湖庫(kù)水質(zhì)高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)體系研究

王權(quán)，劉瑤

（自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，100048，北京）

一、研究背景

水是生命之源、生產(chǎn)之要與生態(tài)之基。作為生態(tài)系統(tǒng)得以維系的基礎(chǔ)，水也是支撐我國(guó)新時(shí)期高質(zhì)量發(fā)展的核心自然資源類(lèi)型。隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)內(nèi)陸水資源水生態(tài)在新時(shí)期面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。開(kāi)展持續(xù)、動(dòng)態(tài)、大范圍的地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作是進(jìn)行水環(huán)境保護(hù)和水生態(tài)治理的基礎(chǔ)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在眾多水資源類(lèi)型中，湖庫(kù)是人水關(guān)系結(jié)合最緊密的環(huán)節(jié)之一。在GDP占比超過(guò)全國(guó)50%的長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶，其間星羅棋布的大小湖庫(kù)提供了飲水、工農(nóng)業(yè)用水、航運(yùn)、漁業(yè)養(yǎng)殖等多種功能，是支持該流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水資源。湖庫(kù)水質(zhì)作為水資源質(zhì)量的直接表征，其水質(zhì)信息已成為資源管理、國(guó)土空間規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)與修復(fù)的重要參考。在《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》和《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》等國(guó)家重大規(guī)劃中，對(duì)重點(diǎn)湖庫(kù)的保護(hù)、修復(fù)和治理水平的提升都提出了明確的要求。因此，有必要針對(duì)重點(diǎn)湖庫(kù)開(kāi)展常態(tài)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)，以服務(wù)和保障國(guó)家重大規(guī)劃的相關(guān)工作開(kāi)展。

常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要是現(xiàn)場(chǎng)采集水樣送到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行分析，優(yōu)點(diǎn)是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的精度比較高，缺點(diǎn)是空間密度不足?；诎哆吇蛩姓军c(diǎn)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法可以大幅提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)的時(shí)間頻次，但是建設(shè)和維護(hù)成本高，空間分布更為有限。與傳統(tǒng)地面采樣調(diào)查手段相比，遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果可以反映水質(zhì)的時(shí)空分布情況和變化，發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染物遷徙特征，而且具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低和便于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，遙感數(shù)據(jù)及技術(shù)在湖庫(kù)監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。美國(guó)環(huán)保署聯(lián)合NASA、USGS等機(jī)構(gòu)持續(xù)開(kāi)展基于遙感衛(wèi)星的藻華監(jiān)測(cè)工作；加拿大環(huán)境與氣候變化部基于遙感衛(wèi)星水質(zhì)產(chǎn)品開(kāi)展湖泊水質(zhì)常態(tài)化跟蹤監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)在全球宏觀尺度上也開(kāi)展了大量工作，相關(guān)技術(shù)和成果也得到了學(xué)界認(rèn)可。

過(guò)去，主要是基于國(guó)外衛(wèi)星對(duì)我國(guó)湖庫(kù)水質(zhì)開(kāi)展監(jiān)測(cè)。近幾年，我國(guó)自有衛(wèi)星數(shù)據(jù)逐漸豐富，尤其是高光譜數(shù)據(jù)，給湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)帶來(lái)了新的數(shù)據(jù)保障來(lái)源。相對(duì)于其他分辨率衛(wèi)星，高光譜衛(wèi)星在湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

二、湖庫(kù)水質(zhì)高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建

1.高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)在湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)上的優(yōu)勢(shì)

考慮到水體目標(biāo)的光譜特性，面向水體應(yīng)用的遙感器往往需要滿(mǎn)足高信噪比、波段相對(duì)豐富等載荷要求。我國(guó)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)上主要有四方面的優(yōu)勢(shì)：

