我国需要设置内陆水环境监测专用遥感卫星

　　中国神话中有千里眼和顺风耳两位神仙，他们能够眼观千里，耳听八方，为玉皇大帝提供人间情报。现如今，遥感卫星就是人类在太空的“千里眼”。这种千里“天眼”把我们这个星球的每一点变化都记录在案，具有监测范围广、频次高的优势，为实时大范围动态监测提供有力工具。
　　卫星遥感手段用于水环境监测也发挥了重要作用。譬如，遥感卫星既可以监测湖泊有害藻类水华的发生、扩张和衰亡过程，以及水生植物的生长动态和群落分布格局，又可以依据水色光谱信息反演水体水质变化，获得叶绿素含量、透明度、悬浮物、总氮、总磷等信息。
　　2009年11月30日美国太空总署（NASA）发布了一张有关危地马拉阿蒂特兰湖蓝藻水华的Terra卫星遥感照片，湖中蓝藻水华在湖面螺旋气流的作用下，呈螺旋分布，美仑美奂，吸引了众多媒体的目光，也让普通的民众进一步认识了藻类水华。
　　2016年7月18日，美国NASA的Aqua卫星捕捉到伊朗的尔米亚湖（Lake Urmia）由4月23日的深绿色转变为血红色，媒体惊呼为“超大命案现场”。尔米亚湖位于伊朗西北角，近年来由于干旱、高温与灌溉用水需求上升，湖水逐渐干涸、盐度增加，导致杜氏藻大量增殖，把水域染成血红色。
　　无独有偶，2017年4月14日，我国青海湖边一郎剑景区附近的月牙湖，也是一夜之间变成血红色，一直持续了5月中旬才逐渐消失。我国的高分一号卫星监控到了这一转变的现象。月牙湖面积仅1平方公里，变红的原因是湖泊中大量滋生一种耐低温的紫色微囊藻。红红的湖水与靛蓝色的青海湖交相辉映，湖泊周围是早春季节还没有返青的牧草，层次分外清晰。
　　但是，目前我国遥感卫星的功能并不能满足内陆水环境监测的更高要求，需要专门设置高性能的内陆水体水色遥感卫星。这是为什么呢？
　　一、“千里眼”怎样绘制彩色影像？
　　遥感卫星获取影像的方式和我们常用的照相机相似，但是它记录的是电磁辐射信号。遥感卫星通过其安装在卫星平台上的传感器远距离感测地物环境辐射或反射电磁波的信号，然后通过图像扫描仪将电磁信号经过模/数转换等，形成图像输出。由于传感器接受的电磁信号有着不同的波段，各波段的元数据在存储时，一般是将同一波段的元数据逐行存储，然后再以同样的方式存储下一个波段。也有的是将同像元的所有波段按顺序存储，然后再存储下一个波段。无论怎样存储，其单波段的目标影像均是黑白的。如果我们需要看到彩色的影像时，就通过三原色原理进行彩色合成，即分别在红、绿和蓝三个波段区选择一幅影像数据，通过波段组合，就可以将目标影像合成彩色影像。下图为我国一些重点水域的蓝藻水华卫星遥感影像真彩色合成图，能够十分清晰地将蓝藻水华与周边物体区分开来，并清楚地展现水华的分布状态。
　　目前，大多遥感卫星都是多波段扫描，谱段范围集中在可见光至近红外，一般4-9个波段，因此，这些卫星所形成的影像中每个像元的目标地物光谱曲线是不连续的，我们称这类卫星为多光谱遥感卫星，如美国的Landsat 8 OLI卫星传感器就有11个波段（7个可见光波段，1个卷云波段、1个全色波段、2个热红外波段），MODIS则有36个波段，而我国的高分一号卫星只有4个多光谱波段。如果光谱谱段多达数十个甚至数百个，这样的光谱曲线就是连续的，这类卫星就定义为高光谱遥感卫星，可惜这类卫星并不多见。
