综述

内陆水体浊度遥感监测研究进展与未来趋势

  • 李洋 , 1, 2 ,
  • 刘阁 , 1, * ,
  • 李思佳 1 ,
  • 宋开山 1
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刘阁,副研究员。E-mail:

李洋(2000—),男,吉林省松原人,硕士研究生,从事水遥感监测研究。E-mail:

收稿日期: 2024-03-12

  修回日期: 2024-08-31

  网络出版日期: 2026-03-12

版权

版权所有©《湿地科学》编辑部2025
李洋, 刘阁, 李思佳, 等. 内陆水体浊度遥感监测研究进展与未来趋势[J]. 湿地科学, 2025, 23(4): 834-845 [Li Y, Liu G, Li S J, et al. Research progress and future trends in remote sensing monitoring of turbidity in inland water bodies. Wetland Science, 2025, 23(4): 834-845

Research progress and future trends in remote sensing monitoring of turbidity in inland water bodies

  • Li Yang , 1, 2 ,
  • Liu Ge , 1, * ,
  • Li Sijia 1 ,
  • Song Kaishan 1
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Received date: 2024-03-12

  Revised date: 2024-08-31

  Online published: 2026-03-12

Copyright

Copyright ©2025 Wetland Science. All rights reserved.

摘要

浊度作为衡量水体中悬浮物质(有机/无机颗粒物、浮游生物、微生物等)对光散射与吸收作用的关键光学参数,是水质评价的核心指标之一。近年来,随着内陆水体污染事件频发(如尾矿泄漏、水库浊流异常排放等),对高效水质监测技术的需求日益迫切。传统浊度监测依赖地面采样与实验室分析,存在时空分辨率低、成本高昂等局限性,而遥感技术具有大范围、周期性的观测优势,通过卫星/航空平台获取的多光谱数据实现浊度定量反演,已成为当前研究的热点领域。基于Web of Science数据库的文献计量分析(共574篇文献)显示,浊度遥感反演研究呈显著增长趋势,数据源呈多元化发展。主流卫星传感器包括Landsat系列(凭借30 m的空间分辨率及40余年的历史数据成为最常用的数据源)、MODIS (适用于大范围监测)、MERIS (专设水色波段)以及Sentinel-2 MSI/Sentinel-3 OLCI (兼顾空间与光谱分辨率)。在算法发展方面,已有研究已从早期的线性/多项式回归模型逐步演进为多方法体系:经验模型(单波段阈值法、波段比值法等)、半分析模型以及基于机器学习的智能算法。值得注意的是,内陆水体的光学复杂性(如不同组分对光的异质性吸收−散射效应)仍是制约反演精度的关键挑战。未来研究应聚焦于多源遥感数据融合技术以突破时空分辨率限制,大气校正模型优化以消除气溶胶干扰,基于水体光学分类的差异化建模策略,从而全面提升浊度反演的精度与鲁棒性。

本文引用格式

李洋 , 刘阁 , 李思佳 , 宋开山 . 内陆水体浊度遥感监测研究进展与未来趋势[J]. 湿地科学, 2025 , 23(4) : 834 -845 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.20240067

Abstract

Turbidity, as a key optical parameter measuring the scattering and absorption of light by suspended substances (including organic/inorganic particles, phytoplankton, and microorganisms), is one of the core indicators in water quality assessment. In recent years, frequent pollution events in inland water bodies, such as tailings leakage, abnormal turbidity discharges from reservoirs, and industrial runoff, have heightened the need for efficient and accurate water quality monitoring technologies. Traditional turbidity monitoring methods rely on field sampling and laboratory analysis. Although these techniques provide high-accuracy results, they are inherently limited in spatial coverage and temporal frequency, while also being labor-intensive and time-consuming. With the advancement of remote sensing technology, the acquisition of multispectral data via satellite or aerial platforms has emerged as a promising and cost-effective approach for large-scale and periodic turbidity retrieval. Remote sensing-based turbidity estimation offers several advantages, including wide-area coverage, temporal consistency, and the ability to monitor inaccessible regions. A bibliometric analysis of 574 relevant research articles indexed in the Web of Science reveals a clear upward trend in the number of turbidity-related remote sensing studies. Moreover, the diversity of satellite data sources continues to expand. Among them, the Landsat series stands out as the most commonly used due to its 30 m spatial resolution and extensive historical archive spanning over four decades. Other widely adopted sensors include MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), which is suited for large-scale observations; MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer), known for its ocean color-specific spectral bands; and Sentinel-2 MSI and Sentinel-3 OLCI, which strike a balance between spatial and spectral resolution. In terms of retrieval methodologies, early studies primarily employed linear or polynomial regression models. Over time, more sophisticated approaches have emerged, forming a diverse methodological framework. These include empirical models such as single-band threshold methods and band ratio algorithms, semi-analytical models that incorporate water optical properties, and data-driven machine learning algorithms that offer improved flexibility and adaptability. However, accurately estimating turbidity in optically complex inland waters remains a challenge, primarily due to the heterogeneous absorption and scattering effects of different water constituents. Looking forward, future research should prioritize three key directions: integrating multi-source remote sensing data to overcome limitations in spatial and temporal resolution; improving atmospheric correction algorithms to effectively eliminate interference from aerosols and atmospheric particles; and developing classification-based retrieval frameworks that account for the variability of water optical properties across different inland water types. These efforts will collectively enhance the accuracy, robustness, and general applicability of turbidity remote sensing in complex inland aquatic environments.

