今天是世界水日，3月22日-28日是中国水周。水是生命之源，是维持所有生物生存和生态系统平衡的必需物质。水环境监测对于维护生态平衡、保障人类健康及可持续发展至关重要。
常规地面采样水质监测受限于成本高等问题，难以实现大范围动态监测。卫星遥感技术则能够提供大范围、连续、实时的水质信息，有效弥补地面监测的不足，为水环境管理和决策提供强有力的数据支持。
卫星遥感技术在水环境监测中的应用，主要依托于可见光波段的光学遥感数据，通过解析水体颜色信息来实现水质参数监测，这一技术领域被称为水色遥感。中国科学院空天信息创新研究院科研人员在相关研究中取得系列进展。
01
水色观“质”
为定量记录水体颜色信息，水体颜色被分类或分级。福莱尔水色计将水体颜色从深蓝到黄棕色分为21个级别，称为水体颜色指数（Forel Ule Index, FUI）。FUI越低，水质越好，反之，水质越差。
随着卫星遥感技术的发展，科研人员开始通过卫星图像监测FUI，发布了首个全球大型湖库FUI时间序列数据集，并分析了全球大型湖库FUI的空间分布。
结果显示，高纬度、高海拔地区的湖库FUI较低，水体较清洁；而人口密集、城镇集中地区的湖库FUI较高，水体较浑浊。
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▲全球大型湖库水体颜色指数卫星遥感监测图
02
水色判“浊”
透明度是衡量光线穿透水体深度的指标，反映了水体的浑浊程度和污染水平。
高浓度的悬浮泥沙、浮游植物或有色可溶性有机物会显著降低水体透明度，如高度浑浊的黄河口水体透明度仅几厘米，水体呈黄棕色；而清澈的纳木错水体透明度可达10米以上，呈深蓝色。
基于这一现象，科研人员利用卫星遥感技术，通过观测水体颜色指数估算水体透明度，揭示了全球大型湖库水体透明度的时空变化趋势。
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▲全球大型湖库水体透明度卫星遥感监测图
03
水色查“腐”
水体营养状态描述水体中的营养物质含量，可以分为贫营养、中营养和富营养三个级别。
富营养化是指氮、磷等营养元素增加导致藻类及浮游生物过度繁殖、溶解氧下降、水质污染的一种现象。“流水不腐”中的“腐”即指富营养化。
贫营养水体中的悬浮和溶解物质含量低，水体呈蓝色；富营养水体中的物质含量高，水体呈黄绿色。
基于此，科研人员构建了基于卫星遥感水体颜色指数的湖库营养状态监测模型，首次发布全球大型湖库营养状态遥感监测结果，为评估全球湖库营养状态时空分布提供了新方法。
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▲全球大型湖库营养状态卫星遥感监测图
卫星遥感技术通过定量提取水体颜色信息，能够有效监测湖库水质状况，进而为水环境保护和可持续发展评估提供决策支持。
论文链接：
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 王胜蕾 张兵
来源：中国科学院空天信息创新研究院
责任编辑：曹旸