论文标题：Advancements in Satellite Observations of Inland and Coastal Waters: Building Towards a Global Validation Network

论文链接：https://www.mdpi.com/2072-4292/17/24/4008

期刊名：Remote Sensing

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/remotesensing

卫星遥感已成为水环境监测的强大工具，相较于传统地面采样，它具有独特的优势：可提供传统方法无法达到的全球尺度重复观测、克服时空采样偏差、实现历史数据回溯（"时间机器"效应），以及进入难以到达或危险的区域。然而，光学复杂的内陆和沿海水体对遥感反演模型提出了额外挑战，其中最大的瓶颈之一是高质量实测数据的获取—这些数据用于校准和验证反演算法。来自美国地质调查局、NASA戈达德航天中心、乌拉圭共和国大学、加州大学、CSIRO等全球20余家机构的联合研究团队在Remote Sensing期刊发表了综述，系统梳理了内陆与沿海水体卫星遥感观测的科学现状、验证需求与未来方向，为全球水环境监测网络的构建提供了重要路线图。

该综述源于2022年NASA在威斯康星大学麦迪逊分校举办的"沿海与内陆水体卫星光学和水质参数验证"研讨会，距2012年类似研讨会已过去十年。文章旨在回答三个核心问题：（1）当前和未来卫星任务的状态如何？（2）遥感反射率产品和衍生水质参数的验证需求是什么？（3）如何优化验证协议以适应内陆和沿海水体的复杂性？

卫星任务的重大进展

过去十年，卫星传感器技术在空间、时间和光谱分辨率方面取得了显著进步。当前在轨任务涵盖从3–4米（PlanetScope）到1公里（MODIS、PACE）的空间分辨率，时间重访周期从10分钟（静止卫星）到27天不等。

高光谱任务的突破尤为关键：NASA PACE（2024年发射，1公里像素）、意大利PRISMA（2019年发射，30米像素）、德国EnMAP（30米像素）等任务携带的高光谱传感器，大幅提升了识别水体光学成分的能力。此外，学术机构主导的CubeSat任务如SeaHawk-1和HYPSO-1，以及PlanetScope星座（3–4米分辨率，每日重访），为内陆和沿海水体监测提供了前所未有的高时空分辨率数据。

未来卫星任务同样令人期待：NASA地表生物学与地质学任务（SBG，预计2028年发射，30米高光谱）、地球静止海岸成像与监测辐射计（GLIMR，预计2026–2027年）、NOAA GeoXO（预计2032年）等，将进一步扩展科学可能性。

实测技术：从固有光学特性到水质参数

文章系统介绍了水色遥感验证所需的三类核心实测参数：

固有光学特性（IOPs）描述光与水体介质的相互作用，包括吸收、散射和后向散射系数。常用仪器如ac-meter在高浊度水体中面临光程过长和散射校正的挑战；积分腔吸收计（ICAM）可避免散射误差，但校准较繁琐。

表观光学特性（AOPs）依赖于IOPs和光照条件。遥感反射率（Rrs）是水色遥感的核心参数，通过水上或水下辐射测量获取；漫衰减系数（Kd）是环境评估的标准指标。

水质参数包括浊度、叶绿素a、藻蓝蛋白、藻红蛋白、CDOM等，通常通过荧光或吸光度原理测量，需注意温度校正和现场特异性校准。

图1. 卫星遥感获取水质参数的生物光学模型与算法输入示意图。

验证缺口：数据、地理与参与度的三重挑战

• 参数缺口

文献计量分析显示，1986年至2025年间共发表611篇相关验证论文，数量呈快速增长趋势。然而，数据分布极不均衡：内陆水体数据库LIMNADES中，叶绿素a占44.9%，总悬浮固体占32.4%，而遥感反射率仅占8.2%——这对于卫星验证而言是至关重要的参数。藻蓝蛋白（2.4%）和各类吸收系数（3.3%–4.5%）更为稀缺。