内陆水体主要包括湖泊、水库、河流等,是全球水循环的重要组成部分,与人类生活和生产息息相关,在区域经济和气候变化中扮演着重要角色,具有多种生态服务功能。内陆水体的水质及其营养状态变化是遥感与地面联合观测的重要内容,内陆水体监测指标有叶绿素、悬浮物、可溶性有机质、浊度等,在这些指标中,浊度代表内陆水体的“云量”,是一个综合水质参数,反映了水体在叶绿素-a、总悬浮物等光学活性物质作用下的吸收系数和后向散射系数的固有光学性质[1]。通常,水体浊度与水中悬浮物浓度密切相关[2],悬浮物浓度高则水体浊度较高,但两者不能等同,因为悬浮物浓度代表单位体积水中悬浮物的质量,而浊度则是一种光学效应,在不同水体中,即使悬浮颗粒物的浓度一致,其浊度值仍可能存在显著差异。这主要因为颗粒的粒径分布、形态结构及折射率不同,能够影响其对入射光的散射行为,从而导致浊度出现差异。较高的浊度降低了光的穿透深度,抑制了水下植被的光合作用,同时还会吸收来自太阳照射额外的热量导致溶解氧降低至温跃线以下[3]。尤其在内陆水体中,浊度的动态变化与内陆水体的生物地球化学代谢有关[4-5],受到流域尺度不同环境地理要素和水文过程的影响。此外,浊度作为衡量水体清澈程度的重要光学参数,较之于依赖人工观测的透明度(如塞氏盘测量),其受人为主观因素影响较小,更适用于遥感等定量化监测手段[6],目前,浊度作为反映水体颗粒物浓度的重要参数,已逐渐成为水质评价的重要组成部分。特别是在欧盟《海洋战略框架指令》(EU Marine Strategy Framework Directive) (https://eur-lex.europa.eu)中,浊度被明确列为核心水质评价指标之一。因此,对内陆水体浊度的长期趋势和短期动态进行观测是非常必要的。
传统的水体浊度监测需要布设大量站点,耗时费力且只能采集站点附近的水质数据,往往不具备代表性,受悬浮物、叶绿素等固有光学特性的影响,水体浊度与红波段和近红外波段有较强相关性,表现为随悬浮固体浓度的增加及悬浮固体粒径的增大,水体反射率逐渐增加,反射峰亦随之向长波方向移动(“红移”),能够被遥感技术所探测。因此,结合遥感技术进行大面积、周期性水体浊度监测[7],可增加对水生环境的了解,包括自然条件和人为活动的影响,比如土地利用、土壤侵蚀和湖泊周围的城市扩张[811]图1反映了内陆水体浊度遥感监测的原理,内陆水体浊度升高的原因一是环境因素(风、降水、支流的输送)导致沉积泥沙等颗粒物质再悬浮,二是浮游植物与大型沉水植物的资源竞争,当浮游植物获得足够的营养(氮、磷、钾)负荷时会阻碍大型沉水植物进行光合作用,导致浮游植物大量生长,从而使水体浊度升高[12]。本文系统总结了内陆水体浊度遥感监测的研究现状并探究了未来发展趋势,主要内容包括:①探究不同类型水体浊度的实测方法;②分析不同分辨率卫星在内陆水体浊度研究中的应用;③分析浊度反演算法的发展优势与需要改进之处;④分析内陆水体浊度研究在水环境与水资源管理方面的优势。
1 Principle of remote sensing monitoring of water turbidity

