以2013—2014年多时相GF-1 WFI 16 m空间分辨率遥感数据为基础，我们利用半变异分析方法，分别研究了我国近岸/内陆典型水环境要素空间变化尺度。图5-3分别给出了鄱阳湖、太湖、渤海湾、长江口、珠江口和南海海域的空间尺度分布图。

首先，近岸/内陆水体与外海水体存在典型的空间尺度的差异，近岸/内陆水体的空间变异尺度平均在150 m以下，而外海由于其水环境要素空间变化相对稳定，因此空间尺度变化在300 m以上。类似的空间特征在近岸区域具有明显的空间分布差异，以渤海湾、长江口和珠江口为例，靠近陆地、河流入流的区域往往表现出较高的空间动态变化特征，因此需要更高的空间分辨率对其进行监测。

图5-3　我国近岸/内陆水环境典型空间变异尺度(range)分布图(单位:m)

其次，对于不同的近岸/内陆水体，由于各自的水体组分、光学特性、外界影响因素的不同，其空间变异尺度也表现出较明显的区域化特性。其中，鄱阳湖的平均空间尺度约为80 m，太湖为140 m，渤海湾为100 m，长江口为100 m，珠江口160 m。并且，鄱阳湖五河入流处、长江口入流处均表现出较低的空间变异尺度。由于传统的水色传感器如MODIS，其可用于近岸/内陆水环境监测的影像数据的空间分辨率为250 m，远低于这些区域自身的空间变异尺度，因此，传统的水色传感器数据在近岸/内陆水环境监测中虽然发挥了长时序、大范围监测的优势，但是由于空间分辨能力的不足，同时引起了对于空间变异信息的解析能力的不足。

图5-4给出了各区域的块金值(nugget)空间分布图，表示了在当前空间尺度下，由于小于该空间分辨率(GF-1 WFI 16 m)的水环境变异引起的无法被解析的空间动态变化信息。因此，图5-4的结果表明，近岸/内陆水体存在较大程度的空间动态信息，在16 m高空间分辨率遥感数据的基础上，平均仍有15 %~20 %的小空间尺度变化信息，而南海水域的平均块金值约为5%。同时各近岸/内陆水体表现出河口入流处，人为活动较活跃的区域(如鄱阳湖采砂区)的高空间动态特征。虽然本研究的初步结果认为传统的水色传感器的空间解析能力不足，但是并不影响其对近岸/内陆水环境整体时空动态和趋势的监测能力。高空间分辨率遥感数据可以更详尽地获取高空间动态的变化信息，对于理解区域性的水环境时空动态过程更有益，而MODIS等水色传感器的优势更在于全球海洋环境的大尺度时空动态监测。

图5-4　我国近岸/内陆水环境典型空间解析度(nugget)分布图

以GF-1 WFI 16 m高空间分辨率数据为基础，通过逐级递减分辨率的方法，获取了相同研究区域30 m、100 m、250 m空间分辨率的多尺度遥感数据，并分别采用半变异函数分析方法，获取了不同空间尺度遥感影像对水环境监测能力的结果，如图5-5所示。为了分析空间尺度变化对不同类型水体的定量分析能力，进一步分别选取了高浑浊水体和低浑浊水体区域进行对比分析。拟合后的半变异模型显示，高浑浊水体相对于低浑浊水体具有更高的块金值(未被解析的变量部分)，以及更高的变异函数(总的空间变异信息)。同时，随着空间分辨率的降低，高低浑浊水体均表现出块金值逐渐增大的趋势。表5-1总结了空间尺度变化对两种典型水体的定量监测能力的影响，其结果也与上述的分析结果一致。

图5-5　典型水环境空间尺度变异特征(空心圆点:低浑浊水体经验半变异值；空心矩形:高浑浊水体经验(www.daowen.com)

半变异值；蓝色实线:低浑浊水体拟合半变异函数，黄色实线:高浑浊水体拟合半变异函数)

表5-1　空间尺度变化对空间信息解析能力的影响分析

为了进一步论证上述空间尺度分析的合理性，本研究同时采用了基于影像等效噪声反射率的统计方法。该方法的理论基础是:水色传感器对地表要素变化的监测能力受到传感器自身噪声的影响，当地表要素自身的变化水平低于传感器的噪声水平时，则无法获取地表信息变化的有效信号。传感器的噪声水平可以通过信噪比或者等效噪声反射率来表征。本书在第五章中分析了GF-1 WFI的传感器信噪比和等效噪声反射率。在16 m遥感数据的基础上，通过不断空间聚合的方法降低空间分辨率(如2×2降低到16×16)，随着空间分辨率的降低，由于像元内不均一变化引起的空间方差会逐渐增大。当某一空间尺度下空间方差小于传感器噪声水平时，可以认为空间变化信息是无法被传感器有效监测的，即是可以忽略的空间变异。只有当空间方差大于传感器自身噪声水平时，才可以被有效捕捉到其空间动态变化。因此，当空间尺度不断降低直到与噪声一致的水平时，即被认为该尺度是统计上的最低空间尺度需求。

图5-6显示了空间尺度变化与空间方差变化的直方图统计结果，其中黑色竖线表征了传感器的等效噪声反射率(红光波段:0.0006 sr-1)，横坐标为空间方差。空间聚合尺度为从2×2到16×16，代表了空间分辨率由32 m降低到256 m时。空间分辨率的降低引起了更高的像元内变异水平，80%左右的空间变异可以在2×2(32 m)的空间尺度上被解析，当空间分辨率降低到256 m时，整体被有效解析的空间变异信息降低到55 %。通过这种方法获取了不同类型水体剖面的空间尺度需求，如图5-7所示。对于河口、高度浑浊水体、采砂区等区域的水环境监测，其最优空间尺度为50~100 m；而低浑浊或者相对清洁稳定水体区域，其空间尺度约为350 m以上。该结果与基于半变异函数分析方法的结果基本一致，也互相印证了本研究结果的可行性。

图5-6　空间分辨率降低对空间信息解析能力的影响分析

图5-7　不同类型水体水环境遥感监测对空间分辨率的需求

我们利用多景GF-1 WFI 16 m高空间分辨率遥感数据，分析了我国近岸/内陆水体多个典型区域的水环境变化空间尺度特征。结果表明，不同区域、不同类型的水体，其空间尺度变化也存在着较大的区域性差异，对最优空间尺度的需求也多高于目前常用的水色传感器如MODIS，MERIS，GOCI等的空间分辨率。考虑到目前常用的水色卫星的数据和产品的多尺度特性，定量化描述尺度差异对水色遥感数据和产品的影响是本研究的一个重点之一。