水体监测遥感的原理与应用

1、水体监测遥感的原理与应用摘要：如今，遥感技术日渐成熟，应用领域也越加广泛，诸如航天，航空，航海，资源监测， 地形地貌勘探等等方面都充分利用了遥感技术。而随着科技的发展，我们的环境尤其是水体 环境受到了严重的负面影响，现在利用更高科技进行水质监测的计划已经启动，所以有必要 对水体检测遥感做一些具体的分析，来加深对遥感的认识。本文将简明的阐述水体遥感的基 本原理，并以步鲁卢斯湖为例较为具体的叙述水体遥感的全过程，以求今后可以更好地了解 和利用这一先进技术。正文：一.水体遥感基本原理与大多数遥感类似，水体遥感也是利用发射源发射出一定波长和频率的电磁波，利用一 定的接收装置接收水中或表面物体吸收，折射

2、或反射的电磁波，而后进行定性或定量分析的 过程。图1中表示的便是遥感的全过程。可以发现，遥感全过程中，电磁波起到了关键性的 作用。TtJ日描赠9i皿波.波 长J 一 一一 一X射雄1小于】()r pmlO-IQ-3 pm10队口踮g可地光0?6 pm&施ft红Or43 jrnQ, 430,47Ch 47 由 50 jpm0. 50 thjjm0M占 立 59s59*0- 62 pn 0 62 队 76 ptti坟外波段g 邛1近灯外疝外屈远红外0. 763 “ni3$ pm6 15 pm 151 0Q0 jjmn微1 mm1 m无城噌被1.电磁波的选择:1表一聊1 id m1G3 000 m

3、大于3 000 Eft图1现代遥感中广泛应用的电磁波有：紫外线，可见光，红外线，微波及多光谱（红外与可 见之间的细分后的波段）。我们需要根据不同波段的特点及需求选择不同的电磁波。例如紫 外光的波长在0.01-0.4 m之间，且具有较强的荧光性，大部分地物对此波段反差较小，仅 部分地物（如石油）可在此波段表现出来，故可将紫外线用于石油勘测等方面。又如波长在 0.76p m-1mm之间的红外线，它的波段宽，在此波段，地物间不同的反射特性和发射特性都 可以很好地表现出来，所以红外线被广泛应用与成像的遥感。本文讨论的水体监测利用的正 是红外遥感。表一中还列举了其他电磁波的波长，我们可以充分利用不同波的

4、特性进行不同 的探测，这里便不再一一列举了。2. 电磁辐射；a.物体的发射辐射；温度高于0K的任何物体都具有发射电磁波的能力，而物体的电磁波发射能力主要与温 度有关按照普朗克用量子理论的推导，波谱辐射的通量密度M （单位面积上所接受的辐射能 量）与温度的关系如下：”5(4)XckT r/式中M波谱辐射通量密度；入波长；h普朗克常数；c光速；k玻尔兹曼常数；T绝对温度。由上式可以画出波谱辐射曲线（波谱辐射通量密度与温度和波长的关系），如图2所示:我们不难发现：与图中曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W为随温度的增加而迅速增加；波谱辐射能量密度的峰值波长入max随温度的增加向短波方向移动；每条曲线

5、彼此互不相交，温度T越高，所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。于是，利用这三条非常好的性质，在进行水体遥感的时候，我们可以通过改变温度并跟 踪监测不同区域甚至是不同的两点的最大波谱辐射通量密度也即辐射能，来得到物体发射电 磁波的波长，而后综合利用以上获得的数据和不同物体发射的波长特性进行定性定量分析， 以期得到精确的检测结果。b.地物的反射辐射很容易理解的一点是:入射到物体表面的电磁波与物体之间将主要发生三种作用：反射， 吸收和透射，显然，不同地物对电磁波的反射，吸收和透射的能力是不同的，即物体有反射 波谱特性，所以在遥感中可以根据物体反射的电磁波的情况，来判断物体的信息。常见的反射大致有两种

6、：镜面反射和漫反射。I镜面反射：镜面反射的电磁波的反射角等于入射角，电磁波的能量主要都集中在反射线上，如图3 (a)所示。对不透明的物体，物体吸收的能量就等于入射总能量减去反射总能量，因而， 我们可以在海洋监测中，利用一些物体的镜面反射特性，分析出该物体吸收的能量，进而判 断该物体是否是我们要检测的水体污染物。图3II漫反射：这是比镜面反射更加一般的反射类型，这种反射在各个反射线上都有能量分布，如图3 (b)所示，且近似相等，故无论从哪个方向看去，物体表面亮度都相同且有：_ dldA cos 3式中L辐射亮度；e测量方向与法线夹角；A物体表面积；I辐射强度。所以在用a和bI中的方式确定了水体污

7、染物类型后，我们便可以根据上式来判断污染 面积，可以看出在已知不同物质在不同强度电磁辐射下的亮度后，我们便可以将测得的数据 和已知对比，而后测出物质的表面积。二.应用于水体监测的遥感这一部分将以发表在 “Journal of American Science” 上的“Mapping water quality of Burullus Lagoon using remote sensing and geographic information syste” 为主， 来阐释遥感是如何具体的应用于水体监测上的(对其他水体的监测情况与此类似)。一般说来，正常的水体有其固定的反射，折射和透射电磁波的强度

