1基于遙感技術的河流水體污染快速識別與監(jiān)測指南當前，我國正處于經(jīng)濟社會高質量發(fā)展與生態(tài)文明建設深度融合的關鍵階段，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程持續(xù)推進的同時，河流水體污染問題仍對生態(tài)環(huán)境安全、人民群眾健康福祉及國家水安全戰(zhàn)略構成嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)水體污染監(jiān)測依賴實地采樣與實驗室分析，雖能保障局部監(jiān)測精度，但存在耗時費力、成本高昂、監(jiān)測點位稀疏、覆蓋范圍有限等固有短板，難以滿足新時期對河流水體污染狀況全域覆蓋、實時動態(tài)、精準管控的戰(zhàn)略需求。遙感技術憑借覆蓋范圍廣、重訪周期短、信息獲取高效、成本相對可控且可規(guī)避人員直接接觸污染水體的獨特優(yōu)勢，已成為破解傳統(tǒng)監(jiān)測瓶頸、支撐水環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化的核心技術手段。近年來，我國遙感技術實現(xiàn)跨越式發(fā)展，高空間、高光譜、高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)資源日益豐富，數(shù)據(jù)處理與信息提取技術持續(xù)迭代成熟，為定量、半定量反演懸浮物、葉綠素a、有色可溶性有機物及特征污染物等關鍵水質參數(shù)提供了堅實的技術支撐，在河流水體污染監(jiān)測實踐中取得了顯著成效。為全面規(guī)范遙感技術在河流水體污染識別與監(jiān)測中的應用，統(tǒng)一技術流程、提升監(jiān)測成果的科學性、準確性與可比性，推動該技術標準化、業(yè)務化、規(guī)?；瘧?，助力國家碧水保衛(wèi)戰(zhàn)深入推進和生態(tài)環(huán)境保護現(xiàn)代化進程，特制定本指南。本指南立足我國遙感技術發(fā)展現(xiàn)狀與水環(huán)境保護國家戰(zhàn)略需求，充分借鑒國內外先進研究成果與技術標準，為各級生態(tài)環(huán)境管理部門、科研機構及相關從業(yè)單位開展河流水體污染遙感監(jiān)測工作，提供一套系統(tǒng)完整、規(guī)范統(tǒng)一、可操作性強的技術遵循。2范圍本指南規(guī)定了利用遙感技術開展河流水體污染快速識別與監(jiān)測的總體原則、工作流程、核心技術方法、全流程質量控制及成果產(chǎn)出等關鍵要求。本指南適用于利用多光譜、高光譜等航天及航空遙感數(shù)據(jù)，對我國境內各類河流水體（含干流、支流、溝渠等）污染狀況進行快速識別、動態(tài)監(jiān)測與初步評估的相關工作?？捎行е魏恿魉h(huán)境常規(guī)監(jiān)測、突發(fā)水污染事件應急響應、污染源溯源追蹤、污染治理成效評估等核心任務，為國家及地方水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、決策部署提供技術支撐。本指南作為地面實地監(jiān)測與2實驗室分析的重要補充與延伸，不替代法定地面監(jiān)測工作，鼓勵構建“遙感宏觀監(jiān)測+地面精準驗證”的協(xié)同監(jiān)測模式，全面提升河流水體污染監(jiān)測的精準度與高效性。3規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用具有強制性或基礎性作用。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有修改單）均適用于本文件。