【科學(xué)網(wǎng)】34次野外調(diào)查、行程6萬公里，只為這件事 國(guó)家尺度水體透明度30米分辨率遙感反演首次實(shí)現(xiàn)
為了弄清我國(guó)湖泊水體光學(xué)特性、富營(yíng)養(yǎng)化水平和溶解碳的真實(shí)情況，中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（以下簡(jiǎn)稱東北地理所）水環(huán)境遙感學(xué)科組研究人員傾注了大量心血。他們?cè)?年的時(shí)間里，開展34次野外調(diào)查，行程6萬多公里，采集水體樣品超過2300個(gè)；再結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一種新的基于紅藍(lán)波段比值的估算水體透明度遙感模型，首次實(shí)現(xiàn)30米分辨率全國(guó)湖泊水體透明度遙感反演（運(yùn)用傳感器/遙感器對(duì)物體的電磁波的輻射和反射特性的探測(cè)）。上述研究成果近日發(fā)表于《環(huán)境遙感》。
傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要是通過采集水體樣品，再回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)分析。但常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法難以滿足大范圍、多頻次水質(zhì)參數(shù)觀測(cè)需求。而遙感技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述要求的觀測(cè)提供了可能。
然而，對(duì)于光學(xué)衛(wèi)星遙感而言，水體屬于弱信號(hào)目標(biāo)，在透過大氣抵達(dá)衛(wèi)星傳感器時(shí)，夾雜著大氣氣溶膠散射、輻射和反射的噪聲。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家經(jīng)過幾十年的探索，已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)較為成熟的算法，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)。
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(biāo)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(shè)構(gòu)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(wèi)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(jīng)驗(yàn)關(guān)系的亮像元算法，該類算法簡(jiǎn)單實(shí)用，得到了廣泛的應(yīng)用，但是該類算法在模型構(gòu)建推理時(shí)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(jìn)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(jié)果表明，第三種大氣校正算法是最適合中國(guó)國(guó)家尺度湖泊群透明度估算的產(chǎn)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(bǔ)充道。
在該研究成果之前，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了部分大型湖泊及區(qū)域性湖泊群的中高分辨率水體透明度遙感反演；同時(shí)中國(guó)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(chuàng)新之處，在于構(gòu)建了一個(gè)相對(duì)具有大尺度反演能力且能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序反演的水體透明度遙感反演模型。該模型覆蓋了全中國(guó)多種類型水體透明度樣本，與衛(wèi)星進(jìn)行了有效匹配，具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。
該課題組把2004至2012年采集的400多個(gè)樣點(diǎn)和美國(guó)環(huán)保署2009年的采樣數(shù)據(jù)驗(yàn)證后表明，該模型具有時(shí)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(yīng)用價(jià)值。
“如果在云計(jì)算和穩(wěn)定大氣校正算法的支持下，可以用來進(jìn)行大區(qū)域高精度（30米分辨率）水體透明度反演。”宋開山告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
據(jù)介紹，該研究成果前期的預(yù)研究結(jié)果，已得到相關(guān)環(huán)保部門的應(yīng)用；采用該方法構(gòu)建的模型，也應(yīng)用到今年黑龍江呼蘭河污染事件中，監(jiān)測(cè)被污染呼蘭河的水體透明度。目前，該課題組正與生態(tài)環(huán)境部、科技部等相關(guān)部門溝通，將算法與成果共享，為中國(guó)內(nèi)陸水體透明度監(jiān)測(cè)提供技術(shù)服務(wù)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111800
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