北京
今天是世界水日，3月22日-28日是中國水周。水是生命之源，是維持所有生物生存和生態系統平衡的必需物質。水環境監測對于維護生態平衡、保障人類健康及可持續發展至關重要。
常規地面采樣水質監測受限于成本高等問題，難以實現大范圍動態監測。衛星遙感技術則能夠提供大范圍、連續、實時的水質信息，有效彌補地面監測的不足，為水環境管理和決策提供強有力的數據支持。
衛星遙感技術在水環境監測中的應用，主要依托于可見光波段的光學遙感數據，通過解析水體顏色信息來實現水質參數監測，這一技術領域被稱為水色遙感。中國科學院空天信息創新研究院科研人員在相關研究中取得系列進展。
01
水色觀“質”
為定量記錄水體顏色信息，水體顏色被分類或分級。福萊爾水色計將水體顏色從深藍到黃棕色分為21個級別，稱為水體顏色指數（Forel Ule Index, FUI）。FUI越低，水質越好，反之，水質越差。
隨著衛星遙感技術的發展，科研人員開始通過衛星圖像監測FUI，發布了首個全球大型湖庫FUI時間序列數據集，并分析了全球大型湖庫FUI的空間分布。
結果顯示，高緯度、高海拔地區的湖庫FUI較低，水體較清潔；而人口密集、城鎮集中地區的湖庫FUI較高，水體較渾濁。
▲全球大型湖庫水體顏色指數衛星遙感監測圖
02
水色判“濁”
透明度是衡量光線穿透水體深度的指標，反映了水體的渾濁程度和污染水平。
高濃度的懸浮泥沙、浮游植物或有色可溶性有機物會顯著降低水體透明度，如高度渾濁的黃河口水體透明度僅幾厘米，水體呈黃棕色；而清澈的納木錯水體透明度可達10米以上，呈深藍色。
基于這一現象，科研人員利用衛星遙感技術，通過觀測水體顏色指數估算水體透明度，揭示了全球大型湖庫水體透明度的時空變化趨勢。
▲全球大型湖庫水體透明度衛星遙感監測圖
03
水色查“腐”
水體營養狀態描述水體中的營養物質含量，可以分為貧營養、中營養和富營養三個級別。
富營養化是指氮、磷等營養元素增加導致藻類及浮游生物過度繁殖、溶解氧下降、水質污染的一種現象。“流水不腐”中的“腐”即指富營養化。
貧營養水體中的懸浮和溶解物質含量低，水體呈藍色；富營養水體中的物質含量高，水體呈黃綠色。
基于此，科研人員構建了基于衛星遙感水體顏色指數的湖庫營養狀態監測模型，首次發布全球大型湖庫營養狀態遙感監測結果，為評估全球湖庫營養狀態時空分布提供了新方法。
▲全球大型湖庫營養狀態衛星遙感監測圖
衛星遙感技術通過定量提取水體顏色信息，能夠有效監測湖庫水質狀況，進而為水環境保護和可持續發展評估提供決策支持。
論文鏈接：
1. Shenglei Wang, Junsheng Li, Bing Zhang*, et al. Trophic state assessment of global inland waters using a MODIS-derived Forel-Ule index. Remote Sensing of Environment, 2018, 217: 444-460. [https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.08.026]
2. Shenglei Wang, Junsheng Li, Bing Zhang*, et al. Changes of water clarity in large lakes and reservoirs across China observed from long-term MODIS. Remote Sensing of Environment, 2020, 247, 111949: 1-17. [https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111949]
3. Shenglei Wang, Junsheng Li, …, Bing Zhang*. A dataset of remote-sensed Forel-Ule Index for global inland waters during 2000–2018. Scientific Data, 2021, 8, 26. [https://doi.org/10.1038/s41597-021-00807-z]
4. Shenglei Wang, …, Junsheng Li*, et al. Water color from Sentinel-2 MSI data for monitoring large rivers: Yangtze and Danube, Geo-spatial Information Science, 2023, 27(3): 854–869. [https://doi.org/10.1080/10095020.2023.2258950]
5. Huanchang Ying, Shenglei Wang*, Bing Zhang*, …, Junsheng Li. Earth observation reveals the shifting patterns of China’s lake colour driven by climate change and land cover. Journal of Environmental Management, 2024, 370: 122809. [https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.122809]
作者：李俊生 王勝蕾 張兵
來源：中國科學院空天信息創新研究院
責任編輯：曹旸
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