关键词
遥感学报；湖泊富营养化;营养状态遥感评测;
水体参数反演算法;遥感大数据
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相比基于地面调查的传统监测手段，水色遥感技术具有快速、大范围、周期性等优点，已经广泛应用于叶绿素、透明度和营养状态等多种湖泊水环境参数的定量反演。中国科学院重庆绿色智能技术研究院周博天副研究员联合中国科学院南京地理与湖泊研究所施坤研究员在《遥感学报》发表论文“湖泊营养状态遥感评价及其表征参数反演算法研究进展”，通过深入分析近年来大量相关文献，系统总结了现有湖泊营养状态遥感估算和评价方法，着重介绍了湖泊营养状态关键表征参数反演算法的研究进展，最后从遥感大数据视角对湖泊富营养化研究的发展提出了建议与展望。
??论文信息
题目：湖泊营养状态遥感评价及其表征参数反演算法研究进展
作者：周博天，张雅燕，施坤
第一作者单位：中国科学院重庆绿色智能技术研究院
引用格式：
周博天,张雅燕,施坤..湖泊营养状态遥感评价及其表征参数反演算法研究进展.遥感学报,26(1):77-91
研究背景
湖泊是“山水林田湖草”生命共同体的核心组成部分，提供了安全供水、防洪抗旱、渔业航运、休闲旅游、生物多样性保护等多种生态服务功能，对区域经济社会高质量发展及生态文明建设意义重大。然而，当前普遍存在的湖泊富营养化现象由于其可导致藻类水华暴发，引发生态系统灾变和饮用水风险，逐步成为中国乃至全球湖泊面临的主要生态环境问题。因此，如何精准、实时、大范围的同步监测湖泊营养状态，进而开展富营养化成因分析、评价评估、治理修复和管理考核等研究，成为湖泊科学工作者亟待解决的重要问题之一。
（a）基于CNKI数据库的篇论文
（b）基于WebofScience核心库的篇论文
图1遥感技术在湖泊富营养化研究领域的关键词分析
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湖泊营养状态遥感评价
随着遥感技术及反演算法的快速发展，尤其是近十年的湖泊营养状态遥感评价研究更多涉及到透明度、色度、吸收系数等典型水体光学参数对湖泊营养状态的响应机理，并且充分考虑单一基准因子、多元辅助因子在湖泊营养状态评价方面的统一性与合理性。本文将以时间进展为大致主线，按可遥感参数、反演算法、遥感数据等基本特征对湖泊营养状态遥感评价常用方法进行梳理与归类（表1），以期为相关研究提供有益的参考。
表1主要的湖泊营养状态评价方法及其基本特征
营养状态表征参数遥感反演
自年代以来，随着水体光学特性研究的不断深入，遥感技术逐步应用到湖泊科学领域，适用范围从最初的水体面积提取扩展到后来的水生态安全预警。一方面，水体参数遥感反演算法研究从定性判别发展到定量反演，大致经历了4个阶段：
（1）年代以前，主要针对开阔海洋的理论方法研究；
（2）年—年，围绕内陆水体展开的经验方法研究；
（3）年—年，融合以上两种方法的半机理方法研究；
（4）年以后，融合先验知识的机器学习模型研究。
另一方面，近年来卫星传感器技术发展迅速，性能得到显著改善，主要体现在如下两点：
（1）遥感传感器种类更为丰富，例如陆续发射升空的Sentinel、GF、TG系列卫星已经或计划搭载高分辨率的光学、微波、激光传感器，为深入开展中小型湖泊的水体辐射传输机理研究，进而建立全天时、高精度的营养状态表征参数遥感反演算法提供数据支撑；
（2）光学影像数据时—空—谱分辨率的大幅提高，例如珠海一号卫星组网后的重访周期为1d、空间分辨率可达亚米级、光谱分辨率为2.5nm，以及配备可见光、近红外、短波红外通道的COMS、Himawari-8、FY-4等静止轨道卫星将拍摄周期缩短至0.5—60min，充分满足营养状态表征参数光谱特征的精准识别和高频观测需求。
在定量反演算法与传感器技术协同发展的背景下，基于卫星/航空/地基遥感数据的水体组分光谱特征研究克服了水体光学属性在不同尺度上所呈现的时空复杂性问题，以及传感器接收辐射信息易受外界干扰的技术难点，从而有效加强了水体光学参数（例如色度）、光学活性物质（例如叶绿素）、非光学活性物质（例如颗粒态磷）反演算法的稳定性，将进一步拓展表征营养状态的可遥感参数，提升反演产品的时空分辨率和精度。
建议与展望
水色遥感技术是一种适用于内陆水体中生物地球化学组分的对地观测手段。研究发现，随着传感技术与反演模型的快速发展，水色遥感在湖泊富营养化过程的长时序和大范围监测中发挥着愈加重要的作用。从遥感大数据视角对湖泊富营养化研究的发展提出如下建议与展望：
（1）结合单一基准因子灵敏性与多元辅助因子全面性的营养状态指数（TSI）和综合营养状态指数（TLI）均为地表水营养状态评价的常用方法，本文围绕两者的相似之处与主要区别，论证了叶绿素浓度、水体光学参数、遥感反射率等可遥感参数作为湖泊营养状态评价基准因子的统一性、合理性及可靠性；
（2）通过建立营养状态表征参数的遥感反演算法，以此为基准可实现湖泊营养状态评价的整体目标，本文围绕透明度、色度、叶绿素、总氮和总磷浓度等营养状态关键表征参数定量反演的代表性研究展开论述，阐明了利用水色遥感技术评价湖泊营养状态的生物光学理论基础；
（3）文章指出了现有的湖泊富营养化遥感研究在数据互联共享、表征参数选取、算法可移植性以及标准化评价框架等方面存在的一些问题，探讨了兼具广泛度与密集度的遥感大数据技术在多源数据引擎平台、表征参数选取标准、泛用机器学习算法、时空域系统评价体系等相应问题上的研究前景。
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详见论文
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