2022年水环境遥感

1、第二章 水环境遥感遥感地学分析授课人：卢晓宁 Chengdu University of Information Technology成都信息工程学院E-mail：主要内容2水体的光谱特征3水资源遥感4水污染遥感1水环境概述2水环境是由地球表层水圈所构成的环境，它包括在一定时间内水的数量、空间分布、运动状态、化学组成、生物种群和水体的物理性质。水环境是一个开放系统，它与土壤岩石圈、大气圈、生物圈乃至宇宙空间之间存在着物质和能量的交换关系。2.1 水环境概述3水环境遥感监测多是对地表各种水体进行空间识别、定位、及定量计算面积、体积或模拟水体动态变化。随着遥感基础研究的进展，对水体本身的光谱特性有

2、了深入研究，同时进行许多水质光谱数据测试。对水体的遥测也转换到水体属性特征参数的定量测定，如水深的控制、悬浮泥沙浓度的测定、和叶绿素含量的测定，以及污染状况的监测等。2.1 水环境概述4水中溶解固体-天然水中八大离子：Cl-，SO4-，HCO3-，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，总量占水中溶解固体的95%以上。海水以Na+ 、 Cl- 占优势河水以Ca2+ 、HCO3-占优势。2.1 水环境概述-物质组成15水中微量元素-溴、碘、铜、钴、镍、氟、铁等。河水中，绝大多数微量元素集中在悬浮物中，锰、钍、铅比海水高几十倍海水中，以溶解态形式存在，悬浮态的要比溶解态的低数百倍到数千倍，甚至铬、铅也主

3、要呈溶解态，溴比河水高数千倍，硼比河水高数百倍，锶、碘、氟、锂高几十倍。河水进入海洋，微量元素溶解性发生本质上的分配，微量元素的浓度和比例都发生变化。2.1 水环境概述-物质组成16物理性质温度水温随季节变化，但月均温低于大气月均温，且各部分温差不大。臭与味水中臭与味主要来源于水生动植物或微生物的繁殖与衰亡。颜色和色度有机物分解导致水中颜色浑浊度水中悬浮物和胶体物质对透水光线的阻碍程度，由泥沙、黏土、有机物导致悬浮物质主要来自水体所在区域地表电导率各种无机盐离子使水具有电导率，天然水电导率低，污染水电导率高溶解气体溶解氧（DO）2.1 水环境概述-理化性质27化学性质天然水是众多元素和化合物的

4、混合液天然水体是一个复杂的氧化还原系统有利于天然水体的自净过程和元素的迁移转化，但也会产生一些有害的效应天然水体是一个复杂的缓冲溶液系统对外来酸碱类物质有一定的抵御能力，使天然水PH值保持相对稳定对保护水生生物的生长繁殖极为有利2.1 水环境概述-理化性质28水体河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称。环境学领域把水体当作包括水中的悬浮物、溶解物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完整的综合自然体。按区域水体指某一具体的被水覆盖的地段，如太湖、洞庭湖等。按类型陆地水体和海洋水体。2.1 水环境概述-水体污染39水污染分类感官性污染-混浊需氧物质污染-生活污水、食品加工和造纸工业排放的污染导

5、致水难闻无机污染-酸、碱、无机盐类的污染植物营养物质污染-富含氮、磷的废水有毒化学物质污染-农药、重金属油污染-石油、工业废水病原体污染-医院、畜禽饲养场污水放射性污染-核工业，核电站热污染-热电厂的高温废水2.1 水环境概述-水体污染310在可见光波段0.6um之前，水的吸收少、反射率较低、大量透射。其中水面反射率约5%左右，并随着太阳高度角的变化呈3%-10%不等的变化；水中可见光反射包含水表面反射、水体底部物质反射及水中悬浮物质的反射3方面的贡献。2.2水环境遥感物理机理11对于清水（H2O），无任何溶解或悬浮物质：浅层表现为无色，水深为浅蓝色。反射波谱从可见光到近红外波段呈递减的趋势：