遥感监测水体浊度原理

1 文献分析

浊度遥感反演最早应用于海洋研究中[13]。随着水色卫星技术的发展,越来越多学者利用卫星观测数据构建浊度预测模型,实现了对水体浊度的遥感监测。为全面了解该领域的研究进展与发展趋势,本文以浊度反演为核心主题,结合水质遥感相关关键词,基于英文核心数据库进行系统检索。在 Web of Science 核心合集内,采用turbidity retrieval、turbidity remote sensing、water turbidity monitoring等检索词组合,并限定研究方向涵盖hydrology、oceanography、spectroscopy、remote sensing等领域。统计对2014年2月—2023年3月期间Web of Science核心合集内574篇水质遥感反演相关文献的严格筛选(图2),最终确认符合浊度遥感反演要求的文献共计60篇。研究趋势显示,尽管近年浊度相关研究数量稳步增长,但与总悬浮物(262篇)和叶绿素(252篇)这两类水质参数相比,浊度相关文献数量仍然较少,反映出浊度在水色遥感研究中的关注度仍有较大提升空间。
2 Number of remote sensing retrieval-related publications from 2014 to 2023 in the Web of Science Core Collection, retrieved and screened using the keywords turbidity, chlorophyll and total suspended matter

2014年2月—2023年3月Web of Science核心合集以turbidity、chlorophyll、total suspended matter等关键词检索并筛选的遥感反演相关文献数量统计

2 水体浊度实验测定方法与数据集

目前水体浊度的分析方法按照光源可分为单色光(分光光度法、比色法、特种单光源、激光)和复合光(白炽灯、标准蜡烛等)两大类[14],按照光接收方式可以分为以下几种。

2.1 水体浊度实验测定方法

2.1.1 透射法

透射法的依据是朗伯比尔(Lamber-Beer)定律,适用于所有电磁辐射和所有吸光物质,包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。朗伯比尔定律是比色分析及分光光度法的理论基础[15]。光被吸收的量与光程中产生光吸收的分子数目成正比,通过透过光的强度来确认水样的浑浊度。浑浊度与透光度的负对数呈线性关系,浑浊度越高,透光率越低。

2.1.2 散射法

光的散射现象是指当水中的浑浊粒子受到光照射时,其粒度在光波长的1/10~1/20以下,这些粒子将产生与光电场振动相等的偶极矩,与入射光同波长的光向四面照射的现象[2]
散射−透射式浊度仪法的原理是光束射入水体时产生的散射光的强度与水样中的浊度颗粒成正比,通过测量散射光的强度进而测出水样的浊度。由于水中物质对光的散射无定向[16],因此,可根据散射光相对于入射光的传播方向,将散射方式分为垂直散射式、前向散射式和后向散射式3种类型(图3)。在相同条件下,通过对比福尔马肼标准混悬液与水样的散射光强度进行浊度测定,该方法是目前实验室的常用方法。
3 Three scattering modes of light in water bodies

光在水体中的3种散射方式

需要注意的是,以上提到的方法需要使用专门的仪器和设备进行测量,并且在实际应用中需要校准和标定这些设备来确保准确度和可靠性。此外,不同的方法适用于不同浊度范围的水体,选择合适的测量方法需要考虑水体样品的特性和要求。表1是各种实测浊度方法的对比。
1 Comparison and analysis of turbidity measurement methods

浊度测定方法对比分析

测定方法 适宜测量范围 测量精度 应用范围 缺点
透射法 较高浓度 较低 基层单位 精度低
散射法 低浓度 低浓度比较精准 饮用水 容易污染
散射光透射光法 区域范围局限性 较高浓度比较精准 颜色差异较明显 价格昂贵
表面散射法 较高浓度 较高浓度比较精准 实时分析 价格昂贵
水下散射法 较高浓度 较高浓度比较精准 实时监测 操作复杂
调制光强法 较高浓度 较高浓度比较精准 消除其他光干扰 初步阶段

2.2 内陆水体浊度数据集

由于浊度的测试方法复杂且成本较高,仅适用于标准化实验室检测,不适合非规范化的个人实验,因此可以使用许多国家已经公开的水体浊度数据集,例如美国地质调查局(United States Geological Survey, USGS)的National Water Information System (NWIS) (https://waterdata.usgs.gov/nwis)提供了全国范围内的水体浊度实测数据。该数据库汇集了美国境内成千上万个水文观测站的水质和水流数据,包括径流量、水温、pH、浊度等参数,对于中国内陆水体浊度数据的获取可以访问中国国家水质自动监测网(https://szzdjc.cnemc.cn:8070/GJZ/Business/Publish/Main.html),该网络覆盖了全国主要的河流、湖泊和水库。各种数据集提供了实时的水质信息,包括浊度指标。国内外知名的实测浊度数据集如表2所示。
2 Domestic and foreign turbidity measurement datasets

