十年坚守 | 绿水青山保卫战，遥感始终在前线（二）

遥感人的成长家园

官网

扁鹊见蔡桓公，立有间，扁鹊曰：“君有疾在腠理，不治将恐深。”                   

                                  ——《韩非子·喻老》

内陆水环境遥感能否见微知著，

做望色诊疾的扁鹊 ？

工农业生产和生活污水无序排放，给内陆水体生态环境带来严重污染，水体富营养化、黑臭水体以及各种有机、无机物污染，是当前内陆水环境污染的主要表现形式。传统监测手段主要通过地面监测人员的巡测采样，开展定量理化试验分析，虽然测量成分详细准确，但需耗费极大的人力物力和财力，离散点采样监测也难以全面的覆盖整个水体，具有一定局限性。

在海洋领域大展身手的海洋水色遥感技术是否也能在内陆水环境污染遥感中发挥强大威力，实现高效率的望色诊污？如果技术可行，目前开展的业务化运行又存在哪些需要亟待突破的技术难点? 

中国科学院空天信息研究院的王世新研究员,从2003年开始长期专注于内陆水环境定量遥感技术研究与应用，本期“十年坚守”介绍王世新研究员及其研究团队在内陆水环境污染遥感监测与预警领域开展的研究工作。

专家简介

王世新，中国科学院空天信息研究院二级研究员，国家遥感应用工程技术研究中心 灾害与环境遥感研究室主任。面向全球和区域性重大灾害和突发性环境事件，研究和发展利用遥感、地理信息系统技术进行预警、监测、评价和应急反应的理论、技术和方法，构建灾害与环境遥感综合监测评价体系和应用系统，形成面向国家目标的灾害与环境遥感科学和信息服务基地，为国家的减灾救灾和可持续发展提供决策支持。

访 谈

内陆水环境遥感技术应用优势有哪些?

普查能力强。相对于传统基于离散点采样的理化分析监测技术，遥感技术具有二维成像观测能力，能够准确测绘水环境质量在空间上的差异，识别出异常区，是开展水环境异常变化和水污染普查的强力技术手段，具有传统方法无与伦比的技术优势。

详查能力俱备。陆地水色遥感相对于大区域的海洋水色遥感又有显著不同的应用场景，开展内陆水环境污染遥感的最大优势是可以充分利用高分数据实现探测污染源、监测污染源的活动，具有水污染排放源的详查技术能力。像高分1号卫星能够达到2 m分辨率、高分2号卫星能够达到亚米级分辨率，国外卫星的0.3 m数据以及0.05 m的无人机遥感数据。联合利用多平台的高分辨率数据能够追溯污染来源，监测特定污染排放口。

监测精度高。遥感载荷的多光谱、高光谱相机具有全波段、精细光谱成像能力，并具有极高的辐射分辨能力，能准确记录不同波段的水色轻微变化，为水污染专家的望色诊疾奠定了基础。通过构建水质参数反演模型，能够快速准确的定量反演水体水质参数，监测精度高，能够定量化的诊断分析水环境质量及其变化，为水环境管理提供决策依据。

监测频次高。开展大区域的水污染监测，传统方法费时费力，难以开展高频次的监测。卫星能够日行千里实现大区域的成像，而且多颗卫星能够联合观测，实现高频次监测；我国的静止轨道卫星高分4号更是能够对同一个地区“凝视”，实现分钟级的连续观测成像，对追踪较大尺度的水环境污染事件具有很大优势。

水环境遥感业务化运行蕴含的研究难点？

水环境定量遥感反演技术已经得到了飞速的发展，建成了相对成熟的技术体系，并在生态环境部门开展了比较具体的业务化应用。但是水环境遥感的业务化应用有自己的工程技术需求和特点，最突出的就是业务化运行中的水质参数精度不稳定及真实性检验的问题，涉及到一系列基础研究的难点。

辐射定标问题。长时间序列数据的辐射校正，是首先面对的问题。卫星载荷存在轨道持续漂移、定期维持以及电子器件衰减，存在地面定标周期过长的情况，而且目前大都是基于沙地和草原的陆地定标，对水体的辐射标定误差较大。

大气校正问题。作为弱反射地物的水体，大气的干扰信号相对强烈，现有的基于黑目标的大气校正技术无法实现水体上空的逐像元大气校正，需要发展基于波段间光谱特征差异的大气校正理论和方法。

遥感数据特征问题。卫星成像数据特征不稳定，会对长时间序列水质参数反演精度产生很大的影响。弱反射的水体在载荷光电线性响应中处于低值区域，其数值波动范围对弱反射水体而言相对较大，会影响辐射校正、大气校正的评价结果，显著增大水质参数反演误差。需要校正载荷低值响应区的不稳定波动，增强水环境参数反演模型的稳定性。

