湖库水质高光谱卫星遥感监测体系研究

王权，刘瑶

（自然资源部国土卫星遥感应用中心，100048，北京）

一、研究背景

水是生命之源、生产之要与生态之基。作为生态系统得以维系的基础，水也是支撑我国新时期高质量发展的核心自然资源类型。随着人口的增长和经济社会的发展，我国内陆水资源水生态在新时期面临严峻挑战。开展持续、动态、大范围的地表水质监测工作是进行水环境保护和水生态治理的基础，具有十分重要的现实意义。

在众多水资源类型中，湖库是人水关系结合最紧密的环节之一。在GDP占比超过全国50%的长江经济带，其间星罗棋布的大小湖库提供了饮水、工农业用水、航运、渔业养殖等多种功能，是支持该流域经济发展的重要水资源。湖库水质作为水资源质量的直接表征，其水质信息已成为资源管理、国土空间规划、环境保护与修复的重要参考。在《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》和《长江经济带生态环境保护规划》等国家重大规划中，对重点湖库的保护、修复和治理水平的提升都提出了明确的要求。因此，有必要针对重点湖库开展常态化水质监测，以服务和保障国家重大规划的相关工作开展。

常规水质监测方法主要是现场采集水样送到实验室内进行分析，优点是水质监测的精度比较高，缺点是空间密度不足。基于岸边或水中站点的在线监测方法可以大幅提高水质监测的时间频次，但是建设和维护成本高，空间分布更为有限。与传统地面采样调查手段相比，遥感监测结果可以反映水质的时空分布情况和变化，发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁徙特征，而且具有监测范围广、速度快、成本低和便于长期动态监测的优势。近年来，遥感数据及技术在湖库监测工作中发挥着越来越重要的作用。美国环保署联合NASA、USGS等机构持续开展基于遥感卫星的藻华监测工作；加拿大环境与气候变化部基于遥感卫星水质产品开展湖泊水质常态化跟踪监测。国内相关科研机构在全球宏观尺度上也开展了大量工作，相关技术和成果也得到了学界认可。

过去，主要是基于国外卫星对我国湖库水质开展监测。近几年，我国自有卫星数据逐渐丰富，尤其是高光谱数据，给湖库水质监测带来了新的数据保障来源。相对于其他分辨率卫星，高光谱卫星在湖库水质监测领域的数据优势与技术优势更加明显。

二、湖库水质高光谱卫星遥感监测体系构建

1.高光谱卫星数据在湖库水质监测上的优势

考虑到水体目标的光谱特性，面向水体应用的遥感器往往需要满足高信噪比、波段相对丰富等载荷要求。我国高光谱卫星数据，在湖库水质监测上主要有四方面的优势：

①空间分辨率。水体属于空间均一性较高的地表类型，因此对空间分辨率的要求相对不高。相反，因为水体属于光学信号弱的地物，需要适当降低空间分辨率来尽量提高数据的信噪比。另一方面，考虑到内陆中小型湖库的监测需求，空间分辨率在百米级的海洋卫星数据可能因为覆盖像元数有限而难以实施有效监测。高光谱数据的30 m分辨率，能够兼顾大中小型湖库的监测需求。

②光谱分辨率。水质遥感监测的核心是通过遥感器获取的被改变的太阳辐射解算水中物质的组成及其浓度。而水中不同物质的吸收和散射发生的波长可能不同，光谱分辨率高，这些物质的特征就易于彼此区分。

③信噪比。以水体为主要观测对象的卫星，其数据信噪比要求高于一般陆地卫星。在轨测试阶段，对水体地物在我国高光谱卫星影像中的信噪比进行了测算，显示其能够达到水体监测要求。

④波段数量。我国内陆湖库的光学特性复杂，具有季节性和区域性变化特点。因此，高光谱数据丰富的波段，能够为建立适用于大范围水质监测的水质参量反演模型提供广泛的波段选择。