国内外浊度实测数据集

名称 运营组织 数据更新频率 网址
注:−表示无数据或更新频率不适用。
国家地表水水质自动
监测实时数据
中国环境总站 4 h https://szzdjc.cnemc.cn:8070/GJZ/Business/Publish/Main.html
South Australian Government
Data Directory
南澳水务公司
1个月 https://data.sa.gov.au/data/dataset/water-quality
Water Quality Portal 美国环保局 每周 https://www.waterqualitydata.us/
Pangaea 阿尔弗雷德韦格纳
研究所等
https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.902360
Minnesota Pollution
Control Agency
明尼苏达州 https://webapp.pca.state.mn.us/surface-water
Michigan Clean
Water Corps
密歇根州立大学 https://data.micorps.net/view/lake/record.php?id=124542&type=secchi
Water data catalogue 数据提供者 https://yukon.maps.arcgis.com/apps/webappviewer/index.html?id=2365a4c0b8744f34be7f1451a38493d2

霞浦湖数据库
日本国立环境
研究所
2015年(停止更新) https://db.cger.nies.go.jp/gem/inter/GEMS/database/kasumi/contents/station.html
Alberta 艾伯塔省政府 每年5—10月 https://www.alberta.ca/surface-water-quality-data.aspx
Data Stream 戈登基金会
温尼伯湖基金会
加拿大政府
https://lakewinnipegdatastream.ca/explore
Gemstat 联合国环境规划署 1个月 https://gemstat.bafg.de/applications/public.html?publicuser=PublicUser#gemstat/Stations
Gobierno De México
墨西哥合众国 https://www.gob.mx/conagua/articulos/calidad-del-agua
Canada 加拿大政府 1 a https://data.ec.gc.ca/data/lang=en

3 内陆水体浊度监测的遥感数据源

3.1 卫星数据

按照空间高度的差异可将遥感数据分为地面遥感、航空遥感和航天遥感,卫星数据属于航天遥感。1978—2023年的卫星传感器见表3,遥感卫星从基础的海洋色彩监测,逐步演进为高精度、高分辨率的地面观测,这些技术进一步提高了水体浊度的监测精度,增强了对小尺度变异的识别能力以及对全球水体状态的监测。具备昼夜监测能力的卫星,如VIIRS,推动了水体监测在时间分辨率上的重大突破,加之先进的算法和数据处理技术,研究人员可追踪到更加细微的水体动态和变化。水体监测卫星都有着自己独特的价值,较高空间分辨率的卫星适用于岸边、沿海和小型水域,而较低空间分辨率的卫星则适用于大范围和开阔海域的监测。随着时间的推移,新一代卫星的发射不仅提升了测量精度和质量,而且优化了重访时间,缺点是这些高性能的卫星发射时间较短,没有太多的历史数据,无法做长时间序列的浊度产品,因此对卫星数据的选择是构建浊度反演模型的基础。
3 Overview of water color remote sensing satellites launched between 1978 and 2023

1978—2023年水色卫星汇总

卫星数据名称 光谱分辨率 空间分辨率/m 时间分辨率/d 辐射分辨率/bit 发射年份
注:−表示无数据。
CZCS 6个波段 825 1 1978
SPOT系列 4个波段 10、20 26 8、11 1986
SeaWIFS 8个波段 1 100 1 12 1997
IKONOS 4个波段 4 1~3 11 1999
MODIS_TERRA 36个波段 250、500、1 000 1~2 12 1999
Landsat7_ETM+ 8个波段 15、30、60 16 8 1999
Quick-BIRD 4个波段 0.61、2.44 1~3 11 2001
MODIS_AQUA 36个波段 250、500、1 000 1~2 12 2002
MERIS 15个波段 300 3 12 2002
IRS-P6 4个波段 5.8、23.5、56.0 5 10 2003
World-View 4个波段 0.31~1.24 1~3 11 2007
HJ-1A 4个波段 30 4 8~10 2008
GOCI 8个波段 500 8景/d 10 2010
VIIRS 22个波段 375、750 6景/d 12 2011
GF 4个波段 0.8~8.0 1~7 10 2013
Landsat8_OLI 9个波段 30 16 12 2013
Sentinel2_MSI 13个波段 10、20、60 5 12 2015
Sentinel3_OLCI 21个波段 300 1 12 2016
FY-4A 14个波段 250、1 000 15 min 12 2016
FY-3D 20个东段 250、1 000 1 12 2017
NOAA-20 VIIRS 22个波段 375 1 12 2017
HY-1C 10个波段 50 1~3 12 2018
HY-1D 10个波段 50 1~3 12 2020
GOCI II 12个波段 250 1天10景 2020
FY-3E 7个波段 250、1 000 5 12 2021
FY-4B 14个波段 250、1 000 15 min 2 2021
NOAA-21 VIIRS 22个波段 375 1 12 2021
FY-3G 20个波段 250、1 000 1 12 2023
HY-1E 18个波段 100 1~3 14 2023

