海洋与沿海生态系统正面临来自自然和人为的双重压力。联合国可持续发展目标中明确提到“水下生命”，要求减少海洋污染、保护海洋和沿海栖息地。因此，沿海和内陆水域的有效监测对缓解有害藻华和缺氧等问题至关重要。传统的水质评估方法通常依赖于耗时费力的实地测量，难以应对大范围水域和长期监测的需求。相比之下，遥感技术在水质监测中具有显著优势，不仅能够提供大范围、高频率的数据采集，还能帮助构建水质分布及其潜在环境影响的模型。
近期，澳大利亚西悉尼大学等团队在《Marine Pollution Bulletin》上发表了一项研究，以土耳其马尔马拉海东部的伊兹密特湾为研究对象，提出一种基于色相角分析的水质遥感监测方法。该研究通过融合卫星影像与现场光谱及水质数据，构建了水体色相角与Chl-a、透明度等关键参数的关联模型。该方法在复杂的近岸水域中保持了较高的反演精度，能够有效识别水质异常及其时空变化规律，为海岸水质监测提供了可靠的新方案。
图1.伊兹密特湾地图，显示了东部、中部和西部盆地的主要淡水输入源和污水处理厂，沿着有东西向深度剖面。
为什么选择伊兹密特湾？
伊兹米特湾位于土耳其马尔马拉海以东，是一个敏感的沿海生态系统，因其以下特点成为实验的理想选择。
▶ 高污染水平；
▶ 生态系统脆弱；
▶ 光学特性复杂，适合方法验证；
▶ 政策和生态恢复；
伊兹密特湾是一个典型的“受人类活动强烈干扰的复杂海岸带生态系统”，在此进行实验不仅能够验证实验方法在真实复杂环境中的适用性，还能够为全球面临类似压力的沿海水域提供可推广的监测方案。
图2. 伊兹密特湾的采样地点（13个点-2021年10月21日和16个点-2022年10月26日）。
研究方法
研究团队在 2021 年和 2022 年 两个时段开展同步观测：
利用 Sentinel-2 卫星获取水体反射率数据
在现场采集 Chl-a、透明度（Secchi 盘深度）、电导率、硅酸盐 等水质参数
使用 ASD FieldSpec 4 地物光谱仪 进行水面光谱测量，其工作光谱范围为325–1075 nm。为保障测量精度，每次光谱数据采集前均采用白色参考面板对仪器进行校准，确保光谱反射率数据的可靠性与可比性。其结果对卫星反演结果进行验证。
在此基础上，计算不同年份的色相角分布，并分析其与关键水质参数之间的相关关系。
为进一步验证方法的区域适用性，本研究还选取环境特征相似的盖姆利克湾作为对比区，开展了独立的方法验证研究。
图3.使用ASD FieldSpec 4地物光谱仪测量的原位点光谱和Sentinel-2光谱带的位置。
研究结果
2021年和2022年伊兹密特湾的色相角值有明显变化。2021年，湾区和东岸的色相角值较高，表明污染严重，可能与高浊度、Chl-a浓度和悬浮物有关。2022年，色相角值较为稳定，尤其是在东部和中部盆地，可能反映了污染控制措施的效果。总体而言，色相角值的变化反映了水质的变化，高色相角值通常意味着水质较差。
图4.卫星导出的色相角的空间分布：（a）2021和（b）2022。
2022年卫星推导的色相角与现场测量值的验证结果优于2021年，RMSE、MRE和MAE分别下降了25.32%、42.86%和43.30%。结果验证了该方法的有效性和可靠性。这一提升可能与环境条件的变化（如水质清澈度和浑浊度）以及污染控制措施的改善密切相关。
表1. 对2021年和2022年开展的两项活动的验证分析。
图5. 比较卫星导出色相角与现场测量色相角的散点图。
对伊兹密特湾的四个选定的关键水质参数和卫星导出的色相角之间进行相关性分析显示，色相角与Chl-a呈强正相关，2022年相关性增强；与Secchi盘深度（SDD）呈负相关，2022年负相关更强；2022年与硅酸盐和EC相关性也增加；这表明浮游植物或藻类水平较高导致水体颜色更深、透明度更低。
表2. 伊兹密特湾选定水质参数与卫星遥感色相角的相关性分析。
对盖姆利克湾的四个选定的关键水质参数和卫星导出的色相角之间进行相关性分析显示，色相角与Chl-a呈较强正相关（0.67），与Secchi盘深度（−0.54）负相关，但与硅酸盐和EC相关性较弱，验证了色相角在不同水域中的应用效果。
表3. 对盖姆利克湾选定的水质参数与卫星衍生色相角进行相关性分析。
结语
通过这项研究，不仅验证了色相角方法在复杂沿海水域水质监测中的有效性和准确性，还展示了遥感技术在水质动态评估中的巨大潜力。未来，类似方法可广泛应用于其他受污染的海岸带，结合大数据与机器学习提升水质预测能力，为全球沿海生态保护提供更加精准和高效的监测手段。
发表期刊：Marine Pollution Bulletin【影响因子：4.9】
研究单位：澳大利亚西悉尼大学、土耳其伊斯坦布尔理工大学等
研究地点：伊兹密特湾、盖姆利克湾
使用设备：ASD FieldSpec 4地物光谱仪
DOI：https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2024.117450