一、遙感反演監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢
衛(wèi)星遙感技術(shù)是一項多尺度和全球性的技術(shù)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，其在空間尺度、時間頻次以及傳感器類型等方面有了很高提升，為獲取高頻次、大范圍、全尺度的遙感數(shù)據(jù)提供了理想的方式，其在海洋水質(zhì)監(jiān)測的準確性、靈敏度和時效性有著顯著優(yōu)勢，是進行全球性、宏觀性海洋環(huán)境監(jiān)測的理想工具。此外，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)由于其高精度、多波段、圖譜合一等特點被廣泛應(yīng)用于遙感水質(zhì)監(jiān)測，極大的提高了水質(zhì)參數(shù)的估測精度。伴隨著遙感技術(shù)的不斷進步，水質(zhì)監(jiān)測已由定性描述轉(zhuǎn)向定量分析，同時可監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)逐漸增加，反演精度不斷提高，在海洋生態(tài)環(huán)境的保護、規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了重大作用。
利用遙感反演技術(shù)在海洋中的監(jiān)測和應(yīng)用主要有懸浮物、有機顆粒、無機鹽和化學(xué)需氧量等水質(zhì)信息。
二、衛(wèi)星遙感反演海水水質(zhì)流程
衛(wèi)星遙感反演海洋水質(zhì)流程可概括為數(shù)據(jù)獲取、特征提取與算法選擇和反演水質(zhì)三個步驟。首先，我們從衛(wèi)星上獲取洋面的遙感信息，包括水體的溫度、顏色、可見光等屬性；然后，將獲取的遙感信息進行處理，提取其中的特征，如水體中的各種有毒物質(zhì)，有機碳等;最后，用特征所提取的信息進行反演，可以獲得準確的海水水質(zhì)狀況。
1、數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理
采集目標區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星遙感影像，地形數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)等必要數(shù)據(jù)。
對獲取的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包含輻射定標，大氣校正等。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行大氣校正的主要目的是消除這些由大氣影響所造成的輻射誤差，從而反演地物真實的表面反射率。利用6S 模型和MODTRAN4 輻射傳輸模型，可以較好獲得更精確的地表的反射率。
2、特征提取及算法
海水水質(zhì)反演的核心是利用衛(wèi)星遙感測量估算水質(zhì)參數(shù)的過程。反演過程涉及解決逆向問題，目標是從測量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中估計未知的水質(zhì)參數(shù)。由于大氣、海洋和衛(wèi)星傳感器之間的復(fù)雜相互作用，反演過程具有挑戰(zhàn)性。
為了克服這些挑戰(zhàn)，通過自主開發(fā)建立了多種算法和模型來反演海水質(zhì)量。例如，統(tǒng)計模型（如線性回歸或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）將衛(wèi)星測量值與水質(zhì)參數(shù)相關(guān)聯(lián)。物理模型（如輻射傳輸模型）來模擬大氣、海洋和衛(wèi)星傳感器之間的相互作用。
近年來，機器學(xué)習(xí)和人工智能的進步也已應(yīng)用于海水質(zhì)量的反演。例如，一些研究使用深度學(xué)習(xí)算法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）或遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN），以提高反演的準確性。這些算法已經(jīng)顯示出有希望的結(jié)果，并有可能進一步改善海水質(zhì)量的反演。
① 物理法
是以水中光場理論模型提出的上行輻射與水中的光學(xué)活性物質(zhì)對光場的吸收和后向反射特性為基礎(chǔ)，由傳感器測得光譜反射率計算水體中各組分的特征吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)，并通過水質(zhì)參數(shù)的濃度與吸收系數(shù)和散射系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，反演水體中各參數(shù)的濃度。在實際水質(zhì)監(jiān)測中，由于物理方法對數(shù)據(jù)源的要求較高，方法中的許多模型往往需要依據(jù)經(jīng)驗來建立，因此從某種特定的遙感數(shù)據(jù)反演具體水體參數(shù)濃度的算法精度較低。
② 經(jīng)驗法
是伴隨著多光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測發(fā)展起來的一種方法，該方法基于遙感波段數(shù)據(jù)和地面采樣點實測數(shù)據(jù)做相關(guān)性統(tǒng)計分析，進而選擇相關(guān)性較高的波段或波段組，結(jié)合地面實測數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計分析外推水質(zhì)參數(shù)值。這種方法容易受到外界因素的干擾，所得到的反演模型普適性較差，算法的精度依賴與特定的水域并且具有空間和時間特殊性。
③ 半經(jīng)驗法
是隨著高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于遙感水質(zhì)監(jiān)測發(fā)展起來的一種方法，該方法根據(jù)機載成像光譜儀或非成像光譜儀測量的水質(zhì)參數(shù)光譜特征，選擇特定的波段或波段組通過數(shù)學(xué)方法建立水質(zhì)參數(shù)的定量經(jīng)驗性算法。自20 世紀90 年代以來該方法廣泛應(yīng)用于遙感水質(zhì)監(jiān)測，并且得到了較高的反演精度。
綜上所述，衛(wèi)星遙感反演海水水質(zhì)是一個復(fù)雜但重要的領(lǐng)域，近年來取得了重大進展。通過使用各種算法和模型，包括統(tǒng)計模型、物理模型和機器學(xué)習(xí)算法，可以獲得準確、頻繁的海水水質(zhì)觀測，為了解海洋生態(tài)系統(tǒng)和改善人類活動提供有價值的信息。
3、反演水質(zhì)
傳統(tǒng)的常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測方法一般是通過實地采集水樣結(jié)合實驗室檢測來獲取水質(zhì)信息，雖然準確度較高，但是無法對面域進行大范圍監(jiān)測，難以及時全面地反映水體水質(zhì)的時間和空間上變化狀況及趨勢；隨著遙感技術(shù)不斷發(fā)展，水質(zhì)遙感監(jiān)測技術(shù)作為一種非傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測大范圍、快速實時地獲取區(qū)域水質(zhì)的時空分布并反映污染物主要來源。同時，水質(zhì)遙感監(jiān)測還可以預(yù)估污染物的流動趨勢，滿足大范圍水域水質(zhì)時空監(jiān)測的要求，彌補傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法的不足，其原理是將已知水質(zhì)參數(shù)光譜特征與最佳波段或波段組合，特別是光學(xué)特性與水體表面反射率、輻射亮度之間的相互關(guān)系，可以為不同地域、不同特點水體的水質(zhì)遙感反演尋求更為精確的反演模型通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法進行相關(guān)分析后，反演水質(zhì)指標含量，是目前水質(zhì)反演最常用的一種方法。常用的數(shù)學(xué)方法有線性回歸、多項式回歸、灰色系統(tǒng)理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等方法。其中如氮素是引起水體富營養(yǎng)化和影響藻類繁殖的重要因素，對水體水質(zhì)具有非常重要的影響，COD與NH3-N由于不存在顯著的光學(xué)特性無法直接進行遙感反演，通常需要分析其與水體中不同物質(zhì)之間的相互關(guān)系進行間接分析，建立了表層水體葉綠素a和氨氮的遙感信息模型。
三、成果展示
