原标题：前沿进展 浙江大学刘东教授、刘崇教授：米-荧光-拉曼激光雷达遥感内陆水体叶绿素a的潜力

  “前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具备极其重大学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

  近日，浙江大学光电科学与工程学院刘东教授、刘崇教授研究团队，联合杭州生态环境保护研究院等单位，共同开发了米-荧光-拉曼激光雷达(Mie-fluorescence-Raman lidar, MFRL)系统及生物光学特性反演算法，首次在内陆水体中实现了叶绿素a剖面的遥感观测，同时基于激光雷达数据集对次表层叶绿素最大值层（SCM）的三维分布进行了建模重构，有望在碳循环与气候平均状态随时间的变化等研究领域获得广泛应用。

  浮游植物垂直分布的高效探测对内陆水体ECO的研究至关重要。原位仪器可提供精确的浮游植物垂直分布信息，但时间分辨率和空间覆盖范围有限；被动光学遥感技术能够大范围获取水体表面信息，但对浮游植物垂直分布的探测能力不够。激光雷达作为一种新兴的主动光学遥感技术，能够穿透水气界面，提供上层水体生物光学特性的连续剖面信息，在海洋ECO中已经大范围的应用，极大地提高了人们对海洋中生物地球化学过程的理解。然而，传统弹性散射激光雷达的生物光学特性产品主要由面向大洋水体的经验模型获得，该模型无法直接适用于内陆水体中，限制了激光雷达技术在内陆水体生物地球化学循环中的科学应用。因此，亟须提出一种新的激光雷达体制与方法，实现在内陆水体中对生物信息连续、高分辨率的立体监测。

  浙江大学光电科学与工程学院研究团队研制了米-荧光-拉曼激光雷达系统（图1），它向水体发射激光脉冲，通过三个具有不一样中心波长滤光片的信号通道，分别收集水体后向散射激光雷达信号、水面荧光信号与拉曼信号。与传统弹性散射激光雷达仅探测水体光学信息不同，该技术采用水面荧光信号和拉曼信号额外获取水体生物信息，通过假设上层水体中生物量的光学贡献与水面附近相当，将水体后向散射激光雷达信号以及水面荧光信号与拉曼信号联合应用于水体生物特性的反演中，以此来实现内陆水体生物光学剖面信息的高精度获取。

  为检验米-荧光-拉曼激光雷达系统数据产品的一致性与在内陆水体中的探测极限，团队对系统的产品反演精度和穿透水体能力进行了评估（图2）。根据结果得出，系统所反演的叶绿素a产品与原位仪器探测数据一致性高，展现出了较高的可靠性和精确度；同时，系统能够探测到大部分叶绿素a总量，证明了系统在内陆水体评估总生物量是行之有效的。

  2021年至2022年，团队使用米-荧光-拉曼激光雷达在新安江水库全域开展了多次季节性船载观测实验，在夏季水库热分层时期，成功观测到了连续的次表层叶绿素最大值层（图3）。研究提出了一种改进的叶绿素a垂直分布模型对SCM的特征参数进行量化表征，根据结果得出，SCM在水库的河流区与过渡区出现的位置较浅、强度较大，在湖泊区逐渐展宽。与先前的研究不同，团队发现浮游植物在过渡区的生命活动相较于河流区更为旺盛，这可能是夏季水库上游大量降雨导致河流区浊度增加，以及过渡区附近人类活动导致水体营养程度提高的共同结果。

  图3 米-荧光-拉曼激光雷达在新安江水库的叶绿素a垂直剖面产品和SCM特征参数信息

  基于米-荧光-拉曼激光雷达的生物光学特性产品，团队分析了被动遥感可探测要素（真光层深度Zeu、表层叶绿素a浓度Chlsurf）与SCM特征参数的数值关系（图4）。根据结果得出，在研究区域内，Zeu更适合表征SCM深度和厚度，Chlsurf更适合表征SCM强度。

  基于主被动遥感融合技术的思想，团队根据叶绿素a垂直分布模型，利用被动遥感可探测要素和由激光雷达数据集得到的参数关系，实现了研究区域叶绿素a垂直分布的三维重构，并将模型重构的结果与激光雷达直接探测的结果进行了对比（图5）。研究展示出了叶绿素a垂直分布建模结果的可靠性，为主被动融合技术在浮游植物三维模型构建的应用迈出了坚实的一步。

  本研究展示的米-荧光-拉曼激光雷达仪器和方法填补了激光雷达在内陆水体中定量观测叶绿素剖面的空白，展示了在内陆水体初级生产力研究及主被动遥感融合技术中极大的应用价值。未来，本研究展示的仪器和方法将通过持续观测实验积累内陆水体生物光学特性数据，促进对碳循环、气候平均状态随时间的变化和藻华爆发等生物地球化学循环科学问题的深入研究。

  论文第一作者为浙江大学光电学院博士研究生赵泓楷，通讯作者为浙江大学宁波科创中心周雨迪博士、浙江大学光电学院刘崇教授与刘东教授，合作者包括杭州生态环境保护研究院韩轶才高级工程师等。该工作得到了科技部重点研发计划、中央高校基本科研业务费、浙江省自然科学基金、浙江大学宁波校区人才引进基金、浙江大学全球伙伴基金等支持。

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