　　由于卫星影像的每个波段都记录有目标地物在这个波段的反射强度信息，因此卫星光谱的谱段越多，记录的信息就越多，就更能够有利于捕捉到水体精细的光谱特征，用于提取更多的水体要素信息和提高遥感信息的提取精度。此外谱段越多，也表明可以组合的情形越多。以Landsat TM/ETM影像数据为例，它有7个多光谱波段，不同的波段组合有着不同含义。将3、2、1波段分别定义为红、绿、蓝色，321波段组合获得自然彩色合成图像，图像的色彩与原地区或景物的实际色彩一致，称之为真彩色。321的波段组合对浅水透视效果好，可用于监测水体的浊度、含沙量、水体沉淀物质形成的絮状物、水底地形等。如果将4、3、2波段分别定义为红、绿、蓝色，则获得图像中植被为红色，植被的特征被突出表现，应用十分广泛，这种“遥感彩绘”的色彩区别于真实色而被称为标准假彩色。如果采用5、4、3的波段组合，影像中的绿色植被被显示为绿色，包含藻类水华，山体被显示为红色、水被显示深蓝色或黑色，用该波段组合展现蓝藻水华的分布，也有利于将其形貌信息凸显出来。
　　二、“千里眼”的视野、清晰度和频度
　　卫星影像也有着分辨率的限制。有的卫星看得广，但清晰度差一些，也就是空间分辨率低；而有的卫星看得窄，但看得细，就是空间分辨率高。有少数卫星两者兼顾。卫星一般发射到450公里以上的太空中，美国的Landsat卫星的轨道高度在705公里，中国的卫星轨道高度多在500-700公里高度。譬如，我国的环境小卫星轨道高度为675公里，影像宽幅710公里，而空间分辨率保持在30米。静止卫星位置高，视野宽广。如韩国的GOCI静止卫星和日本的葵花静止卫星的轨道高度在3.58万公里的地球同步轨道上，GOCI影像宽幅为2500公里，葵花静止卫星能够实现全球、日本或特定区域的一次性全覆盖。但是，两者影像的空间分辨率一般都在250米以上，属于中低分辨率。
　　随着卫星技术和电子通讯技术的快速发展，卫星遥感不仅能够“高瞻远瞩”，而且越来越“明察秋毫”。MODIS卫星、Landsat系列卫星和MERIS卫星（欧洲航天局ESA）为用户提供30米以上的中等空间分辨率遥感影像，但现如今大多数卫星开始提供1-4米的高分辨率影像，如法国的SPOT6分辨率为1.5米、美国的IKONOS为1米，中国的高分系列卫星也在1到4米。还有部分卫星已经达到了亚米级，美国的快鸟（QuickBird）的分辨率为0.61米，（也就是说一个宽度仅为61厘米的物品也能够在快鸟卫星影像中得到展示），Wordview3更是能够提供0.3米的高精度影像，是当前全球商用卫星的最高水平。在如此高清晰的镜头下，即便是几平米的小尺度藻类水华也能够获得记录。下图为太湖梅梁湾船闸前的蓝藻水华，在Wordview 3 卫星的观察下，蓝藻的分布和运动清晰可见。
　　此外，目前的卫星遥感观察频度也已得到很大提升，从过去的半月一次到现在的1到4天一次。MODIS卫星能够实现1天2次的全球观察。而日本的葵花静止卫星通过与地球同步轨道技术更是能够实现每10分钟一次的“凝视”观察。
　　三、“千里眼”感知水色光谱
　　纯水是无色的，但自然界中水体是有颜色的，这是由于太阳辐射到达水面和进入水层后，被水体和水中物质所吸收和散射。人眼接收到最终反射出来的光的颜色就是我们所认为的水色，也就是说水色与水体中各种物质组份的类型和浓度是存在相关关系的。因此，人眼所看到的水色完全是由水体的光学特性所决定的。根据这个原理，卫星水色遥感就是通过安装在卫星平台上的遥感传感器来监测水体对太阳辐射的散射和吸收，然后通过水体的散射和吸收等固有光学特性量与水体各种组份类型和浓度之间的定量关系，就可以定量反演出水体的叶绿素、悬浮物和其他有色物质的浓度。
　　叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其中叶绿素a在高等植物和藻类中普遍存在，对藻浓度和水体富营养化程度具有重要指示作用，是水环境遥感和常规水质监测的重要指标之一。叶绿素a在440纳米（蓝光）和675纳米（红光）吸收较强，而对绿色光吸收较弱，所以更多的绿光被反射回来，使植物呈绿色。而且叶绿素a浓度越高，其吸收和反射也越强，因此，藻类叶绿素a浓度与吸收系数以及反射率之间存在定量关系。从水体的反射率光谱特征来分析，700纳米附近反射峰和675纳米附近的反射谷是叶绿素a的特征光谱。找到了特征光谱，拟合出定量关系模型，就可以利用遥感卫星所测定的水体反射光谱定量反演计算出水体中的叶绿素a浓度。