3.1.1 中低分辨率遥感数据

海岸带水色扫描仪(CZCS)拥有6个波段通道,该卫星主要应用于海洋表层浮游植物色素(Chl)与其他相关水色资源(悬浮物、有机污染物等)的监测。Viollier[17]利用CZCS,通过调整比值算法中的系数以及调整气溶胶校正算法,最后获得了近海混浊情况的算法,同样地,Tassan[18]利用CZCS的550 nm、670 nm、520 nm等波段对亚得里亚海水体叶绿素进行了反演,取得了一定效果。然而,内陆水体环境更加复杂,且容易受到外界因素(如悬浮物、底质影响和人为活动)的干扰,加之CZCS传感器的波段较窄且空间分辨率较低,这使其难以满足内陆水体浊度监测的需求,因此不适用于复杂内陆水体的遥感分析。
MODIS是搭载在美国TERRA和AQUA卫星上的一个重要传感器,可用于对陆地表层、生物圈、海洋和大气进行长期的全球监测。MODIS具有较高的时间分辨率,数据获取较为简单且数据可免费获取。由于MODIS能够获得长期的大气监测数据,因此,相较于其他卫星传感器,MODIS数据在辐射校正方面相对简单,且其在水质监测中的应用前景值得关注。Robert[19]利用MODIS构建的近红外与红波段浊度模型,研究了巴格雷水库水体浊度的年际变化,发现降雨量是浊度增加的主要驱动因素,基于此,MODIS可用于动态监测内陆水体浊度的变化过程。
GOCI作为世界上第一个地球静止卫星海洋颜色传感器,覆盖了从可见光到近红外范围的8个波段,并且该卫星一天可以获得8景影像,非常适合对复杂多变的内陆水体进行水质的日变化分析。研究发现[20],GOCI卫星的B8与B4波段的比值与中国内陆湖泊总悬浮物浓度的相关性达到了0.85,证明该卫星可以用于内陆湖泊反演模型的构建,但是该卫星是否适用于内陆水体浊度反演仍需验证。
MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer)是由欧洲空间局(ESA)研制的一款中分辨率成像光谱仪,曾安装在环境卫星(Envisat)上,并运行了十年(2002—2012年),主要用于地球表面和大气观测。MERIS的4种分辨率都达到了研究内陆水体较为理想的效果,研究人员将NISS模型与MERIS影像相结合,成功为光学和水文条件复杂的鄱阳湖总悬浮物的估算提供了一种实用的遥感方法,该方法可以很容易地推广到其他类似水域,但是该卫星仅有2002—2012年的影像数据,并不适合长时间尺度的分析[21]
2016年欧盟和欧洲航天局联合发射了Sentinel-3卫星,该卫星上携带的OLCI传感器继承了MERIS的一些特点,并对其进行了改进,提供了更好的光谱和空间分辨率以及更高的重访周期,Li等[22]利用XGBoost算法,以OLCI影像的反射率数据作为输入变量,成功构建了预测东北地区大于1 km2的模型,R²达到了0.92,优于传统的浊度回归算法。虽然相对于一些遥感数据而言,OLCI的空间分辨率提升了,但对于某些要求高空间分辨能力的应用(细小水体或河流源头区域的浊度监测),OLCI可能无法提供足够的细节,而且OLCI不适合分析大时间尺度的水体浊度变化。