光学特性多变。水体组分光学特性的多变性，是水质参数反演模型长期稳定运行极大挑战。水体组分的物质组成、颗粒大小都对水体的固有光学特性影响极大，与表观光学特性共同影响水体水色。研究水体物质组成、颗粒大小对水体的吸收、散射特性的影响，以及其时相变化规律对构建和维护更新原有的水质参数反演模型极端重要。

这些都是制约着长时间序列水环境污染遥感监测精度的重要因素。高精度标准化的遥感数据和反映实际光学特性的反演模型才能获取稳定的监测结果，这是业务化运行的重要物理基础。

您的团队在水污染遥感监测方面做了哪些工作？

在高分项目、国家863项目、中科院重要方向项目和国家自然科学基金的支持下，我们团队开展了水体高精度大气校正研究、水体组分吸收、散射特性研究、多曝光量地物的遥感光谱响应等基础研究，大型湖库的蓝藻水华遥感监测预警、城市水系的黑臭水体遥感普查、详查和溯源追踪监测、大型矿山污染水体遥感监测等工作。

图1 内陆水体水质参数遥感反演系统

我们开发的内陆水体水质参数遥感反演系统已经实现业务化运行多年，并能保证更新维护。多年来向国务院办公厅、国家发改委、中科院办公厅以及相关政府部门提交监测专报，多次获得国家领导人的批示，为政府决策提供了重要依据，体现了遥感的独特优势、强大能力和应用价值。

   图2 内陆水体水质参数定量反演产品（叶绿素a、悬浮物浓度、透明度、浊度、水表温度、水华，6种）

内陆水体水质参数遥感反演系统能够面向国产高分卫星（GF）、环境星数据以及国外数据如Landsat 8 OLI、MODIS、Sentinel数据，持续为行业部门、政府部门快速生产水体叶绿素a浓度、总悬浮物浓度、水体透明度、水体浊度、水体温度、水华分布等多种水质参数定量遥感反演产品。

图 3 太湖水质变化状况

图4   黑臭水体其他污染水体分布图

此外，我们也建立了基于中分辨率的水环境污染遥感普查技术体系，还有基于高分辨率数据的水环境污染详查技术体系，能够生产面向中分辨率、高分卫星的黑臭水体遥感普查、详查产品，为区域的环保督察提供了可靠依据。

相关论文

阎福礼,吴亮，王世新,周艺,徐晨娜，王利双.水体表面温度遥感反演研究综述.地球信息科学学报，2015，17（8）：969-978

阎福礼，刘韶菲，王世新，周艺。太湖浮游藻类的后向散射分离及其叶绿素a浓度反演，地球信息科学学报，2014，16（6）：989-996

杨硕,王世新,周艺,阎福礼,王峰.基于光谱匹配的内陆水体反演算法，光谱学与光谱分析，2010,30(11):3056-3060

杜  聪,王世新,周  艺,阎福礼.太湖悬浮物浓度的MODIS影像估测研究，武汉大学学报（信息科学版），2010,35(1):97-101

团队

介绍

国家遥感应用工程技术研究中心的灾害与环境遥感研究室，现有30名研究人员，2名研究员，7名副研究员，实验室高度重视人才队伍的建设和培养，始终把队伍建设和人才培养放在实验室建设的重要位置和核心地位。多年来实验室一直围绕重大自然灾害与生态环境灾害性突发事件的监测、预警领域开展科研工作，近年来在国内外发表论文200余篇，授权发明专利20余件，登记软件著作权20余件。在遥感观测装备、灾害环境监测预警理论、技术与方法方面成果突出，同时也实现了部分成果的业务化监测、预警技术能力，正全力提升高新技术的市场转化能力。

延伸阅读

编辑：奔奔

指导/审核：梧桐君

声明

欢迎转载、转发本号原创内容，转载信息请与本号联系授权，标注原作者和信息来源为《遥感学报》。

本号转载信息旨在传播交流，其内容由作者负责，不代表本号观点。如涉及作品内容、版权和其他问题，请在20日内与本号联系，我们将在第一时间处理。《遥感学报》拥有最终解释权。

QQ加群

《遥感学报》为关注论文写作和发表的亲们，搭建了专属QQ交流群，欢迎加入。进群需备注“单位+姓名+研究领域”，谢谢!

QQ：535215261

投稿网站：www.jors.cn

 QQ丨535215261

网站｜www.jors.cn

电话｜010-58887052

邮箱丨[e-mail]

最新成果丨年度会议丨热点研究丨招生招聘

鼓励你就点一下

亲爱的读者，看到这里，您有什么想法呢？