综合以上四方面的优势，高光谱卫星适宜作为内陆湖库水质监测的数据源。

自然资源部国土卫星遥感应用中心围绕国家重大需求，持续开展国产高光谱卫星湖库水质遥感监测体系研究与业务化应用，攻克国产高光谱卫星湖库水质监测的技术难题，从无到有建立了由卫星体系、技术体系、业务体系构成的湖库水质高光谱遥感监测体系，并成功实现业务化运行，将为新时期的水资源管理与水环境治理与修复工作提供全面的数据支撑。

2.湖库水质遥感监测卫星体系构建

自2015年《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》(发改高技〔2015〕2429号)实施以来，我国已发射4颗民用高光谱卫星，分别为高分五号卫星（GF-5）、高分五号02星（GF-502）、资源一号02D和02E卫星。目前，高分五号02星、资源一号02D卫星和02E卫星三颗卫星在轨正常运行，高分五号01A星也将在不久后发射，形成4星联合观测的卫星体系。基于上述卫星，可构建搭载高光谱相机的国产卫星湖库水质监测卫星体系。

高分五号02星上搭载了可见短波红外高光谱相机（AHSI），该相机获取的影像，其空间分辨率为30 m，幅宽可达60 km；具有330个波段，其中可见近红外波段（400～1 000 nm）的光谱分辨率约5 nm，短波红外波段（1 000～2 500 nm）的光谱分辨率约10 nm。该相机能够获取紫外线到长波红外谱段的高光谱分辨率遥感数据产品，可实现高光谱分辨率、高空间分辨率、高精度的对地全天候监测。高分五号01A星与高分五号02星将搭载相同型号的高光谱相机。高分五号02星、01A星双星组网将实现陆表高光谱探测2次/5天。

资源一号02D卫星于2019年9月12日成功发射。02D卫星在太阳同步轨道运行，搭载了高光谱相机和可见近红外相机。其中，高光谱相机的成像空间分辨率为30 m，幅宽60 km。在400～2 500 nm光谱范围，可见近红外波段（400～1 000 nm）通道数为76个，光谱分辨率为10 nm，短波红外段（1 000～2 500 nm）通道数为90个，光谱分辨率为20 nm，共有166个波段。资源一号02E卫星是资源一号02D星的后续星，其高光谱相机载荷设置与02D卫星一致。资源02D、02E卫星可实现20～30 °测摆观测，与高分五号02星、01A星形成四星两网。

表1 中国在轨运行高光谱卫星情况

3.湖库水质遥感监测技术体系构建

水质状况是通过水质指标来衡量，水质指标通常分为物理指标、化学指标、生物指标、放射性指标。遥感可监测的水质指标均属于物理指标，因为只有具备光学特性的水质指标，才能反映在遥感信号中。考虑到水资源与水环境监测关注的水质要素，结合遥感数据的水质信息提取优势与能力，建立了国产高光谱卫星监测的水质指标产品序列，包括水色指数、透明度、悬浮物浓度、叶绿素a浓度、营养状态级别五类。

遥感监测湖库水质指标的方法模型多种，对定量反演的精度要求高，针对现有水质反演算法无法适用于国产高光谱卫星的水质指标反演等难题，突破了叶绿素、悬浮物、透明度等主要水质参数遥感反演关键技术，并构建了国产高光谱卫星水质监测技术体系。首先，构建了湖库地面光谱与水质参量数据集，包括国内典型湖库的水面光谱和水质参量地面测量历史数据，以及从2019年至今采集的与国产高光谱卫星同步的水面数据。利用历史与同步数据，对已有模型面向高光谱数据进行改进与优化，并对水质产品生产实施质量控制。然后，针对国产高光谱卫星的水体遥感反射率精确估算难题，提出了基于图像自身的近红外和短波红外校正模型，使国产高光谱数据的遥感反射率图像能够满足水质参量反演的精度要求；基于与国产高光谱影像同步的水面光谱与水质参量测量数据，发展了适用于国产卫星的叶绿素a和悬浮物浓度反演模型；提出了二分类的透明度反演半分析模型，实现了国产高光谱卫星对清洁与浑浊水体的自适应反演。