GB/T37926-2019遙感數(shù)據(jù)分類與編碼規(guī)范GB/T39468-2020陸地觀測衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)質量檢驗方法HJ630-2018環(huán)境監(jiān)測質量管理技術導則HJ1096-2020水污染遙感監(jiān)測技術導則HY/T147.5-2013海洋監(jiān)測技術規(guī)程第5部分：海洋遙感監(jiān)測DZ/T0266-2014區(qū)域生態(tài)地球化學評價規(guī)范（涉及遙感應用部分）HJ494水質采樣技術指導HJ897水質葉綠素a的測定分光光度法GB/T11901水質懸浮物的測定重量法國家環(huán)境保護標準《水質遙感反演模型驗證與精度評價技術規(guī)范（征求意見稿）》相關精神4術語和定義GB/T37926-2019、HJ1096-2020界定的術語和定義適用于本指南。下列術語和定義專為本指南界定，供使用時統(tǒng)一遵循。4.1水體遙感反射率指在水體表面上方，單位立體角內水體向上輻亮度與恰好不包含水體貢獻的向下總輻照度之比，是連接遙感器觀測信號與水體內在光學性質的核心表觀光學參數(shù)，是水質參數(shù)遙感反演的基礎數(shù)據(jù)源。4.2水質參數(shù)遙感反演基于遙感數(shù)據(jù)獲取的水體輻射信號，通過構建經(jīng)驗、半經(jīng)驗或分析模型，定量估算水體中特定物質（如懸浮顆粒物、葉綠素a、黃色物質等）濃度或相關光學參數(shù)的技術過程，是遙感監(jiān)測從定性識別到定量評估的核心環(huán)節(jié)。34.3污染水體遙感識別指數(shù)通過組合遙感影像特定波段反射率或衍生參數(shù)，構建的用于突出受污染水體光譜特征差異、抑制背景干擾的數(shù)值指標，可實現(xiàn)污染區(qū)域快速提取與分級識別，是突發(fā)污染事件應急監(jiān)測的核心技術工具。4.4異常水體像元在遙感影像上，光譜特征顯著偏離同一河流河段或鄰近清潔水體背景值的像元，其異常特征可能指示存在污染物排放、藻類水華暴發(fā)、底質裸露或其他水環(huán)境異常狀況，是污染隱患早期識別的關鍵靶點。5總體原則立足國家水生態(tài)環(huán)境保護戰(zhàn)略需求，應用遙感技術開展河流水體污染監(jiān)測工作，應嚴格遵循以下基本原則，確保監(jiān)測工作科學規(guī)范、高效實用、精準可靠。5.1科學性原則監(jiān)測方法選擇、模型構建與參數(shù)設置需具備堅實的物理基礎、光學理論支撐或充分的實證依據(jù)，確保技術路線科學合理，符合河流水體光學特性與污染演化規(guī)律。5.2規(guī)范性原則全技術流程嚴格遵循國家及行業(yè)相關標準規(guī)范，統(tǒng)一技術要求、操作流程與成果形式，確保監(jiān)測過程可追溯、監(jiān)測結果可比對、可驗證。5.3適用性原則結合監(jiān)測目標、河流水文水動力特征、污染類型、遙感數(shù)據(jù)可獲取性及成本效益等因素，科學選擇適宜的遙感數(shù)據(jù)源、技術方法與反演模型，確保監(jiān)測方案切實可行、符合實際需求。5.4協(xié)同性原則強化遙感監(jiān)測與地面實測數(shù)據(jù)的有機融合，充分利用地面數(shù)據(jù)開展模型率定、結果驗證與精度校正，構建“空天地”一體化監(jiān)測體系，全面提升監(jiān)測成果的可信度與精準度。5.5時效性原則充分發(fā)揮遙感數(shù)據(jù)快速獲取優(yōu)勢，建立高效的業(yè)務化處理流程，縮短數(shù)據(jù)處理與成果輸出周期，滿足污染快速識別、動態(tài)跟蹤及突發(fā)污染事件應急響應的時效需求。6工作流程4基于遙感技術的河流水體污染監(jiān)測工作應遵循標準化流程，整體分為監(jiān)測方案設計、遙感數(shù)據(jù)獲取與預處理、污染信息提取與反演、地面同步驗證、結果分析與報告編制五大核心環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)緊密銜接、閉環(huán)管理，具體流程如下：6.1監(jiān)測方案設計明確監(jiān)測目標（常規(guī)普查、重點監(jiān)控、應急響應等）、監(jiān)測范圍（精確至河流名稱、起止坐標及關鍵控制斷面）、監(jiān)測內容（污染范圍識別、水質參數(shù)反演等）與精度要求，結合實際需求制定科學可行的監(jiān)測方案，明確遙感數(shù)據(jù)源、技術方法、地面驗證布點及成果產(chǎn)出要求。