3.1.2 中高分辨率遥感数据

Landsat系列卫星具有较高的空间分辨率与丰富的历史数据,多光谱扫描仪(MSS)是Landsat 1~5与Landsat 7所携带的传感器,通过MSS可以对淡水湖的浊度和藻类色素浓度进行建模和预测,并且达到了不错的效果[23]。但MSS影像波段较宽,空间分辨率较低,不适用于监测叶绿素含量较低、悬浮物含量很高的内陆水体[24]。专题制图仪(TM)是Landsat 4与Landsat 5携带的传感器,获取数据较为便利,Landsat 4上的TM传感器于2001年失效,较少的学者利用该传感器研究内陆水体浊度,由于其较高的空间、光谱及辐射分辨率,完全适用于内陆水体研究。增强型专题制图仪(ETM+)是Landsat 7所携带的传感器,由于ETM+增加了一个全色波段,使其红外波段分辨率更高,获得的光谱数据更加丰富准确。但Landsat 7的扫描行校正器(SLC)曾发生故障,致使部分图像出现重叠和丢失,异常数据需要通过模型校正,这限制了其在水质遥感监测中的应用[25]。陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS),是Landsat 8所携带的传感器。与ETM+相比,OLI增加了一个短波红外波段,主要应用于卷云检测以及对数据的质量评价,TIRS则主要应用在对土壤温度、湿度等的检测以及土地质量评估。由于Landsat 8有较多的波段,冯奇等[26]使用Landsat 8的OLI数据进行汉江下游水体浊度反演,通过OLI传感器获得的1、3、5波段创建了一种反演水体浊度的算法,根据该模型生成了2013年4—11月的3幅汉江下游水体浊度时空变化图。但是对于浊度反演来说,GF-1从数据质量、空间分辨率、时间分辨率等方面,均可以代替Landsat 8数据来进行湖泊浊度反演[27]
Sentinel-2 号卫星是欧洲空间局(ESA)哥白尼计划(Copernicus Programme)下的地球观测卫星,是由Sentinel-2A和Sentinel-2B两颗卫星组成的星座系统。其高光谱和高空间分辨率满足水体浊度反演等环境监测研究的需求。已有研究基于Sentinel-2数据的705 nm波段成功反演了泻湖的浊度情况[28]。通过Landsat与Sentinel-2对3 000条河流进行浊度反演对比,结果发现两种浊度遥感算法的一致性在0.000 6/sr范围内[29]
环境一号(A/B)卫星上搭载了中国首个100 m分辨率高光谱相机,该卫星的空间分辨率已经达到了研究内陆水体的标准,但其光谱分辨率较低,导致可构建的模型、可选择的波段较少。Chen[30]利用环境一号卫星的485 nm、560 nm和660 nm波段,采用三波段半解析法计算总吸收系数,最终建立了总悬浮物模型并完成推导。除了环境系列卫星以外,中国还相继发射了高分系列卫星、海洋系列卫星以及风云系列气象卫星,为环境监测和资源管理提供了重要数据支持。
综上,对于浊度反演的遥感数据源,未来应关注多源遥感数据的融合以提高分辨率、优化大气校正模型以去除大气对光信号的干扰,进而优化水体浊度的遥感反演方法。

3.2 航空遥感与无人机遥感数据

航空遥感主要利用搭载在飞机、直升机或其他飞行平台上的传感器捕捉地表图像和其他数据。航空遥感具备可调控飞行高度的能力,可以针对不同的研究区域配置不同分辨率的传感器,但是因成本问题导致其并不适合小范围和长时间序列的观测,内陆水体浊度研究是否有必要使用航空遥感数据仍值得商榷。与航空遥感相比,无人机遥感更加具有性价比,Cui[31]利用无人机搭载光谱传感器构建了小型养鱼塘水体浊度模型,精度达到了0.72,取得了较为满意的效果。相较于遥感影像,无人机具有更高的光谱分辨率,并且可以免除云层对数据的影响,研究人员使用4台无人机对新加坡西南端填海区的水体进行浊度监测,使用DNN与XGBoost模型进行预测,精度达到了0.584与0.673[32]。目前,无人机遥感技术面临的问题主要与搭载传感器的无人机设备有关。首先,无人机的飞行时间较短,以性价比最高的大疆无人机为例,其单块电池的续航时间仅约38 min;其次,会受到恶劣天气的影响;最后,无人机所获得的监测数据处理流程复杂,需要设计开发相应算法或使用相关软件,实现对无人机遥感监测数据的拼接、解析、生成处方图等操作,其中部分算法和特定软件针对特定应用而开发。无论是航空遥感还是无人机遥感,在使用时都需要考虑到适当的大气校正方法,以及数据处理方法,以提高浊度等环境参数预测的准确性。然而随着技术的进步,未来可能实现数据和平台的融合,从而发挥航空遥感和无人机遥感的优势。

