国家尺度水体透明度30米分辨率遥感反演首次实现

为了了解中国湖泊的光学特征、富营养化水平和溶解碳的真实情况，中国科学院东北地理与农业生态研究所(以下简称东北地理研究所)水环境遥感学科组的研究人员付出了大量努力。他们在7年中进行了34次实地调查，覆盖6万多公里，收集了2300多个水样。结合遥感数据，构建了基于红蓝波段比值的水体透明度遥感估算新模型，首次实现了国家湖泊水体透明度30米分辨率遥感反演(利用传感器/遥感器探测电磁波辐射和物体反射特征)。上述研究结果最近发表在《环境遥感》上。

传统的水质监测方法是采集水样并返回实验室进行水质参数分析。然而，传统的监测技术和方法不能满足大规模、多频率水质参数观测的要求。遥感技术为实现上述观测要求提供了可能性。

然而，对于光学卫星遥感，水是弱信号目标，当它通过大气到达卫星传感器时，它与大气气溶胶散射、辐射和反射噪声混合。经过几十年的探索，国内外科学家已经开发出了一些比较成熟的算法，基本实现了大气噪声的分离，为湖泊水体透明度的遥感反演奠定了基础。

该论文的第一作者、东北地理研究所助理研究员刘戈介绍说，目前水体目标的大气校正算法有三种:第一种是基于紫外或短波红外波段的水离开辐射为零的假设的暗像素算法。这种算法适用于水浊度较高的湖泊，但由于卫星传感器在紫外或短波波段的信噪比较低，不适用于较清澈的湖泊；二是基于水体近红外离水反射率经验关系的亮像素算法。这种算法简单实用，应用广泛。然而，这种算法在建模和推理时往往固化了离水反射率的形状，降低了大气校正模型的适用性。第三种是带有部分大气校正的大气校正方法，它放弃了对大气气溶胶散射的校正，但也避免了在气溶胶校正中引入误差。

“我们的研究结果表明，第三种大气校正算法是最适合估算中国*湖泊透明度的产品。”该论文的合著者、通讯记者、东北地理研究所研究员宋开山补充说。

在此研究成果之前，我国已经实现了对一些大型湖泊和区域性湖泊群的中高分辨率遥感反演水体透明度。同时，我国大湖透明度反演的粗分辨率已经达到了相对准确的反演精度。

宋开山介绍，本研究成果的创新之处在于构建了一个具有较大规模反演能力并能进行长时间序列反演的水体透明度遥感反演模型。该模型覆盖了全国各种类型的水体透明度样本，与卫星有效匹配，鲁棒性强。

该研究小组核实了2004年至2012年收集的400多个采样点以及美国环境保护局2009年的采样数据。结果表明，该模型具有时空外推能力，在各大洲乃至全球水体的透明遥感反演中具有潜在的应用价值。

“如果得到云计算和稳定大气校正算法的支持，它可以用于大面积高精度(30米分辨率)水透明度反演。”宋开山告诉《中国科学日报》。

据介绍，研究成果的初步研究成果已被相关环保部门应用。用该方法构建的模型也应用于今年黑龙江呼兰河污染事件中，对污染的呼兰河进行透明度监测。目前，该研究小组正在与生态环境部、科技部等相关部门进行沟通，以分享算法和结果，并为中国内陆水体透明度监测提供技术服务。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111800