①空間分辨率。水體屬于空間均一性較高的地表類(lèi)型，因此對(duì)空間分辨率的要求相對(duì)不高。相反，因?yàn)樗w屬于光學(xué)信號(hào)弱的地物，需要適當(dāng)降低空間分辨率來(lái)盡量提高數(shù)據(jù)的信噪比。另一方面，考慮到內(nèi)陸中小型湖庫(kù)的監(jiān)測(cè)需求，空間分辨率在百米級(jí)的海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能因?yàn)楦采w像元數(shù)有限而難以實(shí)施有效監(jiān)測(cè)。高光譜數(shù)據(jù)的30 m分辨率，能夠兼顧大中小型湖庫(kù)的監(jiān)測(cè)需求。

②光譜分辨率。水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的核心是通過(guò)遙感器獲取的被改變的太陽(yáng)輻射解算水中物質(zhì)的組成及其濃度。而水中不同物質(zhì)的吸收和散射發(fā)生的波長(zhǎng)可能不同，光譜分辨率高，這些物質(zhì)的特征就易于彼此區(qū)分。

③信噪比。以水體為主要觀測(cè)對(duì)象的衛(wèi)星，其數(shù)據(jù)信噪比要求高于一般陸地衛(wèi)星。在軌測(cè)試階段，對(duì)水體地物在我國(guó)高光譜衛(wèi)星影像中的信噪比進(jìn)行了測(cè)算，顯示其能夠達(dá)到水體監(jiān)測(cè)要求。

④波段數(shù)量。我國(guó)內(nèi)陸湖庫(kù)的光學(xué)特性復(fù)雜，具有季節(jié)性和區(qū)域性變化特點(diǎn)。因此，高光譜數(shù)據(jù)豐富的波段，能夠?yàn)榻⑦m用于大范圍水質(zhì)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參量反演模型提供廣泛的波段選擇。

綜合以上四方面的優(yōu)勢(shì)，高光譜衛(wèi)星適宜作為內(nèi)陸湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源。

自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心圍繞國(guó)家重大需求，持續(xù)開(kāi)展國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)體系研究與業(yè)務(wù)化應(yīng)用，攻克國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題，從無(wú)到有建立了由衛(wèi)星體系、技術(shù)體系、業(yè)務(wù)體系構(gòu)成的湖庫(kù)水質(zhì)高光譜遙感監(jiān)測(cè)體系，并成功實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，將為新時(shí)期的水資源管理與水環(huán)境治理與修復(fù)工作提供全面的數(shù)據(jù)支撐。

2.湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)衛(wèi)星體系構(gòu)建

自2015年《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025年)》(發(fā)改高技〔2015〕2429號(hào))實(shí)施以來(lái)，我國(guó)已發(fā)射4顆民用高光譜衛(wèi)星，分別為高分五號(hào)衛(wèi)星（GF-5）、高分五號(hào)02星（GF-502）、資源一號(hào)02D和02E衛(wèi)星。目前，高分五號(hào)02星、資源一號(hào)02D衛(wèi)星和02E衛(wèi)星三顆衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行，高分五號(hào)01A星也將在不久后發(fā)射，形成4星聯(lián)合觀測(cè)的衛(wèi)星體系?；谏鲜鲂l(wèi)星，可構(gòu)建搭載高光譜相機(jī)的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星體系。

高分五號(hào)02星上搭載了可見(jiàn)短波紅外高光譜相機(jī)（AHSI），該相機(jī)獲取的影像，其空間分辨率為30 m，幅寬可達(dá)60 km；具有330個(gè)波段，其中可見(jiàn)近紅外波段（400～1 000 nm）的光譜分辨率約5 nm，短波紅外波段（1 000～2 500 nm）的光譜分辨率約10 nm。該相機(jī)能夠獲取紫外線(xiàn)到長(zhǎng)波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率、高空間分辨率、高精度的對(duì)地全天候監(jiān)測(cè)。高分五號(hào)01A星與高分五號(hào)02星將搭載相同型號(hào)的高光譜相機(jī)。高分五號(hào)02星、01A星雙星組網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)陸表高光譜探測(cè)2次/5天。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星于2019年9月12日成功發(fā)射。02D衛(wèi)星在太陽(yáng)同步軌道運(yùn)行，搭載了高光譜相機(jī)和可見(jiàn)近紅外相機(jī)。其中，高光譜相機(jī)的成像空間分辨率為30 m，幅寬60 km。在400～2 500 nm光譜范圍，可見(jiàn)近紅外波段（400～1 000 nm）通道數(shù)為76個(gè)，光譜分辨率為10 nm，短波紅外段（1 000～2 500 nm）通道數(shù)為90個(gè)，光譜分辨率為20 nm，共有166個(gè)波段。資源一號(hào)02E衛(wèi)星是資源一號(hào)02D星的后續(xù)星，其高光譜相機(jī)載荷設(shè)置與02D衛(wèi)星一致。資源02D、02E衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)20～30 °測(cè)擺觀測(cè)，與高分五號(hào)02星、01A星形成四星兩網(wǎng)。

