海洋與沿海生態(tài)系統(tǒng)正面臨來(lái)自自然和人為的雙重壓力。聯(lián)合國(guó)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(cè)對(duì)緩解有害藻華和缺氧等問(wèn)題至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的水質(zhì)評(píng)估方法通常依賴于耗時(shí)費(fèi)力的實(shí)地測(cè)量，難以應(yīng)對(duì)大范圍水域和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求。相比之下，遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，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(duì)在《Marine Pollution Bulletin》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，以土耳其馬爾馬拉海東部的伊茲密特灣為研究對(duì)象，提出一種基于色相角分析的水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法。

該研究通過(guò)融合衛(wèi)星影像與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)別水質(zhì)異常及其時(shí)空變化規(guī)律，為海岸水質(zhì)監(jiān)測(cè)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。

伊茲米特灣位于土耳其馬爾馬拉海以東，是一個(gè)敏感的沿海生態(tài)系統(tǒng)，因其以下特點(diǎn)成為實(shí)驗(yàn)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(yàn)證；

? 政策和生態(tài)恢復(fù)；

伊茲密特灣是一個(gè)典型的“受人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干擾的復(fù)雜海岸帶生態(tài)系統(tǒng)”，在此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不僅能夠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法在真實(shí)復(fù)雜環(huán)境中的適用性，還能夠?yàn)槿蛎媾R類(lèi)似壓力的沿海水域提供可推廣的監(jiān)測(cè)方案。

圖2. 伊茲密特灣的采樣地點(diǎn)（13個(gè)點(diǎn)-2021年10月21日和16個(gè)點(diǎn)-2022年10月26日）。

研究團(tuán)隊(duì)在2021年和2022年兩個(gè)時(shí)段開(kāi)展同步觀測(cè)：

利用 Sentinel-2 衛(wèi)星獲取水體反射率數(shù)據(jù)

在現(xiàn)場(chǎng)采集 Chl-a、透明度（Secchi 盤(pán)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(cè)量，其工作光譜范圍為325–1075 nm。為保障測(cè)量精度，每次光譜數(shù)據(jù)采集前均采用白色參考面板對(duì)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(duì)衛(wèi)星反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)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(yàn)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(duì)比區(qū)，開(kāi)展了獨(dú)立的方法驗(yàn)證研究。

圖3.使用ASD FieldSpec 4地物光譜儀測(cè)量的原位點(diǎn)光譜和Sentinel-2光譜帶的位置。

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(chǎng)測(cè)量值的驗(yàn)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(yàn)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(duì)2021年和2022年開(kāi)展的兩項(xiàng)活動(dòng)的驗(yàn)證分析。

圖5. 比較衛(wèi)星導(dǎo)出色相角與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量色相角的散點(diǎn)圖。

對(duì)伊茲密特灣的四個(gè)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(qiáng)正相關(guān)，2022年相關(guān)性增強(qiáng)；與Secchi盤(pán)深度（SDD）呈負(fù)相關(guān)，2022年負(fù)相關(guān)更強(qiáng)；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(lèi)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。