,000个湖泊的主体。SLICE计划是一个长期的州立气候研究项目，利用25个“哨兵湖泊”作为明尼苏达州所有湖泊的代表。这些湖泊具有不同的表面积、深度、混合状态和受损状况，代表了明尼苏达州四个不同的生态区：西部玉米带平原、中北部硬木林、北部湖泊与森林以及加拿大地盾区。

数据获取

本研究主要使用Landsat 8卫星作为遥感平台，基于其在分析内陆地表水体颜色方面的有效性。使用2013年至2022年夏季（7月至9月）的数据，共收集了220景Landsat 8影像。数据为USGS提供的经过大气校正的Level-2地表反射率产品，使用了LaSRC算法版本1.5.0进行处理。所有影像都经过手动筛查，排除云层干扰和气溶胶含量高的像素。

数据处理与管理

使用ESRI ArcGIS Pro软件进行地理空间分析和处理。从明尼苏达州地理共享平台获取哨兵湖泊的多边形和等深线矢量文件。为了消除近岸干扰（如有机碎屑、沉积物再悬浮或底质反射），在每个哨兵湖泊较深的、远离岸边的区域随机生成采样点，并设置50米的间距半径以防止重叠。每个湖泊每年的随机采样点数量在5到20个之间。为了便于比较和解释，选择主导可见波长（DVW）作为评估和比较哨兵湖泊水色的指标。通过色度分析计算DVW，包括色度坐标、色调角以及最终的主导可见波长。计算中采用了针对Landsat 8 OLI LaSRC校正产品推荐的色调角校正方法。

统计分析

选择2014年的数据进行统计分析，因为该年份数据集相对完整，缺失数据较少。水色样本按各自的哨兵湖泊分组，并进一步按生态区分类。对每个生态区组进行正态性（Shapiro-Wilk检验）和方差齐性（Bartlett检验）检验。结果显示每个生态区内的DVW不服从正态分布且方差不等。因此，使用非参数的Kruskal-Wallis秩和检验来评估不同生态区哨兵湖泊之间的DVW差异。事后比较使用Dunn检验，并采用Holm方法进行p值调整以控制I类错误。

结果

哨兵湖泊的水体颜色分布

对十年间收集的2223个样本进行总结显示，大多数样本中最常见的水体颜色集中在575纳米附近，代表绿-黄颜色交界处。DVW的完整范围从小于500纳米（蓝色）到大于580纳米（接近红色），涵盖了明尼苏达州居民常见的湖泊颜色。分布呈现左尾特征，表明落在495-550纳米范围内的蓝色样本数量有限。按哨兵湖泊分组后，计算出的240个湖泊年度mDVW的分布与总体样本分布一致，表明mDVW是表征单个哨兵湖泊在特定时间点水色的合适指标。最常见的mDVW也是575纳米。大多数mDVW测量值在568至580纳米之间，涵盖浅绿色、黄色和部分红色。

按生态区划分的水体颜色

DVW在湖泊和生态区之间显示出相似的分布模式。加拿大地盾生态区的分布范围最广，从蓝色到红色，表明DVW变异性最大，其集中趋势在573纳米（绿-黄）附近。北部湖泊与森林生态区呈现中等程度的分布，主峰在569纳米（黄绿），次峰在550纳米（绿色）。中北部硬木林和西部玉米带平原生态区的分布范围较窄，集中峰值在573纳米（绿-黄）附近，中北部硬木林在557纳米（更深的绿色）有第二个峰值。所有生态区的分布都呈左偏态。在每个生态区内，一些哨兵湖泊的水色分布与邻近湖泊重叠，而另一些湖泊在研究期间表现出较窄的水色范围。

统计分析

统计检验显示，四个生态区的哨兵湖泊之间的主导可见波长存在统计学上的显著差异。生态区内的湖泊水色变异也很显著。加拿大地盾生态区内具有独特水色的湖泊数量最多，在21对可能的比较中，有11对显示出统计学上不同的水色。其他区域的湖泊之间相似性更高。有13个哨兵湖泊与各自生态区内的其他湖泊在统计上无法区分，可能代表了该生态区的典型水色。比较不同生态区的这些代表性水色，发现它们之间存在显著差异，但某些不同生态区的湖泊（如Trout和South Center，或Greenwood和Elk）具有相似的水色。对靠近生态区边界的哨兵湖泊进行比较发现，位于中北部硬木林生态区的Pearl湖与邻近的西部玉米带平原生态区的所有哨兵湖泊统计上相似，而同一生态区的Belle湖仅与最近的Carrie湖相似。这表明靠近生态区边界的哨兵湖泊可能与相邻生态区的湖泊具有相似的水色。

水体颜色的时间变化

大多数湖泊在夏季的水色随时间变化表现出显著的稳定性。加拿大地盾生态区的所有哨兵湖泊都显示出年际间的mDVW变异。北部湖泊与森林生态区模式稳定，有两个湖泊在个别年份出现较低的mDVW。在中北部硬木林生态区，Carlos湖和Cedar湖表现出较大的年际变异，且mDVW通常低于该生态区的其他湖泊。西部玉米带平原生态区最为稳定，所有哨兵湖泊在研究期间显示的mDVW范围最窄。值得注意的是，在2021年（明尼苏达州经历严重持续干旱的年份），每个生态区内的湖泊间水色变异最小，但平均水色并未发生偏移。

