海洋與沿海生態(tài)系統(tǒng)正面臨來自自然和人為的雙重壓力。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中明確提到“水下生命”，要求減少海洋污染、保護(hù)海洋和沿海棲息地。因此，沿海和內(nèi)陸水域的有效監(jiān)測對緩解有害藻華和缺氧等問題至關(guān)重要。傳統(tǒng)的水質(zhì)評估方法通常依賴于耗時費力的實地測量，難以應(yīng)對大范圍水域和長期監(jiān)測的需求。相比之下，遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中具有顯著優(yōu)勢，不僅能夠提供大范圍、高頻率的數(shù)據(jù)采集，還能幫助構(gòu)建水質(zhì)分布及其潛在環(huán)境影響的模型。
近期，澳大利亞西悉尼大學(xué)等團(tuán)隊在《Marine Pollution Bulletin》上發(fā)表了一項研究，以土耳其馬爾馬拉海東部的伊茲密特灣為研究對象，提出一種基于色相角分析的水質(zhì)遙感監(jiān)測方法。該研究通過融合衛(wèi)星影像與現(xiàn)場光譜及水質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了水體色相角與Chl-a、透明度等關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型。該方法在復(fù)雜的近岸水域中保持了較高的反演精度，能夠有效識別水質(zhì)異常及其時空變化規(guī)律，為海岸水質(zhì)監(jiān)測提供了可靠的新方案。
圖1.伊茲密特灣地圖，顯示了東部、中部和西部盆地的主要淡水輸入源和污水處理廠，沿著有東西向深度剖面。
為什么選擇伊茲密特灣？
伊茲米特灣位于土耳其馬爾馬拉海以東，是一個敏感的沿海生態(tài)系統(tǒng)，因其以下特點成為實驗的理想選擇。
?高污染水平；
?生態(tài)系統(tǒng)脆弱；
?光學(xué)特性復(fù)雜，適合方法驗證；
?政策和生態(tài)恢復(fù)；
伊茲密特灣是一個典型的“受人類活動強烈干擾的復(fù)雜海岸帶生態(tài)系統(tǒng)”，在此進(jìn)行實驗不僅能夠驗證實驗方法在真實復(fù)雜環(huán)境中的適用性，還能夠為全球面臨類似壓力的沿海水域提供可推廣的監(jiān)測方案。
圖2. 伊茲密特灣的采樣地點（13個點-2021年10月21日和16個點-2022年10月26日）。
研究方法
研究團(tuán)隊在2021 年和 2022 年 兩個時段開展同步觀測：
利用Sentinel-2 衛(wèi)星獲取水體反射率數(shù)據(jù)
在現(xiàn)場采集Chl-a、透明度（Secchi 盤深度）、電導(dǎo)率、硅酸鹽 等水質(zhì)參數(shù)
使用ASD FieldSpec 4 地物光譜儀進(jìn)行水面光譜測量，其工作光譜范圍為325–1075 nm。為保障測量精度，每次光譜數(shù)據(jù)采集前均采用白色參考面板對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保光譜反射率數(shù)據(jù)的可靠性與可比性。其結(jié)果對衛(wèi)星反演結(jié)果進(jìn)行驗證。
在此基礎(chǔ)上，計算不同年份的色相角分布，并分析其與關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。
為進(jìn)一步驗證方法的區(qū)域適用性，本研究還選取環(huán)境特征相似的蓋姆利克灣作為對比區(qū)，開展了獨立的方法驗證研究。
圖3.使用ASD FieldSpec 4地物光譜儀測量的原位點光譜和Sentinel-2光譜帶的位置。
研究結(jié)果
2021年和2022年伊茲密特灣的色相角值有明顯變化。2021年，灣區(qū)和東岸的色相角值較高，表明污染嚴(yán)重，可能與高濁度、Chl-a濃度和懸浮物有關(guān)。2022年，色相角值較為穩(wěn)定，尤其是在東部和中部盆地，可能反映了污染控制措施的效果?？傮w而言，色相角值的變化反映了水質(zhì)的變化，高色相角值通常意味著水質(zhì)較差。
圖4.衛(wèi)星導(dǎo)出的色相角的空間分布：（a）2021和（b）2022。
2022年衛(wèi)星推導(dǎo)的色相角與現(xiàn)場測量值的驗證結(jié)果優(yōu)于2021年，RMSE、MRE和MAE分別下降了25.32%、42.86%和43.30%。結(jié)果驗證了該方法的有效性和可靠性。這一提升可能與環(huán)境條件的變化（如水質(zhì)清澈度和渾濁度）以及污染控制措施的改善密切相關(guān)。
表1. 對2021年和2022年開展的兩項活動的驗證分析。
圖5.比較衛(wèi)星導(dǎo)出色相角與現(xiàn)場測量色相角的散點圖。
對伊茲密特灣的四個選定的關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)出的色相角之間進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，色相角與Chl-a呈強正相關(guān)，2022年相關(guān)性增強；與Secchi盤深度（SDD）呈負(fù)相關(guān)，2022年負(fù)相關(guān)更強；2022年與硅酸鹽和EC相關(guān)性也增加；這表明浮游植物或藻類水平較高導(dǎo)致水體顏色更深、透明度更低。
表2. 伊茲密特灣選定水質(zhì)參數(shù)與衛(wèi)星遙感色相角的相關(guān)性分析。
對蓋姆利克灣的四個選定的關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)出的色相角之間進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，色相角與Chl-a呈較強正相關(guān)（0.67），與Secchi盤深度（?0.54）負(fù)相關(guān)，但與硅酸鹽和EC相關(guān)性較弱，驗證了色相角在不同水域中的應(yīng)用效果。
表3.對蓋姆利克灣選定的水質(zhì)參數(shù)與衛(wèi)星衍生色相角進(jìn)行相關(guān)性分析。
結(jié)語
通過這項研究，不僅驗證了色相角方法在復(fù)雜沿海水域水質(zhì)監(jiān)測中的有效性和準(zhǔn)確性，還展示了遙感技術(shù)在水質(zhì)動態(tài)評估中的巨大潛力。未來，類似方法可廣泛應(yīng)用于其他受污染的海岸帶，結(jié)合大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)提升水質(zhì)預(yù)測能力，為全球沿海生態(tài)保護(hù)提供更加精準(zhǔn)和有效的監(jiān)測手段。
發(fā)表期刊：Marine Pollution Bulletin【影響因子：4.9】
研究單位：澳大利亞西悉尼大學(xué)、土耳其伊斯坦布爾理工大學(xué)等
研究地點：伊茲密特灣、蓋姆利克灣
使用設(shè)備：ASD FieldSpec 4地物光譜儀