• 地理缺口

验证研究覆盖76个国家，但48.9%的研究集中在美国和中国。全球南方、拉丁美洲、加勒比地区、非洲以及高纬度boreal地区数据严重匮乏。GLORIA数据集（全球水生环境成像和光学遥感反射率数据集）的分布图清晰显示：美国东海岸、西欧、中国部分地区数据密集，而印度洋、西太平洋、南极洋和东南大西洋几乎为空白。

图2. (A) 全球水生环境成像与光学遥感反射率数据集（GLORIA）中的数据分布；(B) 基于位置的SeaWiFS生物光学档案与存储系统（SeaBASS）档案测量相对密度（以1度网格显示，由美国国家航空航天局SeaBASS团队提供）。色标表示归档项目数量。

• 用户参与缺口

调查显示，40.5%的参与者自认是卫星地球观测的初学者，82.5%表示缺乏使用卫星衍生数据的培训。现有培训资源（如IOCCG夏季系列讲座、缅因大学海洋光学课程）主要面向学术界，且仅以英语提供，容量有限，难以满足全球需求。

从开阔大洋到内陆沿海：验证协议的五大调整

文章深入分析了为何不能直接套用开阔大洋验证协议，并提出了针对性调整建议：

1.时间窗口：开阔大洋通常采用卫星过境前后3小时窗口，但内陆和沿海水体受河流输入、潮汐等影响，生物地球化学梯度可在短时空窗口内剧烈变化。对于强潮汐区域，0.5小时窗口可能更合适；而对于某些湖泊和水库，Secchi深度验证可扩展至5天。

2.空间平均与多像素分析：开阔大洋常用的3×3或5×5像素平均假设邻近像素均质，但在内陆和沿海水体中，陆地邻接、河流羽流和潮汐混合区造成急剧梯度，必须确保区域近乎均质才能进行有效比较。

3.大气校正：开阔大洋假设近红外波段水体反射为零，但内陆和沿海水体中悬浮矿物颗粒导致非零近红外信号。短波红外（SWIR）波段的大气校正方法在光学复杂水体中更为稳健，但并非所有传感器都配备SWIR通道。

4.光照假设：邻接效应、光学浅水和混合/污染像素是内陆沿海遥感的常见问题。建模显示，白沙滩和雪地附近的邻接效应可在数公里内影响高达30%的水体信号。扩大掩膜以消除邻接效应往往导致感兴趣区域被移除。

5.水体类型假设：开阔大洋（Case 1水体）假设遥感信号主要由浮游植物生物量驱动，但内陆和沿海水体（Case 2水体）中悬浮沉积物、CDOM、污染物和光学浅水条件增加了极大复杂性。因此，采样时至少需测量三种主要光学活性成分：叶绿素a、悬浮颗粒物和CDOM。

研究总结与展望

本文通过全面综述卫星任务、实测技术和验证现状，明确了内陆与沿海水体遥感监测的关键路径：

• 卫星传感器技术在空间、光谱和时间分辨率方面已取得重大进步，高光谱任务和CubeSat星座的发展为光学复杂水体监测开辟了新可能。

• 实测验证数据的质量、覆盖范围和标准化仍是最大瓶颈。全球验证网络的构建需要兼容的实测测量、集中的公开数据仓库和清晰的数据共享政策。

• 验证协议必须从开阔大洋向内陆沿海水体"本土化"调整，考虑时间窗口、空间异质性、大气校正、邻接效应和水体光学复杂性等独特挑战。

• 能力建设与用户参与至关重要。多语言培训资源、标准化操作程序的翻译、科学家与终端用户的协同开发，是提升遥感产品可信度和实用性的关键。

该研究为全球水环境监测社区提供了行动蓝图：填补地理数据空白、发展适用于高浊度水体的传感器技术、建立标准化的验证协议、推动多语言教育和国际合作，将有助于释放卫星遥感在全球水资源管理和保护中的全部潜力。

Remote Sensing期刊介绍

主编：Prasad S. Thenkabail, USGS Western Geographic Science Center (WGSC), USA;

Dongdong Wang, Peking University, China

期刊范围涵盖遥感科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准，到遥感在地球科学、环境生态、城市建筑等各方面的广泛应用。