讨论

明尼苏达州哨兵湖泊的水色

在这项为期十年的研究中，所有样本中最常见的主导可见波长颜色在575纳米附近，即绿-黄交界处。因此，如果哨兵湖泊能代表其生态区内的所有湖泊，那么明尼苏达州大多数湖泊的可见光谱颜色为绿色和黄色，这与大陆内部湖泊的观测结果一致。绿色的水色可能反映了环境中的人类影响，例如导致富营养化的面源营养盐输入。黄色则可能与径流带来的沉积物有关。

水体颜色的空间变异

不同区域的水色存在细微差异。加拿大地盾湖泊中较红的波长可能代表溶解性有机质。北部湖泊与森林生态区的DVW略偏绿，表明这些湖泊含有相对较多的叶绿素和较少的沉积物及/或有色可溶性有机质。跨生态区边界水色相似性的统计比较结果表明，生态区之间共享水色，水色并非任何特定生态区所独有。这表明仅凭生态区划可能无法预测地表水颜色。尽管生态区内部存在水色变异，但少数哨兵湖泊的水色与其生态区内其他湖泊一致，如果哨兵湖泊具有代表性，这些匹配湖泊的水色可能反映了该生态区的特征水色。

生态区内的水色变异很大，可能由湖泊特异性特征驱动。西部玉米带平原湖泊水色分布的强烈相似性可能反映了该地区广泛的农业土地利用以及相似的湖泊地貌形态特征。相比之下，其他所有生态区的湖泊和流域特征变异更大。具有蓝色水色和双峰分布的湖泊出现在其他三个生态区中，这些湖泊通常更深、更靠北，可能有持续的冬季冰封和较冷的春季。

随时间变化的水体颜色

水色的稳定性为系统健康提供了基线，当水色发生剧烈变化时，则鼓励进行进一步调查。由于年际大气和水文过程（如降水量、湖冰状况、流域干扰等）的内在变异性，水色的年际变化是预期的。通常预测一个生态区内的湖泊会对气候的年际变化做出相似的反应。

个别湖泊在特定年份出现显著水色变化（如2019年的Red Sand湖和2020年的Elk湖），表明是局部源而非区域性压力所致。Red Sand湖（平均水深1.2米）在异常湿润年份出现偏蓝色，可能与水体滞留时间短有关；而Elk湖在干旱温暖的2020年出现偏蓝色，可能与营养盐输入少和提前的强分层有关。Carlos、Cedar和Ten Mile等深水分层湖泊也表现出随时间的变化。

西部玉米带平原生态区的水色随时间变化最小，这可能与高强度的农业活动导致持续的富营养化状态有关。相比之下，加拿大地盾生态区的湖泊表现出更大的水色变异性，这可能与该地区相对未受干扰的自然系统中有色可溶性有机质（CDOM）输入的高度可变性有关。

由于数据集仅十年，大多数湖泊未显示出水色趋势。两个湖泊（South Twin和Artichoke）显示出向较短波长（偏绿）的负趋势，可能反映了悬浮沉积物相对减少和/或初级生产力增加。其余哨兵湖泊没有显示趋势，可能表明其健康状况稳定，能够缓冲短期的气候事件。

重要性、局限性与未来工作

本研究强调了遥感水色作为评估水质状况工具的价值，同时也指出了当前的局限性。哨兵湖泊的水色历史密度曲线可以揭示潜在的颜色异常，指明需要进一步调查的原因。相反，稳定的夏季水色表明湖泊状况与往年相似，可能减少频繁的野外考察需求，使资源管理者能够高效地分配调查资源。将卫星影像与SLICE计划丰富的现场数据相结合，可以开发稳健的水质模型。协调现场采样与卫星过境时间，将有助于建立水色与关键光学参数（如叶绿素a、CDOM、TSS）的关系，这对于开发基于卫星数据的预测性水质模型至关重要。理解真正控制湖泊水色的因素需要跨学科方法，包括水文连通性、流域开发、降水、湖泊深度和形态、营养状态、水温、地下水化学以及早期季节生物活动等。

结论

卫星遥感色度分析可用于调查中小型中大陆湖泊的水体颜色。哨兵湖泊在研究期间mDVW值变化很小或没有变化，可能代表了稳定的流域排水网络，意味着沉积物和营养盐输入模式的稳定。颜色变化则表明光学活性水质参数的平衡被打破，需要进行调查。因此，免费公开的卫星遥感水色数据有潜力通过指导有针对性的现场调查来扩展监测网络的资源利用效率，补充传统结构化或基于日历的监测。

西部玉米带平原生态区的哨兵湖泊表现出所有生态区中最一致的水色，这可能与主导的农业土地利用和排水模式导致年度颜色一致性有关。在每个生态区都观察到了常见的水色，但这些常见颜色在与邻近生态区比较时并不独特，表明大尺度的水色空间独特性可能难以辨别，但局部的水色在空间上是可区分的。

哨兵湖泊作为具有共同DVW的生态区代表湖泊的设想需谨慎看待，因为生态区内部存在已证实的水色变异性。当卫星遥感产品已经能够覆盖生态区内所有湖泊时，将哨兵湖泊作为生态区指示的重要性可能降低。然而，SLICE计划拥有的现场水质数据历史记录对于建立卫星遥感水色与水质参数之间的预测关系至关重要。目前，卫星遥感色度分析可以扩展水质监测网络的范围，潜在地提高现场监测效率，并有可能从可观测的水色发展出预测性的水质关系。