4 内陆水体浊度遥感监测方法

内陆水体浊度的遥感监测是指利用遥感影像数据,通过算法处理,预测水体浊度的过程,通过分析水体的光谱特性从而推断其浊度水平。以下是一些常用的遥感算法和方法。

4.1 经验方法

经验模型是一种基于经验和实验数据的数学模型[33],它通常是通过对实验数据进行分析和总结,结合实际操作中观察到的现象或者特性,来建立输入量和输出量之间的关系。经验模型分为线性回归与非线性回归,线性回归的本质是通过分析实测水质参数数据和光谱特征之间的关系,选择估算水质的最优波段或波段组合,建立数学模型来进行水质反演。Rodríguez-López[34]通过红、绿、蓝和近红外波段组合及归一化差分浊度指数比较,Calafquén、Neltume、Riñihue、Panguipulli和Puyehue 5个湖泊的实测数据模型拟合优度R²达0.93~0.99,但该模型的适用性存在区域限制,难以直接推广到其他水体。非线性回归模型用于描述一个目标变量与多个输入变量之间的非线性关系,其中常用的模型之一是人工神经网络(ANN)。该模型主要包括两部分:正向传播过程和误差反向传播过程。通过反复调整权重参数,神经网络能够实现从输入空间到输出空间的复杂非线性映射。因此,利用神经网络模型进行水质参数的反演是可行且有效的。在浊度的遥感反演中,通常采用两层的反向传播(BP)神经网络模型[35],具体流程是:将遥感影像中各波段的辐射亮度值或反射率作为输入变量,将浊度等水质参数作为输出变量。在模型训练时,通过计算预测输出值与实际测量值之间的误差,调整网络参数,直到模型预测误差满足预设的精度要求为止。Hafeez[36]通过提取Landsat TM反射率数据和原位反射率数据来评估多种机器学习模型的性能,结果表明,神经网络模型可用于具有光学复杂性的沿海水域的水质监测和评估。但是在采用神经网络模型时,要求有足够多的训练样本集,然而地面监测点的数量有限,导致经训练后的神经网络模型的推广性能变差[37]
基于经验模型的构建原理,存在一些待解决的问题。第一,基于经验模型构建浊度预测模型存在一些待解决的问题:经验模型的适用性具有明显的区域性限制,即针对不同区域或不同类型的内陆水体,需要构建专门的浊度预测模型。而且模型所选用的波段通常是与实测浊度具有较高相关性的波段,针对混浊水体的光学特性,红波段与近红外波段常被优先选用。此外,通常采用阈值法对水体进行分类,根据不同水体类型分别构建相应的浊度预测模型,以提高模型的准确性和适用性[38];第二,模型的构建会受到卫星传感器分辨率的限制,如周屈等[39]利用国产卫星HY-1C和卫星CZI对武汉知音湖和黄家湖水体进行浊度研究,通过半经验浊度反演算法,建立了适用于武汉水体的浊度反演模型,但国产卫星的光谱分辨率较低,导致构建的浊度模型抗干扰能力较低;第三,经验模型需要大量实测数据,尤其是长时间序列的空间分析;第四,浊度模型的预测效果往往受实测浊度值的大小、测量精度及样本代表性等因素的共同影响,在采样过程中很难进行立即检测,大多数研究处理方法都是将冷藏的样品送到实验室再进行水质参数检测,选择的样本不具有代表性,也会导致建模结果出现误差[40];第五,经验模型的理论基础较薄弱,对于建立的模型出现的差异没有合理的解释,经验方法构建的浊度模型很难再进行突破,但在浊度反演领域该方法仍然是最简单、易用、实用的方法[41]

4.2 半分析算法

半分析算法是将水体固有的光学特性(IOPs)与一些经验关系及水体辐射传输理论相结合的方法,水体光学特性对生态系统变化非常敏感,对环境信号的解释非常重要[42]
当光照射到水柱中的颗粒时,传输光路的方向会发生变化,如果水体浑浊度较低,则原始方向散射的光就会减少[43]。根据求解方法可将半分析方法分为3类,分别为马里托雷纳算法(Garver Siegel Maritorena,GSM)[44]、直接线性求逆和算法(Linear Method Iterative,LMI)[45]和准解析算法(Quasi-Analytical Algorithm,QAA)[46]。曼德海峡和马六甲海峡是一类和二类水体的代表水域,研究人员利用OLCI影像对其水体进行漫衰减系数(PD)反演[47],结果表明,LMI性能在一类水体中较好,在二类水体中较差,而GSM与之相反;QAA模型则在两类水体中均有较好的性能,但在浅水区域会出现被严重高估的情况。研究发现[48],水体浊度与后向散射系数有很强的相关性,目前水体浊度是否可以应用于构建浊度的预测模型,还缺少证实。与经验方法相比,虽然两者都是通过建立实测水质数据与遥感光谱特征之间的关系进行反演,但半分析方法能够结合水体的光学特性参数,因而在复杂水体环境中更具适应性,尤其适用于不同类型水体的分类和物理光学参数的提取[49]