　　水体中悬浮物和其他有色物质组份的遥感定量反演计算也与此相似，只是各自的特征光谱位置不一样而已，悬浮物的反射率特征光谱位置一般在700-850纳米，蓝藻特有的藻蓝素的特征光谱在633纳米和655纳米附近。由于卫星遥感在定量反演这些水色指标所使用的特征光谱基本都在可见光光谱和近红外波段，因此也称为水色遥感或可见光遥感。
　　四、“千里眼”用于湖泊演变研究一例
　　利用卫星遥感获取的海量历史影像数据，通过时序分析就可以获得目标区域的环境变化信息。例如，在我们对洱海的研究中，通过5幅来自美国Landsat和日本ALOS卫星影像可以分析出洱海沉水植被逐渐减少以及蓝藻水华灾害逐渐增强的环境变化过程。在1989年，洱海北部及南部的湖心平台区生长着大量的沉水植被，到1999年沉水植物逐渐衰退，沿岸带的面积也逐渐减少，到2003年以后南部湖心的沉水植被全部消失。取而代之的是，藻类叶绿素浓度逐年上升，最终在1998年首次暴发蓝藻水华，在2009年再次大规模暴发蓝藻水华，2013年全湖暴发。如果我们加入更多的影像数据，通过历史数据的分析，结合全球气候的变化和水环境水质变化，可以进一步分析洱海水体藻类消长的物候学规律，揭示洱海藻华的暴发机理。
　　卫星遥感在水环境领域，不仅可以监测藻类水华和叶绿素浓度，也被广泛用于水文水资源动态监测、以及水质污染指标、河湖采砂、船舶溢油的监测。
　　五、建议我国设置专门的内陆水体水色遥感卫星
　　当前水色遥感传感器主要面向的是海洋环境，却没有一个专门面向内陆水体水色遥感的。譬如，CZCS（美国，1978-1986年）、SeaWiFS（美国，1997-2010年）、MODIS（美国，1999年至今）、MERIS（欧盟，2002-2012年）以及我国海洋系列卫星（HY-1，HY-2，HY-3）携带的传感器。这些传感器虽然在光谱分辨率、时间分辨率以及信噪比等方面具有优势，但空间分辨率普遍不高，如最常用的MODIS的最高空间分辨率也仅有250米，大大地限制了在内陆水体水色遥感中的应用。内陆水体水色/水质遥感主要使用陆地卫星多光谱传感器，如LandsatTM/ETM、SPOTHRV、CBERSCCD、EO-1ASTER、Beijing-1CCD、HJ-1A/B等。它们具有较高的空间分辨率（20-30米），但时间分辨率较低（15-30天），难以及时捕捉内陆水体的污染事件，对整个污染发展过程不能形成有效监测。更大的问题还在于，现有陆地卫星传感器缺乏监测蓝藻和沉水植被所需要的620纳米和1200纳米探测谱段，难以通过波谱数据反演推算出藻类组成、沉水植被等信息。此外，由于水体的强吸收，反射率信号较弱，要求水色卫星传感器的信噪比在500以上，而陆地卫星传感器的信噪比一般低于500，难以满足水体定量遥感的专业需求。
　　鉴于内陆水体环境快速、大范围监测的实际工作需要和内陆水体水色遥感卫星缺乏的实际情况，建议我国建造和发射内陆水体水色遥感卫星，以满足日益突出的内陆水环境监测需求。该卫星应该具有宽广的遥感波段（350-2500纳米）、特殊需求的遥感探测谱段（如620纳米面向蓝藻水华监测，1200纳米面向水生植物监测，380纳米和1600纳米面向卫星的大气校正）、快速的重访周期（1-3天以内）、较为精细的空间分辨率（10米以内）、较宽的景幅（每幅500公里以上）、传感器信噪比大于500等指标。内陆水体水色传感器集群利用多卫星组网联合服务，尤其是同制式规格的卫星组网，将更有利于高质量水色数据的持续获取，以及高频繁的重访周期。此水色观测卫星将显著提高我国内陆水体水色观测的空间分辨率、光谱分辨率，提升探测精度，拓展探测谱段，有力促进我国内陆水体水色遥感业务的持续和稳定运行。