表1 中國(guó)在軌運(yùn)行高光譜衛(wèi)星情況

3.湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系構(gòu)建

水質(zhì)狀況是通過(guò)水質(zhì)指標(biāo)來(lái)衡量，水質(zhì)指標(biāo)通常分為物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)、放射性指標(biāo)。遙感可監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)均屬于物理指標(biāo)，因?yàn)橹挥芯邆涔鈱W(xué)特性的水質(zhì)指標(biāo)，才能反映在遙感信號(hào)中?？紤]到水資源與水環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)注的水質(zhì)要素，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的水質(zhì)信息提取優(yōu)勢(shì)與能力，建立了國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)品序列，包括水色指數(shù)、透明度、懸浮物濃度、葉綠素a濃度、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別五類(lèi)。

遙感監(jiān)測(cè)湖庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)的方法模型多種，對(duì)定量反演的精度要求高，針對(duì)現(xiàn)有水質(zhì)反演算法無(wú)法適用于國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星的水質(zhì)指標(biāo)反演等難題，突破了葉綠素、懸浮物、透明度等主要水質(zhì)參數(shù)遙感反演關(guān)鍵技術(shù)，并構(gòu)建了國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。首先，構(gòu)建了湖庫(kù)地面光譜與水質(zhì)參量數(shù)據(jù)集，包括國(guó)內(nèi)典型湖庫(kù)的水面光譜和水質(zhì)參量地面測(cè)量歷史數(shù)據(jù)，以及從2019年至今采集的與國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星同步的水面數(shù)據(jù)。利用歷史與同步數(shù)據(jù)，對(duì)已有模型面向高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，并對(duì)水質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)施質(zhì)量控制。然后，針對(duì)國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星的水體遙感反射率精確估算難題，提出了基于圖像自身的近紅外和短波紅外校正模型，使國(guó)產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)的遙感反射率圖像能夠滿(mǎn)足水質(zhì)參量反演的精度要求；基于與國(guó)產(chǎn)高光譜影像同步的水面光譜與水質(zhì)參量測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)展了適用于國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的葉綠素a和懸浮物濃度反演模型；提出了二分類(lèi)的透明度反演半分析模型，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星對(duì)清潔與渾濁水體的自適應(yīng)反演。

4.湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)體系構(gòu)建

針對(duì)國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星的湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品業(yè)務(wù)化生產(chǎn)瓶頸，實(shí)施了涵蓋原始數(shù)據(jù)篩選、輻射與幾何糾正、產(chǎn)品生產(chǎn)與分析核查等環(huán)節(jié)的全流程質(zhì)量控制體系：通過(guò)年度定期開(kāi)展國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星水面定標(biāo)試驗(yàn)，維護(hù)水體輻射定標(biāo)系數(shù)更新；對(duì)輸入數(shù)據(jù)和輸出產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)檢，剔除云量過(guò)高的數(shù)據(jù)和無(wú)效值。篩選適用于國(guó)產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)的大氣校正模型與水體范圍自動(dòng)提取算法，盡量降低業(yè)務(wù)化生產(chǎn)中的人工干預(yù)環(huán)節(jié)，提升生產(chǎn)效率。研發(fā)了水質(zhì)產(chǎn)品業(yè)務(wù)化生產(chǎn)模塊，實(shí)現(xiàn)基于模板定制技術(shù)的湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)與入庫(kù)管理。

