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Remote Sensing Editor’s Choice：遥感在内陆水质监测与水环境科学中的应用——最新进展与展望

已有 188 次阅读 2026-1-15 19:18 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

内陆水体是地球水资源的重要组成部分,近年来气候变化和人类活动已严重扰乱水质，给水环境和社会经济带来巨大压力。传统水质监测方法因时空覆盖有限、耗时耗力而难以满足大范围长期动态监测需求，因此遥感技术凭借其广覆盖、高时空分辨率和快速响应能力，已成为内陆水体监测不可或缺的工具。当前遥感技术已从低分辨率向高分辨率发展，监测参数从光学活性物质扩展到非光学活性物质，反演方法也从经验/半经验模型转向机器学习模型，但仍面临大气校正困难、内陆水体光学特性复杂等挑战，限制了模型的时空普适性。目前遥感水质监测综述多集中于参数反演算法，尤其关注光学活性成分，缺乏以水质指标反演为基础、系统梳理水环境实际应用的综合性研究。来自北京科技大学的刘沙沙副教授和中国农业大学的刘雷震副教授及其研究团队全面回顾了光学遥感水质监测的最新进展，涵盖数据源、水质指标、反演算法、各类参数估算方法及其实际应用，并指出现存挑战与未来方向，旨在深化对遥感在内陆水质评估中关键作用的理解，为水环境管理提供科学依据。

图1. 文章图形摘要

研究过程与结果

该研究采用文献计量与系统综述相结合的方法：首先以“遥感”、“水质”、“水环境”为关键词检索Web of Science数据库2000-2024年间的2838篇文献，运用VOSviewer工具分析发表趋势、研究热点及机构贡献；随后从监测原理、数据源、反演指标、模型算法、参数估算方法及实际应用六个维度，系统梳理了光学遥感在内陆水质监测领域的研究进展。

图2. (a) 2000年至2024年期间与水质遥感监测相关的出版物数量 (b) 2000年至2024年期间发表的水质遥感论文中出现的前50个关键词的可视化，节点代表关键词，节点越大表示该关键词出现的频率越高。每个聚类代表一组相关关键词，它们用相同的颜色表示。同一聚类内关键词之间的连线表示这些关键词的共现关系或关联强度

作者系统阐述了监测原理—基于水体固有光学特性与表观光学特性的关联，针对内陆水体浑浊度高、吸收性气溶胶复杂导致传统大气校正失效的问题，需发展辐射传输模型等综合校正方法。在数据源方面，作者梳理了多光谱数据 (时空分辨率高) 与高光谱数据 (光谱精细) 的互补优势，指出单波段与波段比值是核心反演指数，但各类数据均需多源融合以提升效能。

同时，作者归纳了分析、经验、半经验及机器学习四类反演模型，分析模型基于辐射传输理论但参数复杂、实用性差；经验模型通过统计回归建立光谱-水质关系，操作简单但缺乏物理解释且区域性强；半经验模型融合光学机理与统计分析，是目前内陆水体应用最广泛的方法；机器学习模型凭借处理大数据与非线性问题的优势，精度和鲁棒性显著提升，但对数据质量高度敏感，但所有模型均面临时空普适性不足的瓶颈。针对光学活性成分，叶叶绿素-a和化学需氧量 (CDOM) 已广泛采用机器学习模型但需克服悬浮物干扰，悬浮物因散射特性反演最为成熟，透明度因缺乏光谱特征而难度最大；对于总氮、总磷、COD等非光学成分，主要依赖与光学成分的间接关联或大数据机器学习，但模型仍局限于特定水体类型。

在环境应用层面，遥感在水环境管理中的三大核心应用包括：一是通过长时序水质数据结合统计分析方法 (Pearson统计分析、随机森林) 量化气候变化与工农业污染等自然人文因子对水质演变的驱动机制，为跨区域管理政策提供依据；二是利用CDOM吸收特性估算溶解有机碳、基于悬浮物与叶绿素反演颗粒有机碳，并结合水温与叶绿素估算CO₂/CH₄排放，实现大尺度碳库动态监测，服务全球碳循环与“双碳”目标；三是通过荧光光谱特征与遥感反演的相关性识别生活污水、工业废水等污染源，结合VNRI指数监测油类污染，并整合水文模型精确定位点源位置与排放量，但快速定量多组分污染贡献仍是亟待突破的难点。

研究总结

卫星遥感虽在内陆水质监测中展现出高效、大尺度、参数丰富的显著优势，但仍面临四大核心挑战：大气校正算法在内陆复杂水体中精度不足且迁移性差；监测过度依赖多光谱数据，缺乏与高光谱、微波、LiDAR及多维度辅助信息的有效融合；反演模型高度依赖区域实测数据，时空普适性受限；研究集中于光学活性成分，对非光学参数 (如DOC、COD、CH₄) 的监测严重不足。

展望未来，研究应重点突破四个方向：开发针对内陆水体辐射传输过程的精细化大气校正方法；系统整合多源遥感与生态、气象、社会经济数据，构建天-空-地一体化监测体系；建立基于水体光学分类的大尺度、高精度、低实测依赖的通用反演模型；深度拓展非光学活性参数的定量遥感研究，完善综合水质监测指标体系。通过技术创新与多源数据融合，遥感将为水环境管理提供更全面、精准的支撑，助力水质保护与可持续发展。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3184538