近日，我室与上海交通大学联合培养的博士生王正祎以第一作者在期刊Remote sensing上发表了题为“Observations of the Impacts of Hong Kong International Airport on Water Quality from 1986 to 2022 Using Landsat Satellite”的研究论文，我室毛志华研究员为通讯作者，合作者包括浙江大学张龙威博士、中科院上海技术物理研究所张贤良博士、上海交通大学袁大鹏博士、南京大学李由之博士、海南师范大学吴忠强副教授以及我室黄海清高级工程师、朱乾坤正高级工程师。

随着人口的增加，社会现代化进程正在不可预测地加速，人多地少的矛盾日益突出，因此，为解决可用土地短缺的问题，近海区域人类填海工程日益增多，这不可避免地对周边的水质和海洋环境产生了深远的影响。香港国际机场是中国十分重要的海上机场，也是世界上最繁忙的机场之一，其客运量位居全球第5位，货运量位居全球第1位。本研究利用117 景Landsat-5 TM和 44 景Landsat-8 OLI卫星影像对香港国际机场填海工程进行了卫星观测，并将其分为三个阶段:(1)1992至1995年第一和第二条跑道建设;(2) 2013至2016年香港口岸建设;(3) 2017 至2020年第三条跑道建设（图1）。

图1香港国际机场三阶段填海工程建设的卫星观测

为了评估香港国际机场对周边水环境的影响，本研究将共计161景的卫星影像与实测水质数据进行时空匹配，并基于机器学习理论，利用BPNN神经网络对Landsat-5 TM和 Landsat-8 OLI两个卫星传感器分别建立了悬浮泥沙（SPM）、正磷酸盐（PO₄P）、溶解无机氮（DIN）反演算法。对于Landsat-5 TM（图2），SPM、PO4P和DIN算法的R值分别为0.8、0.8和0.84，RMSE值分别为±10.72 mg/L、±0.09 mg/L和±0.82 mg/L；对于Landsat-8 OLI（图3），SPM、PO₄P和DIN算法的R值分别为0.91、0.95和0.94，RMSE值分别为±9.06 mg/L、±0.02 mg/L和±0.35 mg/L。相关参数表明在该地区建立的遥感反演算法精度良好，这也表明了BPNN等机器学习方法在建立近岸水体遥感算法方面具有高适用性。

图2 Landsat-5 TM的原位值与反演值之间的相关性（a）SPM;（b）PO₄P;（c）DIN。

图3 Landsat-8 OLI的原位值与反演值之间的相关性（a）SPM;（b）PO₄P;（c）DIN。

基于对两个卫星传感器建立的水质参数遥感反演算法，本研究反演了1986至2022年香港国际机场附近水域的SPM、PO₄P和DIN浓度，图4展示了SPM的空间分布。通过结合遥感反演结果和实测数据进行分析，本研究发现在填海工程建设期间，施工区域的SPM会剧烈升高至40–50 mg/L，PO4P和DIN浓度也会有相应的升高。为了评估香港机场建设对水环境的影响，本研究计算了海湾内部水体、屯门河输入、海湾西侧外部水体水质参数之间的偏离系数，结果表明由于香港机场的建设，东涌河的输入大大减弱，屯门河的输入对海湾内部水体的影响逐渐增强，两者的SPM偏离系数由0.82降至0.18；而由于填海工程的扩张，海湾西侧外部输运受到的拦截作用越来越明显，海湾内部与外部水体的SPM偏离系数由0.09升至0.78。本研究对香港国际机场填海工程建设进行了卫星观测，基于神经网络建立了近岸水体水质反演算法并对反演结果进行了深入的分析，这为评估大型海上交通工程对周边水环境的影响提供了一种新的研究思路，为香港周边水环境的保护和利用提供了科学依据。

图4 1986至2022年香港国际机场附近水域SPM浓度的空间分布

本研究得到了国家自然科学基金项目(61991454)、国家科技专项高分辨率地球观测系统重大专项(05-Y30B01-9001-19/20-2)和国家重点研发计划(2016YFC1400901)的资助。

论文引用：

Zhengyi Wang, Zhihua Mao*, Longwei Zhang, Xianliang Zhang, Dapeng Yuan, Youzhi Li, Zhongqiang Wu, Haiqing Huang, and Qiankun Zhu. "Observations of the Impacts of Hong Kong International Airport on Water Quality from 1986 to 2022 Using Landsat Satellite." Remote Sensing 15, no. 12 (2023). https://dx.doi.org/10.3390/rs15123146.