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          重大突破

          南京地湖所關于陸基高光譜多參數水質遙感創新與應用取得重要研究進展

            準確快速的地表水環境監測是掌握地表水水質變化特征,開展水環境成因機制分析、評價評估、治理修復和管理考核的重要基石,無論是科學研究還是環境管理以及政府決策很大程度上都非常依賴水環境監測結果。人工斷面采樣監測費時費力且時空頻次非常低,數據離散;水下高頻監測探頭易于污染和損耗、監測精度和指標有限,維護成本高昂,高度依賴進口;衛星和無人機遙感由于時空和光譜分辨率、云雨天況以及大氣校正影響,監測參數和精度存在很多不確定性;與此同時,2015年國務院發布的《生態環境監測網絡建設方案》提出:強化高新技術、先進裝備與系統的應用,提高生態環境監測立體化、自動化、智能化水平。因此,迫切需要發展新的技術手段和方法,研制高時空分辨率、自動化和智能化的多參數水環境監測設備,構建關鍵水質參數準確、實時的提取算法并開展應用,補充和完善現有監測體系的不足。 

            中國科學院南京地理與湖泊研究所張運林研究組2018年率先提出近地面離水高光譜多參數水質陸基(地基、岸基)遙感監測理念和實施路徑,后聯合杭州??低晹底旨夹g股份有限公司和南京中科深瞳科技研究院有限公司首創近水面非接觸式陸基(地基、岸基)高光譜、多參數水質遙感監測儀,儀器集成高光譜采集、視頻監控、毫米波雷達水位測定、水質參數反演和深度學習等技術,可以實現復雜天況下總氮、總磷、葉綠素、高錳酸鹽指數、懸浮物、透明度和有色可溶性有機物吸收等11個關鍵水質參數實時秒-分鐘尺度高頻監測。陸基高光譜多參數水質遙感監測儀既克服了以往水下探頭的易污染、難維護、精度低的問題,又解決了衛星遙感監測中時間和光譜分辨率低以及受天氣和大氣塵埃干擾的影響,實現遙感和斷面監測的深度融合。部分研究成果近日發表在Science of The Total Environment雜志上(文章鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969721048804)。 

            首先,基于太湖、梁溪河和富春江水庫的現場獲取的光譜反射比與實測水質參數數據,分別使用經驗算法、半分析模型和機器學習等構建和驗證了水質參數遙感估算模型(圖1),遴選各參數最優模型植入水質遙感監測儀。結果表明基陸基(地基、岸基)遙感與機器學習算法相結合,在監測內陸水域的水質方面有很大的潛力。 

          1 水質參數模型的構建與驗證 

            其次,基于植入的水質多參數遙感估算模型,我們實時獲取了太湖、梁溪河和富春江水庫的水質動態變化狀況(圖2-4)。對于太湖和梁溪河,受藻類水華影響水體總氮和總磷的濃度在分鐘-小時尺度上會發生快速變化。因此,對于每日、每周、每月或季節性采樣的常規水質監測,可能由于采樣頻次不夠會造成許多關鍵過程的缺失,給環境管理帶來誤判。 

          2 太湖水質參數動態變化 

          3 梁溪河水質參數動態變化 

          4 富春江水質參數動態變化 

            相比于航空/航天/近地無人機載的水環境遙感,陸基水環境遙感由于離水面比較近(5-10 m),離水輻射信號強,大氣的影響基本上可以忽略,無需進行大氣校正,因此可以實現陰天、多云和晴朗等更復雜天況下更高精度的水環境遙感監測。同時,陸基遙感監測儀覆蓋400-1000 nm可見光和近紅外波段,光譜分辨率為1 nm,為地表水質監測提供了更多的光譜通道,可以應用于包括水色參數在內的更多水質參數更精準的遙感反演和監測。當前,儀器內置了總氮、總磷、高錳酸鹽指數、葉綠素、透明度和有色可溶性有機物吸收系數等11個關鍵水質參數算法,未來還需繼續開展大范圍陸基高光譜遙感同步實驗,積累覆蓋范圍更寬的反射率和水質數據集,優化和提升現有算法精度和適用性,構建更多水質參數深度學習算法,如顆粒和溶解性有機碳等,支撐河流湖庫碳輸移和遷移轉化過程監測,服務于國家“雙碳”計劃。 

            陸基高光譜多參數水質遙感監測儀適合生態環境、水利、市政、自然資源監測等行業部門,可以廣泛應用于全國地表水監控斷面、集中式飲用水源地及其他敏感水域開展連續高頻水環境監測,彌補現有的人工和自動監控斷面監測在觀測頻次、觀測參數、觀測精度和觀測成本上的不足。同時,也可以用于科研院所、高等院校等開展監測科研研究,儀器安裝簡單方便、可移動。此外,目前的陸基高光譜多參數水質遙感監測儀還可以開發手持式移動觀測以及船載和無人機載觀測系列產品及成像系統,支撐全國地表水體水環境監測與應用研究,為水環境治理與修復提供監測與診斷的系統化解決方案,服務水環境管理。目前已在江蘇太湖、陜西西安、江西贛州、廣東深圳、浙江杭州和浙江安吉等地河流湖庫布設了11臺套,能很好捕捉太湖藍藻水華快速變化過程(圖5)。 

           

          5 太湖陸基遙感現場照片及2021825日葉綠素a濃度高頻變化 

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