6.2遙感數(shù)據(jù)獲取與預處理根據(jù)監(jiān)測方案選擇適配的遙感數(shù)據(jù)并完成采集，采集后需開展輻射定標、大氣校正、幾何校正等核心預處理工作，消除傳感器誤差、大氣干擾、光照與觀測幾何影響，獲取真實可靠的地表反射率或水體遙感反射率產(chǎn)品；同步完成影像裁剪、水體掩模提取等輔助處理，實現(xiàn)河流水體與陸地信息的有效分離。6.3污染信息提取與反演基于預處理后的遙感數(shù)據(jù)，采用污染識別指數(shù)法快速提取污染水體空間分布范圍，通過定量反演模型估算懸浮物、葉綠素a等關鍵水質參數(shù)濃度，形成污染空間分布與定量評估結果。6.4地面同步驗證在遙感影像過境±3小時內（水質穩(wěn)定期可適當放寬）開展地面同步采樣，記錄采樣點GPS坐標、水文氣象參數(shù)，按規(guī)范采集水樣并送資質實驗室分析，獲取實測水質數(shù)據(jù)，用于遙感反演結果的精度驗證與校正。6.5結果分析與報告編制對比分析遙感反演結果與地面實測數(shù)據(jù)，開展精度評估；結合GIS技術進行空間分析與制圖，系統(tǒng)梳理監(jiān)測結論，編制監(jiān)測報告，提出針對性的環(huán)境管理與決策建議。7技術要求7.1監(jiān)測方案設計監(jiān)測方案應立足國家及地方水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管需求，明確核心任務目標，區(qū)分宏觀污染普查、重點河段常態(tài)化監(jiān)控、突發(fā)污染事件應急響應等不同場景的監(jiān)測側重點。精準界定監(jiān)測地理范圍，明確河流名稱、起止經(jīng)緯度坐標、關鍵控制斷面及重點關注區(qū)域（如工業(yè)園區(qū)下游、排污口附近等）；科學確定監(jiān)測時間頻率，結合遙感數(shù)據(jù)重訪周期、河流汛期/枯水期變化規(guī)律及污染波動特征，合理設定監(jiān)測頻次5汛期加密監(jiān)測等）。根據(jù)監(jiān)測目標明確監(jiān)測內容，可包括污染水體空間范圍識別、關鍵水質參數(shù)（懸浮物、葉綠素a、有色可溶性有機物等）濃度反演、污染程度分級評估等。方案中需明確擬采用的遙感數(shù)據(jù)源（如Landsat8/9OLI、Sentinel-2MSI、GF-1/6WFV等）、反演模型與技術方法，同步制定地面驗證布點方案，明確驗證參數(shù)、采樣方法、分析標準及質量控制要求，確保方案具備較強的可操作性與針對性。7.2遙感數(shù)據(jù)選擇與獲取遙感數(shù)據(jù)選擇應遵循“適配性、經(jīng)濟性、時效性”原則，綜合考量空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率及數(shù)據(jù)成本，確保數(shù)據(jù)滿足監(jiān)測精度與時效需求。對于大江大河全域性污染普查，優(yōu)先選用空間分辨率優(yōu)于30米的多光譜數(shù)據(jù)，如Sentinel-2MSI（10米/20米分辨率）、Landsat8/9OLI（30米分辨率）等；對于重點河段、支流或排污口周邊的精細監(jiān)測，可選用空間分辨率優(yōu)于5米的商用衛(wèi)星數(shù)據(jù)（如WorldView系列）或航空高光譜數(shù)據(jù)，提升局部污染識別的精準度。針對葉綠素a、藻類等生物光學參數(shù)反演，應優(yōu)先選擇具備紅光、近紅外波段，且包含熒光峰或紅光吸收谷敏感波段的遙感數(shù)據(jù)；針對懸浮物等參數(shù)反演，重點關注可見光波段數(shù)據(jù)的適用性。時間維度上，優(yōu)先選擇無云或云覆蓋占比低于10%、太陽高度角適宜（30°-60°)、氣象條件穩(wěn)定的影像，避免陰雨、大風等天氣對監(jiān)測結果的干擾。數(shù)據(jù)獲取過程中，需完整記錄元數(shù)據(jù)信息（含傳感器類型、成像時間、軌道號、大氣狀況等），確保數(shù)據(jù)可追溯。