内陆水体氮磷的鲁棒反演：消除卫星-实测匹配偏差并融入环境约束

《Journal of Water Process Engineering》：Robust retrieval of inland water nitrogen and phosphorus: De-biasing satellite-in situ matchups and integrating environmental constraints

　　泄漏控制的验证防止了TN/TP检索准确性的虚高。多源环境特征改善了营养盐检索性能。TP高值过滤和保形区间量化了模型不确定性。引言湖泊和水库是流域尺度供水、洪水调节、生态维护和区域环境安全的重要组成部分，但在城市化、农业非点源输入、点源排放和水文调节的共同压力下，富营养化和营养盐积累仍然是持续的管理挑战[1]。总氮（TN）和总磷（TP）是营养盐负荷、初级生产力限制和富营养化风险的核心指标，被广泛用于湖泊和水库的水质评估、污染控制和生态恢复。传统的现场采样和实验室分析可提供精确的浓度测量。然而，其空间覆盖范围、监测频率和时间同步性往往受站点分布和采样成本的制约，难以持续表征区域湖泊和水库组的TN/TP异质性[2]、[3]。卫星遥感提供了广覆盖、重复观测和长期历史档案，是内陆水质原位监测的重要补充。Sentinel-2 MSI提供相对较高的空间分辨率以及可见光、红边、近红外和短波红外波段，这些波段对水色分析很有用，已被应用于叶绿素a、浊度、悬浮物和某些与营养盐相关的指标[4]、[5]。然而，与叶绿素a、悬浮颗粒物和有色溶解有机物等光学活性成分不同，TN和TP不具有稳定且直接的谱吸收或散射特征，因此它们的检索通常依赖于与藻类、颗粒物、浊度、水体背景和流域输入的间接关系[6]、[7]。先前的研究表明，机器学习方法可以捕捉光谱与TN/TP在光学复杂内陆水体中的非线性关系，并且已在单个湖泊、水库或地方流域上报道了有前景的精度[2]、[8]、[9]、[10]。一些研究还引入了地理分区、多源环境变量或空间协变量，以改善复杂水况下的营养盐检索稳定性[2]、[11]。然而，区域湖泊和水库组在流域背景、水体形态、岸线复杂性、水动力过程和污染源方面存在显著差异，因此仅基于光谱特征的统一模型可能会混淆不同的机制并高估真实的泛化能力。卫星-原位配对策略是另一个影响水质检索可信度的关键因素。卫星图像记录的是过境时刻的水面状态，而水质测量可能在不同采样时间、站点和空间代表性尺度上收集。时间窗口和空间窗口的选择直接影响样本量、配对误差和模型评估[12]、[13]。然而，许多研究仍使用固定配对窗口或普通随机验证，很少有研究明确评估在多个水质记录重复使用相同的遥感观测时所产生的潜在训练-测试泄漏，特别是在自动监测和多窗口配对设置中[14]、[15]。针对这些问题，本研究使用2021–2024年湖泊和水库水质观测数据、Sentinel-2地表反射率影像和ERA5气象数据，为长江流域构建了一个多时相多空间配对框架。通过站点、Sentinel-2北京时间过境时间和空间窗口定义的rs_key，防止相同的遥感观测在训练和测试之间被重复使用。研究目标是量化行随机划分的完整泄漏矩阵；评估与成功配对相关的选择偏差；在相同的分组划分下比较预设的特征组和五个模型族；并区分内部rs_key分组性能与跨湖和跨年份迁移能力。我们还评估了残差诊断与时间不匹配、水体支撑、云污染、空间异质性和水文气象的关联。这些分析旨在阐明验证和适用性边界，而不是声称从坐标或其他上下文协变量中直接推导出物理检索机制。研究区域长江流域（北纬24度30分至35度45分，东经90度33分至122度25分），面积约180万平方公里，是中国乃至亚洲最大的河流流域，为评估基于卫星的水质检索提供了异质性环境。该流域从高海拔源头地区延伸到人口稠密的低地，导致地形、气候、水文和人为干扰的显著变异[16]。全流域清册配对数据特征和窗口效应较宽的时间窗口增加了成功配对的记录，但完整的分析表明可用记录仍然是水质质量控制人群的一个受限子集。≤1小时加1像素范围产生了1016/169,392条记录（0.599792%；95% CI 0.564–0.638%），而≤24小时加1像素产生了25,721/169,392条记录（15.184306%；95% CI 15.014–15.356%）。在≤1小时时，配对与未配对记录的log1p标准化均值差分别为TN的?0.115和TP的?0.140；在≤24小时时，则……基本光谱模型性能有限及其含义在分组验证下，F1光谱/月度模型提供的内部预测能力有限，这与营养盐浓度和水反射率之间的间接关系一致。配对划分消融实验表明，F2坐标为TN贡献了最大的内部增益。这不应被解释为物理机制：坐标作为空间背景先验，可以编码训练数据中代表的浓度范围和环境上下文。……结论本研究建立了一个泄漏控制的评估框架，用于在长江流域湖泊和水库中利用Sentinel-2/ERA5估计TN和TP。完整的行随机泄漏矩阵表明，根据时空配对窗口，重复的卫星观测可在4.1–97.2%的测试行中被重复使用，因此rs_key分组对于内部验证是至关重要的。配对划分消融实验表明，空间背景坐标在……中显著改善了TN的性能。贡献声明王西华：撰写初稿、监督指导、资源、资金获取。朱星宇：撰写初稿、验证、软件、方法论、形式分析、概念设计。许玉军：撰写-审阅和编辑。冯永玖：形式分析、概念设计。黄蓉：形式分析、概念设计。石辰意：软件、方法论。罗程明：软件、方法论。毛博扬：软件、方法论。贾顺清：软件、方法论。吕沁亚：软件。……利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。致谢本研究由中央高校基本科研业务费和上海市海外高层次人才计划及上海市领军人才（海外）计划资助。王西华|朱星宇|许玉军|冯永玖|黄蓉|石辰意|罗程明|毛博扬|贾顺清|吕沁亚|刘泽君|季旭明|戴岩|容雁欣