4.湖库水质遥感监测业务体系构建

针对国产高光谱卫星的湖库水质监测产品业务化生产瓶颈，实施了涵盖原始数据筛选、辐射与几何纠正、产品生产与分析核查等环节的全流程质量控制体系：通过年度定期开展国产高光谱卫星水面定标试验，维护水体辐射定标系数更新；对输入数据和输出产品进行质检，剔除云量过高的数据和无效值。筛选适用于国产高光谱数据的大气校正模型与水体范围自动提取算法，尽量降低业务化生产中的人工干预环节，提升生产效率。研发了水质产品业务化生产模块，实现基于模板定制技术的湖库水质监测产品自动化生产与入库管理。

5.湖库水质遥感监测进展

自然资源部国土卫星遥感应用中心基于《重点流域水生态环境保护规划（2021—2025年）》，选取了覆盖我国十大流域的36处重要湖库作为监测对象，对这些湖库2019—2021年的水质状况开展遥感常态化监测。其中，监测湖库主要集中在长江流域（13个湖库）和黄河流域（8个湖库），西南诸河流域、内陆河流域等区域湖库由于水质比较清洁，选取了代表性湖库纳入监测范围。

监测内容包括生产水色指数、透明度、悬浮物浓度、叶绿素a浓度、营养状态级别等五类水质指标产品，并在此基础上，通过水质指标产品的时空统计分析，生产五类水质指标的年度均值产品和年际变化曲线图，分别反映湖库在空间维和时间维的变化趋势。

三、结论与展望

国产高光谱卫星数据在湖库水质遥感监测的准确性、经济性、覆盖完整性等方面具有综合优势。目前部分高光谱卫星在轨运行时间尚短，卫星状态与数据质量未达稳定，其在水资源质量监测中的应用潜力还有待发挥。随着国产高光谱数据处理与应用技术的发展与完善，多颗高光谱卫星能持续稳定提供时空可比的湖库水质监测产品，将进一步丰富我国现有湖库本底数据的基础上，支撑湖库保护、修复和治理等情况的评估、分析与监督。未来还需要围绕几方面工作推进和提升国产高光谱卫星在水质监测领域的应用效能。

1.进一步完善指标与技术体系

丰富湖库水质监测的指标类型，在现有水质指标基础上，增加高光谱具有监测优势的浮游藻类功能型等指示水生态状况的指标，进一步挖掘高光谱水质监测应用潜能，逐步完善湖库水质监测指标体系。通过持续扩展不同水体类型和卫星的同步实验，提升不同载荷的国产高光谱卫星在现有水质指标反演模型的精度与适用性。

2.制定高光谱卫星湖库水质遥感监测标准

研究制定高光谱卫星湖库水质遥感监测相关标准，对高光谱卫星数据获取与预处理、野外水质样品采集与测试分析、水面光谱采集与处理、水质参量反演模型构建与验证、模型应用及精度评价、质量控制、产品分析等环节进行规范，促进高光谱卫星数据在水资源相关业务的标准化、规范化应用。

3.推动遥感监测与站点监测的协同发展

我国的地面监测站点积累了丰富的历史水质数据，时效性高。推动遥感监测与站点监测数据共享共用，一方面借助地面站点数据，能够减少重新地面测量改进高光谱水质监测模型的成本，另一方面卫星监测产品能够补充站点监测空间覆盖不全的水域。二者互为补充，能够形成更高效和全面的水质监测能力。

4.扩大监测范围，开展长时序历史监测

分阶段扩展湖库水质监测的区域范围，由目前的大中型重点湖库扩展到黄河、长江流域的中小型湖库，再扩展到内陆河流域和西南诸河流域等具有丰富湖库的区域。通过完善国内外历史遥感数据的水质参量反演技术，以及多源水质参量产品一致性控制，逐步积累长时序历史监测产品，以满足对湖库水质回溯监测和长时序时空分析的需求。■