7.3遙感數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理是保障污染信息提取與反演精度的核心前提，必須嚴格按照標準化流程開展，核心預處理步驟及要求如下：一是輻射定標，將影像數(shù)字量化值（DN值）轉換為具有物理意義的表觀輻亮度或反射率，消除傳感器本身的響應誤差，采用傳感器自帶的定標系數(shù)完成處理；二是大氣校正，消除大氣散射、吸收等干擾，獲取地物真實反射率或水體遙感反射率，針對水體監(jiān)測推薦采用黑暗像元法、基于輻射傳輸模型的6S/Modtran法等專用水體大氣校正算法，提升校正精度；三是幾何精校正，采用地面控制點法完成校正，確保影像地理坐標準確，平面位置誤差控制在1個像元以內，滿足空間分析與制圖需求。根據(jù)監(jiān)測工作需要，還需開展影像裁剪（按監(jiān)測范圍裁剪，剔除無關區(qū)域）、水體掩模提取（采用歸一化差異水體指數(shù)NDWI等方法，分離水體與陸地信息，剔除陸地像元干擾）、影像降噪等輔助預處理工作。預處理全過程需詳細記錄所采用的算法、參數(shù)設置、軟件工具（如ENVI、ERDAS等）及處理結果，確保預處理過程可追溯、可復現(xiàn)。7.4污染信息提取與水質參數(shù)反演污染水體快速識別以“高效、精準、全覆蓋”為目標，優(yōu)先采用成熟的污染識別指數(shù)結合閾值分割6法開展。針對富營養(yǎng)化、藻類水華等污染類型，可利用近紅外波段對藻類的高反射特性，采用歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）變體、藻類指數(shù)（AI）等開展信息提??；針對有機物污染、懸浮物污染等類型，結合污染水體與清潔水體在可見光波段的反射率差異，構建波段比值（如紅波段/綠波段）、波段組合等專屬識別指數(shù)，增強污染信號、抑制背景干擾。閾值分割是污染范圍提取的核心步驟，閾值確定需結合多方法驗證，可通過目視判讀、統(tǒng)計分析（Otsu法、均值-標準差法）或地面實測數(shù)據(jù)校準等方式確定最優(yōu)閾值,確保污染水體提取結果準確可靠。提取完成后，需對結果進行人工核查與修正，剔除誤提取像元，最終輸出污染水體空間分布范圍圖，明確污染區(qū)域的位置、面積及空間格局。水質參數(shù)定量反演需根據(jù)監(jiān)測參數(shù)類型、遙感數(shù)據(jù)源特性及區(qū)域水體光學特征，科學選擇反演模型，優(yōu)先選用經(jīng)過本地化驗證的成熟模型。經(jīng)驗模型（單波段模型、波段比值模型、三波段模型等）基于遙感反射率與地面實測濃度的統(tǒng)計關系構建，模型簡單、計算高效，適用于特定區(qū)域、特定時期的水質參數(shù)反演，需具備足夠數(shù)量（不少于30組）的地面實測數(shù)據(jù)用于模型率定與驗證；半分析模型基于水體光學理論，通過參數(shù)化經(jīng)驗關系平衡模型復雜性與普適性，適用于中尺度區(qū)域的水質反演；分析模型基于輻射傳輸理論，物理基礎堅實、普適性強，但模型復雜、對輸入?yún)?shù)要求高，適用于高精度監(jiān)測場景。反演過程中，需對模型輸入?yún)?shù)進行嚴格核查，剔除異常值；反演完成后，需結合地面實測數(shù)據(jù)開展精度驗證，確保反演結果滿足監(jiān)測精度要求。反演成果以專題圖形式呈現(xiàn)，明確水質參數(shù)濃度分級標準、空間分布特征，為污染程度評估提供定量依據(jù)。7.5地面同步觀測與驗證地面同步觀測與驗證是保障遙感監(jiān)測成果可靠性的關鍵環(huán)節(jié)，必須嚴格遵循國家相關標準規(guī)范開展。觀測時間需與遙感影像過境時間保持同步，時間窗口控制在±3小時內，若水體水質穩(wěn)定（如枯水期、無明顯排污干擾），可適當放寬至±24小時。采樣點布設需遵循“代表性、均勻性、梯度性”原則，覆蓋監(jiān)測河段從清潔到污染的完整濃度梯度，重點覆蓋污染高發(fā)區(qū)、排污口附近、關鍵控制斷面等區(qū)域，確保采樣點能全面反映監(jiān)測區(qū)域水質狀況。每個采樣點需精確記錄GPS坐標（精度至米級）、采樣時間、現(xiàn)場水文氣象參數(shù)（風速、光照、水溫、流量等），嚴格按照HJ494《水質采樣技術指導》規(guī)范采集水樣，做好采樣記錄與樣品保存。