8、，而一些混浊物，藻 类和其他的富营养物质具有不同于水体的电磁辐射强度，因此当水中混合了这些物质之后就 会改变水表面对电磁的反射强度，而这改变了的强度就能被遥感仪器探测到。对步鲁卢斯湖 的水体监测正是利用了这一原理。步鲁卢斯湖被18处遥感监测站覆盖，每个监测站都配有GPS定位系统，水深探测系统， TDS安全监测系统和水温监测装置。监测站通过这些装置对河段进行遥感，获得北侧水域的 水温，水深，水体表面特征然后进行实验分析。在整个过程中上述三个方面即混浊物，藻类 和富营养物质是分析重点，我们利用所得数据在遥感成像仪器中与标准数据对比，而后自动 生成所测水域的状态图和状态表。获得水体表征图像后，我们的

9、工作重点便转向对图像和表格的综合分析。在这分析过程 中，我们主要应用的便是一中叙述的电磁原理，经过分析，我们得到了不同区域对应的不同 亮度和色彩的图像，并且充分利用对多组数值的矩阵分析和回归分析。而后产生了实际参数 与水质参数的比值，进而我们便确定了水体污染的程度。最后一步是将GIS所获得的各参数 遵循电磁辐射原理填入各个被测区段，对于每个参数，还要在空间分析的基础上应用插值和 表面分析方法产生等高线图，而后具有研究价值的水体物质分布图便生成了。下表为上述研究所得到的数据：N-NH3 ppmDRP ppmPb ppmCu ppmCd ppmChl o (a) mg.lTmb.NTUIDS, p

10、pmD O., mg.lTemp.CDepth, m0.3000.0855-0.2040.1110.429*0.0333-0.0431-0.0859-0.206-0.633*O.UO*Bl0.382*0.0137-0.04840.1900.361*-0-0858-0.208Cl.204-0.12S-0.443*0.200B20.363*0.0271-0.2140.1S60.489*0.07120.01820.0671-0.283-0406*0.315B30.164-0.184-0.323-0.209-0.01740.2990.06S4-0.2230.240-0.631*0.354*B4-0-0

11、0250.149-0.3330.2580.453*0.551*0346-0.187-0.2020.06340.214B50.06110.1-0.3890.2760.320*0.516*0.335-0.132-0279-0.0110.280B70.3350.0947-0.1440.1520.447*0.00143-O.OS140.022.2-0.205-0.532*0.364*B1；B20.3110.113-0.1870.1360.465*0.0474-0.00937-0.00128-0.246-0.512*0383*BL塑0.08850.3130.03910345*0.652*0.2500.2

12、49-0.0637-0.287*0.1760.122B1/B4-0.0258-0.2770.0962-0.0184-0.422*-0.173-0.2430.2400.2S3x0.450*-0.520*0354*-0.04040.2150.1690.131-0.296-0.506*0.365*0.132-0.382*0.0129-0.0565-0.238-00659-0.0295-0.320-0.0209-0.01650.1860.1240.531*-0.45*B3/B10.2630.122-0.370*0.1520.564*0.2510.2S5-0.0549jO.437*-0.2710390*

13、B3/B20.205-0.076S-0.03360.03620 0269-0.418*-0.2360.302-0.2250双-0.0039B3/B4-0.1320.102-0.1550.1040.2810.64S*0.42*-0.2570.06090.1:50.132B4-B2-0.1200.0732-0.1110.1090.2520.626*0.413*-0.2530.1150.1610.094B4-B30.2390.0585-0.461*0.2550.518*0.3260.1970.0319-0.344*-0.1850.259B7/B5表二(* 误差0.05, *误差0.01, *误差0.

14、001.)以下各图为遥感分析后所得的步鲁卢斯湖的污染情况图:|伽.伽叶绿素（水藻）分布状态图混浊物分布状态图N (营养物质)分布状态图水温状态图图中不同区域不同的颜色是根据一中所述的原理而得到的，例如在混浊物分布状态图中 某一区域的颜色就代表了该区域的波谱辐射通量密度，而不同的波谱辐射通量密度对应了不 同的物质或者同种物质的不同密度状态，至于图中某一颜色区域面积的确定则是由反射的电 磁波的强度，波长相似度来确定的。综合一二所述内容便是完整的水体监测遥感的原理和基本过程。展望：正如文章摘要中所述，我们需要深入的了解遥感这项新兴技术，而且我们更需要不断的 去探索这项技术。在水体监测中，我们是否可以继续提高成像的分辨率，是否可以更加细化 波谱分布，是否可以用更精确的仪器去分析实际的数据？我想这些问题都应该给予肯定地回di答。我想：今后我们需要探索出更容易定量分析的方式。而不是像式二= 7dA cos p所给出的用亮度这样一个难以定量的物理量来测定水体污染的区域面积，总之，今后的遥感 将会也应该向着更加精确的方向发展。参考文献：遥感原理与应用