5.湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)進(jìn)展

自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心基于《重點(diǎn)流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃（2021—2025年）》，選取了覆蓋我國(guó)十大流域的36處重要湖庫(kù)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)這些湖庫(kù)2019—2021年的水質(zhì)狀況開(kāi)展遙感常態(tài)化監(jiān)測(cè)。其中，監(jiān)測(cè)湖庫(kù)主要集中在長(zhǎng)江流域（13個(gè)湖庫(kù)）和黃河流域（8個(gè)湖庫(kù)），西南諸河流域、內(nèi)陸河流域等區(qū)域湖庫(kù)由于水質(zhì)比較清潔，選取了代表性湖庫(kù)納入監(jiān)測(cè)范圍。

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括生產(chǎn)水色指數(shù)、透明度、懸浮物濃度、葉綠素a濃度、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別等五類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)品的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析，生產(chǎn)五類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)的年度均值產(chǎn)品和年際變化曲線(xiàn)圖，分別反映湖庫(kù)在空間維和時(shí)間維的變化趨勢(shì)。

三、結(jié)論與展望

國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)在湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性、覆蓋完整性等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)。目前部分高光譜衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)間尚短，衛(wèi)星狀態(tài)與數(shù)據(jù)質(zhì)量未達(dá)穩(wěn)定，其在水資源質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力還有待發(fā)揮。隨著國(guó)產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展與完善，多顆高光譜衛(wèi)星能持續(xù)穩(wěn)定提供時(shí)空可比的湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，將進(jìn)一步豐富我國(guó)現(xiàn)有湖庫(kù)本底數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，支撐湖庫(kù)保護(hù)、修復(fù)和治理等情況的評(píng)估、分析與監(jiān)督。未來(lái)還需要圍繞幾方面工作推進(jìn)和提升國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用效能。

1.進(jìn)一步完善指標(biāo)與技術(shù)體系

豐富湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)類(lèi)型，在現(xiàn)有水質(zhì)指標(biāo)基礎(chǔ)上，增加高光譜具有監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)的浮游藻類(lèi)功能型等指示水生態(tài)狀況的指標(biāo)，進(jìn)一步挖掘高光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用潛能，逐步完善湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。通過(guò)持續(xù)擴(kuò)展不同水體類(lèi)型和衛(wèi)星的同步實(shí)驗(yàn)，提升不同載荷的國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星在現(xiàn)有水質(zhì)指標(biāo)反演模型的精度與適用性。

2.制定高光譜衛(wèi)星湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

研究制定高光譜衛(wèi)星湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理、野外水質(zhì)樣品采集與測(cè)試分析、水面光譜采集與處理、水質(zhì)參量反演模型構(gòu)建與驗(yàn)證、模型應(yīng)用及精度評(píng)價(jià)、質(zhì)量控制、產(chǎn)品分析等環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)范，促進(jìn)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)在水資源相關(guān)業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化應(yīng)用。

3.推動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)與站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的協(xié)同發(fā)展

我國(guó)的地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)積累了豐富的歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)，時(shí)效性高。推動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)與站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享共用，一方面借助地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)，能夠減少重新地面測(cè)量改進(jìn)高光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型的成本，另一方面衛(wèi)星監(jiān)測(cè)產(chǎn)品能夠補(bǔ)充站點(diǎn)監(jiān)測(cè)空間覆蓋不全的水域。二者互為補(bǔ)充，能夠形成更高效和全面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力。

4.擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)序歷史監(jiān)測(cè)

分階段擴(kuò)展湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍，由目前的大中型重點(diǎn)湖庫(kù)擴(kuò)展到黃河、長(zhǎng)江流域的中小型湖庫(kù)，再擴(kuò)展到內(nèi)陸河流域和西南諸河流域等具有豐富湖庫(kù)的區(qū)域。通過(guò)完善國(guó)內(nèi)外歷史遙感數(shù)據(jù)的水質(zhì)參量反演技術(shù)，以及多源水質(zhì)參量產(chǎn)品一致性控制，逐步積累長(zhǎng)時(shí)序歷史監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，以滿(mǎn)足對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)回溯監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)序時(shí)空分析的需求。■