水樣需在24小時內送至具備CMA資質的實驗室，按照HJ897、GB/T11901等國家標準方法開展葉綠素a、懸浮物等參數(shù)的實驗室分析，獲取準確的實測濃度數(shù)據(jù)。驗證點數(shù)量需滿足統(tǒng)計學要求，每個監(jiān)測參數(shù)的有效驗證點對不少于30個，確保精度評估結果科學可靠。8質量控制7立足國家環(huán)境監(jiān)測質量管理體系要求，建立覆蓋遙感監(jiān)測全流程的質量控制機制，確保監(jiān)測工作各環(huán)節(jié)合規(guī)、監(jiān)測成果精準可靠。具體要求如下：8.1數(shù)據(jù)獲取階段嚴格核查遙感數(shù)據(jù)質量等級，優(yōu)先選擇云量少、無條帶噪聲、輻射精度高的數(shù)據(jù)，核實元數(shù)據(jù)信息的完整性與準確性。8.2地面采樣階段嚴格執(zhí)行采樣規(guī)范，做好現(xiàn)場空白樣、平行樣采集，確保樣品采集、保存、運輸全過程符合質量控制要求。8.3預處理階段對輻射定標、大氣校正結果進行合理性檢查，清潔水體反射率曲線需符合典型光譜特征；幾何校正后需開展精度驗證，確保平面位置誤差滿足要求；所有預處理步驟需記錄完整，可復現(xiàn)、可追溯。信息提取與反演階段，評估模型適用性，對反演結果進行異常值剔除與合理性分析，避免不合理結果輸出。8.4地面驗證階段實驗室分析需嚴格執(zhí)行質量控制程序，開展空白樣、平行樣、加標回收樣分析，確保實測數(shù)據(jù)準確無誤。8.5成果評估階段系統(tǒng)計算精度評價指標，定量反演結果需計算決定系數(shù)（R2)、均方根誤差（RMSE）、平均相對誤差（MRE），其中R2應不低于0.6，MRE應不超過20%；污染范圍識別結果需采用混淆矩陣計算總體精度、Kappa系數(shù)，總體精度應不低于85%，Kappa系數(shù)應不低于0.8。所有質量控制活動均需形成詳細記錄，納入監(jiān)測成果歸檔管理。9成果產(chǎn)出監(jiān)測成果產(chǎn)出需符合國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測成果管理要求，格式規(guī)范、內容完整、數(shù)據(jù)準確，能夠為環(huán)境管理決策提供清晰有效的技術支撐。成果體系主要包括：9.1技術報告作為核心成果，需詳細闡述監(jiān)測任務背景、戰(zhàn)略意義、監(jiān)測目標與范圍、技術路線、所用遙感數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)、全流程處理步驟、精度評價結果、主要監(jiān)測結論（污染分布特征、污染程度、變化趨勢等）及針對性的管理建議；報告編制需邏輯清晰、數(shù)據(jù)詳實、結論科學，滿足國家及地方環(huán)境監(jiān)管決策需求。89.2專題圖件需包含研究區(qū)域遙感影像底圖、污染水體空間分布圖、關鍵水質參數(shù)濃度空間分布專題圖、污染程度分級評價圖等核心圖件；所有圖件需符合制圖規(guī)范，包含圖名、比例尺、圖例、指北針、制圖單位、制圖日期等要素，坐標系統(tǒng)一采用CGCS2000國家大地坐標系，高程基準采用1985國家高程基準，確保圖件的規(guī)范性與通用性。9.3數(shù)據(jù)成果包括經(jīng)預處理的標準格式遙感影像數(shù)據(jù)、水質參數(shù)反演柵格數(shù)據(jù)、地面驗證點空間分布數(shù)據(jù)、實測水質數(shù)據(jù)表、模型參數(shù)文件及質量控制記錄等；數(shù)據(jù)格式需標準化，便于后續(xù)數(shù)據(jù)共享、二次分析與歸檔管理，涉及敏感區(qū)域的信息需嚴格遵循國家信息安全管理要求。10實施保障為確保本指南有效落地實施，支撐國家河流水體污染遙感監(jiān)測業(yè)務化開展，需從技術能力、軟硬件設施、質量管理、技術創(chuàng)新等方面構建全方位實施保障體系：10.1強化技術隊伍建設承擔監(jiān)測任務的機構需配備具備遙感技術、水環(huán)境科學、地理信息系統(tǒng)等專業(yè)背景的復合型技術人員，建立常態(tài)化培訓機制，定期開展標準規(guī)范、技術方法、軟件操作