【科學網】34次野外調查、行程6萬公里，只為這件事 國家尺度水體透明度30米分辨率遙感反演首次實現
為了弄清我國湖泊水體光學特性、富營養化水平和溶解碳的真實情況，中科院東北地理與農業生態研究所（以下簡稱東北地理所）水環境遙感學科組研究人員傾注了大量心血。他們在7年的時間里，開展34次野外調查，行程6萬多公里，采集水體樣品超過2300個；再結合遙感數據，構建了一種新的基于紅藍波段比值的估算水體透明度遙感模型，首次實現30米分辨率全國湖泊水體透明度遙感反演（運用傳感器/遙感器對物體的電磁波的輻射和反射特性的探測）。上述研究成果近日發表于《環境遙感》。
傳統的水質監測方法主要是通過采集水體樣品，再回到實驗室進行水質參數分析。但常規監測技術和方法難以滿足大范圍、多頻次水質參數觀測需求。而遙感技術為實現上述要求的觀測提供了可能。
然而，對于光學衛星遙感而言，水體屬于弱信號目標，在透過大氣抵達衛星傳感器時，夾雜著大氣氣溶膠散射、輻射和反射的噪聲。國內外科學家經過幾十年的探索，已經開發出多個較為成熟的算法，基本實現對大氣噪聲的剝離，為湖泊水體透明度的遙感反演奠定了基礎。
論文第一作者、東北地理所助理研究員劉閣介紹，目前用于水體目標的大氣校正算法主要有三種：第一種是基于紫外或短波紅外波段離水輻射為零作為假設構建的暗像元算法，該類算法適合水體渾濁度較大的湖泊，但由于衛星傳感器紫外或者短波波段信噪比較低，并不適用于較為清澈的湖泊；第二種是基于水體近紅外離水反射經驗關系的亮像元算法，該類算法簡單實用，得到了廣泛的應用，但是該類算法在模型構建推理時往往固化了離水反射率的形狀，降低了大氣校正模型的適用性；第三種是只進行部分大氣校正的去瑞利散射大氣校正方法，該類方法放棄了大氣氣溶膠散射的校正，但也避免了氣溶膠校正方面誤差的引入。
“我們的研究結果表明，第三種大氣校正算法是最適合中國國家尺度湖泊群透明度估算的產品。”論文共同第一作者和通訊作者，東北地理所研究員宋開山補充道。
在該研究成果之前，我國已實現了部分大型湖泊及區域性湖泊群的中高分辨率水體透明度遙感反演；同時中國粗分辨率大型湖泊透明度反演，取得了較為精確的反演精度。
宋開山介紹，本次研究成果的創新之處，在于構建了一個相對具有大尺度反演能力且能夠進行長時序反演的水體透明度遙感反演模型。該模型覆蓋了全中國多種類型水體透明度樣本，與衛星進行了有效匹配，具有較強的穩健性。
該課題組把2004至2012年采集的400多個樣點和美國環保署2009年的采樣數據驗證后表明，該模型具有時空外推能力，在各大洲甚至全球尺度的水體透明遙感反演方面具有潛在應用價值。
“如果在云計算和穩定大氣校正算法的支持下，可以用來進行大區域高精度（30米分辨率）水體透明度反演。”宋開山告訴《中國科學報》。
據介紹，該研究成果前期的預研究結果，已得到相關環保部門的應用；采用該方法構建的模型，也應用到今年黑龍江呼蘭河污染事件中，監測被污染呼蘭河的水體透明度。目前，該課題組正與生態環境部、科技部等相關部門溝通，將算法與成果共享，為中國內陸水體透明度監測提供技術服務。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111800
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