水环境的遥感卫星影像监测

中国内陆水体受到浮游植物、悬浮颗粒物、有色可溶性有机物等多种水色要素的综合影响，水体光学性质复杂、时空分异性强，现有清洁大洋水体的国际成熟遥感反演算法难以适用。近20年来，环境保护部卫星环境应用中心联合南京师范大学、中国科学院空天信息创新研究院等持续开展技术攻关，系统突破了叶绿素a、悬浮物、透明度、水华、黄色物质、营养状态指数、黑臭水体、溢油、面源污染、饮用水源地安全等遥感监测关键技术，建立了基于国产卫星等多源遥感数据的水环境遥感监测技术体系（Wang 等，2013，2010）。典型进展主要有：（1）持续开展野外与室内相结合的水质遥感参数光谱采集与分析实验，构建了具有5.5万条光谱数据的模拟数据库和水体固有光学特性参数率定模型，系统揭示了我典型内陆水体组份的吸收、散射、后向散射光学特性和季节变化特征；（2）揭示了内陆水体铜绿微囊藻、斜生栅藻、小球藻等藻类生消过程的光学特性，定量评价了CDOM浮游植物和非色素颗粒物对总吸收、散射的贡献大小，研究了悬浮物浓度变化对藻类信息的干扰效应，建立了铜绿微囊藻在蓝藻中所占百分比的遗传算法优化反演模型，提出了包含藻蓝蛋白色素的水体吸收系数分解模型，进而建立了藻蓝蛋白色素遥感反演模型；（3）针对中国内陆水体浑浊所导致的水质遥感反演精度不高的问题，引入位于近红外波段的第4波段，以减弱纯水和无机颗粒物吸收对叶绿素浓度反演的影响，建立了叶绿素浓度反演4波段模型，有效提高了模型的稳定性和精度，该模型以辐射传输为理论基础，但不依赖于各组份吸收系数、散射系数的实验观测，克服了机理模型在实际应用中缺乏实测数据支持的弱点，提高了参数反演精度，具有较强的推广性；（4）针对内陆富营养化水体提出了“先分类，后反演”的水质遥感参数反演方法，根据水体光谱的吸收、散射特征、形态特征等，建立水体光学分类标准，并根据所获取的遥感影像进行逐像元匹配，将分类信息定位到每个像元，最后针对各像元光学类型，选用与之匹配的模型进行参数反演，解决了中国内陆水体内部组成复杂、光学特性时空差异大所导致的模型缺乏通用性等难点，拓展了水质反演模型的适用性范围；（5）提出基于国产卫星的自适应水华遥感提取方法，利用灰度—梯度的邻域映射函数特征自动获取合适的指数阈值用于判别水华像元，解决了基于灰度直方图分割时不能充分利用图像细节特征等问题，提升了水华反演精度；基于叶绿素光谱指数、藻青蛋白光谱指数、水草光谱指数、近红外平均Rrs指数构建了水草与水华遥感判别公式，实现了水草和水华的遥感区分，识别精度达90%左右，有效解决了水华遥感识别中水草剔除的难题；（6）针对水环境管理急需的面源污染遥感监测需求，在二元结构模型的基础上，耦合定量遥感技术，提出了基于农田径流型、农村生活型、畜禽养殖型、城市径流型和水土流失型5种面源污染类型的多尺度面源遥感估算方法，突破了模型应用尺度和下垫面数据缺失的局限，并成功应用于环境一号卫星多光谱数据；（7）针对黑臭水体遥感监测的空白，系统研究了中国城市黑臭水体遥感机理，揭示了黑臭水体表观光学特征和固有光学特征规律，包括遥感反射率特征、颗粒物和有色可溶性有机物特征等，提出了基于经验算法、色度指标、人工智能方法、半分析算法的4类黑臭水体遥感监测方法，并建立了基于吸收系数的黑臭水体遥感分级模型，实现了基于国产卫星等多源数据的黑臭水体高精度遥感监测（Wang 等，2018）；（8）针对水环境遥感监测中的卫星数据时间不连续、地面观测数据空间不连续问题，构建了地面连续观测—水动力模型—遥感数据的同化系统，在遥感反演中引入水动力模式，并通过地面浮标等观测数据修正模型误差，通过数据同化，融合地面观测数据与卫星遥感数据，实现了水质参数的大面积连续监测。

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