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“哨兵”(Sentinel)卫星星座监测地表水体质与量的研究回顾与展望

  地表水体是地球表层系统各圈层相互作用的关键联结点,对社会经济发展、区域气候调节、生态系统平衡、生物多样性保护具有重要意义。随着卫星传感技术的飞速发展和地表水动态变化监测的需求增加,遥感在水体监测方面显现了巨大优势和潜力,同时也伴随一定的局限和挑战。在轨可用的卫星传感器性能各异,却很少能同时满足地表水体多尺度、多要素、多维度的监测需求。整合多类卫星传感器,构建虚拟卫星星座的遥感观测体系,能够兼顾水体质与量的监测的多方需求,实现卫星传感器优势互补和定制化遥感协同观测能力。 

  欧空局ESA规划实施了哨兵Sentinel)系列卫星对地观测任务,每个对地观测任务中包含多颗卫星以满足高重访的观测需求。针对不同的设计任务,哨兵卫星搭载多种传感器(多光谱成像仪、合成孔径雷达、雷达高度计等),能够实现多光谱和高光谱成像、雷达成像、测高等多种功能,满足地表水的水体高精度制图、水文参数及各类水质指标的监测需求,因而越来越广泛被应用于内陆水体的遥感研究。然而,现有哨兵遥感研究大多利用单一任务或单颗卫星开展地表水体的监测。相较而言,由不同任务的哨兵卫星构建虚拟卫星星座(图1)更有利于内陆水体时--谱等多维信息的获取。为此,中国科学院南京地理与湖泊研究所宋春桥研究员课题组聚焦虚拟星座构建的目标,全面回顾哨兵卫星对内陆水体多要素、多维度、全方位监测的研究表现,评估其星座协同监测应用潜力。论文成果Monitoring inland water via Sentinel satellite constellation: A review and perspective发表在遥感科学领域权威期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,论文第一作者为曾繁轩博士。 

1 哨兵卫星星座对地观测 

  该研究旨在对哨兵卫星星座(Sentinel-1/-2/-3系列)监测内陆水体的水量(如水域范围/面积、水位、水深、水量)和水质(如叶绿素-a、藻蓝蛋白、悬浮物、有色可溶性有机物和透明度)等多要素和维度研究进行全面回顾。研究首先采用文献计量学方法,定量分析了相关主题约690篇文献,分析各种传感器在内陆水体监测中的优势,对比文献中使用的数据处理方法及其表现。基于对文献的回顾和分析,我们提出一套哨兵卫星虚拟星座的构建方案,集成多观测平台,发挥各传感器的优势,实现内陆水体多维度、全方位的立体观测。在水域范围监测中,Sentinel-1 SARSentinel-2 MSISentinel-3 OLCI的集成可将观测周期缩短至2天,最高空间分辨率为10米,覆盖可见光-近红外-短波红外-微波等波段;Sentinel-3 SRAL可以直接测量全球80.78%湖泊(按大于1 km2湖泊面积统计)的水位;Sentinel-1 SARSentinel-2 MSI可以用于水深反演;Sentinel-2 MSISentinel-3 OLCI的联合监测可用于估算多种光学活性物质,实现多类关键水质参数的高时空分辨率定量反演。 

  最后,以中国湖泊为例,综合现有研究中基于Landsat系列卫星监测湖泊水域面积变化和水体透明度变化的长期趋势结果,探索从更多维度量化我国湖泊对气候变化和人类活动综合作用的响应特征。总体上,过去30年我国西部湖泊大多经历水域扩张的同时,也显示水体透明度显著增加的态势;我国东部的不少湖泊水域呈现波动式萎缩,且水体透明度低。当前,水质问题是影响我国湖泊水资源短缺的关键因素,水量和水质同步监测对加强水资源管理和区域水安全预警十分重要。研究强调,由哨兵系列卫星构建虚拟星座,有望提升大区域空间尺度地表水体的多维度、全方位遥感观测能力,对保障区域水安全、实现联合国可持续发展目标清洁饮用水具有重要推动作用。 

2 面向我国湖泊水安全的水量与水质遥感协同监测 

  该研究得到国家重点研发计划项目、中国科学院先导A计划、第二次青藏科考、国家自然科学基金、SDG中心研究计划项目和研究所自主部署项目等项目联合资助。 

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2023.09.011