4.3 机器学习方法

通过图4可以看出机器学习回归在定量遥感中的应用总体思路是:以实测水体浊度作为目标变量,以遥感影像中各波段的反射率值、波段比值、主成分或归一化指数等光谱特征作为输入变量(特征),利用回归算法对数据进行学习与建模,从而实现浊度的预测或反演[50]。模型训练完成后,可以应用于未知的样本数据,通过输入相应的特征数据来预测水体的浊度。机器学习算法是数据驱动的定量反演算法,使用前提是确保训练数据具有多样性和代表性,以获得更好的建模效果,从而保证模型的抗干扰能力,数据的特征和规模决定了模型的复杂度和泛化能力[51-52]
4 Process of turbidity inversion for inland water bodies

内陆水体浊度反演流程

R²为决定系数,RMSE为均方根误差,MAE为平均绝对误差,NDWI为归一化水体指数,FAI为浮游藻类指数。]]>

在内陆水体浊度遥感反演中,常用的输入特征包括Sentinel-2 MSI的红边和近红外波段反射率,以及基于这些波段构建的比值组合或光谱指数,作为与实测浊度高度相关的敏感变量[53],将其带入机器学习算法中作为输入变量,输出变量为水体浊度。同时,调整模型的超参数也是优化算法性能的重要部分,部分学者采用水质特征如溶解氧、水温、pH、电导率等作为机器学习算法的数据变量,也就是水体浊度协变量[54-55]
需要注意的是,模型往往需要持续更新和维护,以适应不同时间、地点等条件下的浊度预测。如果发现模型的性能下降,需要重新训练模型、更新数据或调整模型参数以保持其准确性和可靠性。机器学习方法可以绘制内陆水体浊度的时间序列图,如不同年份、月份、不同气候的变化分析[56]。然而,机器学习方法缺少与水体固有光学特性和表观光学特性关联的机理研究[57]

5 总结与展望

基于遥感技术的水体浊度反演研究已取得显著进展,不仅拓展了对水环境状况的监测手段,也为水资源的科学管理与决策提供了有力支持。随着遥感技术和水色遥感方法的持续发展,浊度反演方法和算法也在不断改进和创新。在未来的研究与应用中仍然需要解决以下问题。
(1)数据采集和空间分辨率问题。多光谱和高光谱遥感数据各自具有优点与局限性。多光谱数据通常具备较高的空间分辨率,便于精确识别地表特征,但其光谱分辨率有限,难以为模型构建提供丰富的光谱信息。相比之下,高光谱数据具有更高的光谱分辨率,可在细微波段差异中提取更具判别力的特征,因此被广泛应用于精细化的光谱分析和分类任务中,但其空间分辨率和扫描宽度较低。这两种数据的时间分辨率通常不高,限制了其应对动态变化的能力。最理想的方法是发展新的传感器技术或综合数据融合方法,来实现高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率的遥感数据获取。
(2)数据校正和大气模型问题。大气校正是处理遥感数据的重要步骤。常用的大气校正模型如6S、MODTRAN、LOWTRAN等,虽然提供了标准大气剖面数据以估测并消除大气影响,但它们通常基于一种平均状态的数据,与实时大气剖面以及不同区域的实际状况存在较大偏差。因此,适用于各种地形和气象条件的精准大气校正方法的开发仍亟待加强,这也是目前遥感领域待解决的关键问题。
(3)数据分析与机器学习的应用问题。虽然机器学习在浊度反演中取得了显著的成果,也达到了满意的效果,但机器学习模型的性能在很大程度上依赖于训练数据的质量。遥感数据可能存在由云层、大气条件或传感器本身偏差引起的噪声,有效的数据预处理和清理工作对于建立准确的模型至关重要,但这可能是一个时间消耗巨大的过程,而且机器学习模型往往像“黑盒子”一样缺乏解释性,使得理解模型的预测依据变得困难。
(4)尽管目前已有许多精度较高的浊度反演模型,但它们通常仅适用于各自的研究区域,难以推广到其他水体。内陆水体(如湖泊)具有高度复杂性和显著的区域差异,不同水体之间在光学特性、影响因子和背景环境等方面存在显著差异,导致模型的局部性、区域适应性和鲁棒性面临挑战。要实现更精确的浊度预测,需整合地理、气象等多源数据,并在模型中引入能反映本地条件的特征变量,这一方向的深入研究和优化具有重要意义。
综上所述,未来浊度算法的发展方向主要包括提高数据的获取技术和增强遥感技术,不能仅限于改进浊度的模型和算法,还应探究如何实现多尺度和全球水体浊度的监测,以及与其他环境指标的融合分析。同时,开展跨学科的合作和技术交流,推动浊度反演领域的进一步发展。目前,应该不断加强研究和应用,促进浊度反演技术的发展和应用,通过不断完善和提高,使水体浊度反演为水质监测、环境保护、水利工程等领域提供更准确、可靠的数据支持,推动社会经济的可持续发展和生态环境保护目标的实现。
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