6、2.2水环境遥感物理机理1）水的光谱特征由水本身物质组成决定，又受各种水状态影响。在蓝-绿光波段反射率4%-5%，0.6um以下的红光部分反射率降到2%-3%，近红外部分几乎吸收全部的入射能量，因此水体在这两个波段的反射能量很小。在热红外，晚上比陆地地物亮，白天则相反。在微波雷达中回波强度因镜面反射而很小。122.2水环境遥感物理机理对于自然水体，反射波谱受水自身光学特性影响外，还受水体内组分，如浮游生物、叶绿素、泥沙及其他物质的影响，这些不同组分浓度的增加，往往使水体反射率升高。含泥沙的浑浊水体在可见光-近红外整体反射率增加，在红光附近出现反射峰，且增长幅度随悬浮泥沙的浓度与粒径而增加。随泥

7、沙含量增加，峰值波长向长波方向移动，但因其在0.93um处存在近红外的强吸收，峰值波长位置不越过该值。因此，0.6m0.7m左右是定量分析悬浮泥沙的最佳波段之一。13近年我国部分水域遭受不同程度的污染，其中最普遍的是水体富营养化，促使藻类等水生生物大量繁殖。水生生物体中的叶绿素与藻胆素等会改变纯水在近红外波段的强吸收性，使曲线多少显示出近红外的“陡坡”效应（图），其程度则取决于水生生物量的多寡。由此提供了遥感监测海洋赤潮和湖泊富营养化暴发水华的依据。2.2 水体的光谱特征14水体清澈时，对短波的散射能力强，水体影像呈蓝色；水体混浊时，影像呈绿色或黄绿色。水面的反射波谱主要受如下因素决定：纯水及

8、浮游生物或叶绿素、悬浮物、黄色物质等水中组分的光学特性；浅水、清澈水体底质光学特性；日照角度与观测角度；水面的入射辐射；水表面粗糙度；气-水界面的相对折射率。2.2 水环境遥感物理机理受水体光谱特征的影响，水体的影像特征表现为：15就是指它们的吸收和散射特性。对水体的反射波谱影响最大的组分：纯水-含水分子自身及一些可溶性盐无其他物质浮游植物-水表层普遍存在的、微小的、自由漂浮的有机体。悬浮物-包含所有浮游植物组分没有包含的无机质，如泥沙、盐类。黄色物质-有色可溶性的有机物质，是一种由腐殖质和棕黄酸构成的有机溶解物质，也包括吸收性与黄色物质非常接近的一些岩屑物质。2.2 水环境遥感物理机理2）水

9、体及其组分的光学特性16就是指含水分子自身及一些可溶性盐无其他物质。吸收系数：水体的吸收能量与入射能量的比值。纯水光谱吸收特性：可见光区，蓝光透射率最大，红光衰减最强；与散射比较，纯水对光的衰减主要由吸收引起。红外光谱区，相对于吸收而言，散射影响可以忽略。由于选择性吸收效应，纯水在750-760nm处吸收达到最大，在其它波段存在若干窄的吸收带。2.2 水环境遥感物理机理（1）纯水的吸收和散射特性17散射系数：辐射通过介质时散射所造成的衰减部分占总入射辐射的比例。纯水光谱散射特性：纯水对光的散射源于水分子密度的涨落和极性水分子的取向的不均一性。纯水分子间的相互作用远远大于空气分子间的相互作用；纯

10、水的散射系数与波长的-4.32次方成正比。2.2 水环境遥感物理机理（1）纯水的吸收和散射特性18指水表层普遍存在的、微小的、自由漂浮的有机体。是水体中食物网的基础，对全球的碳循环起重要作用。水生环境中的浮游植物有成千上万种，有不同大小、形状和生理特征，并且其种类、浓度随空间和时间的变化而变化。2.2 水环境遥感物理机理（2）浮游植物的吸收和散射特性19叶绿素a是浮游植物的主要色素来源，其浓度常被用作浮游植物浓度的一个指标。浮游植物的典型吸收和散射系数都是通过叶绿素a浓度和比吸收系数来估算。比吸收系数是单位浓度的吸收系数，即一定体积水体叶绿素吸收系数与叶绿素a浓度的比值。公式如下： achl=

11、Cchl*achlachl为叶绿素吸收系数（m2/mg），Cchl为叶绿素浓度（m3/mg），achl为叶绿素比吸收系数（m-1）。浮游植物典型吸收系数值在一个宽的范围里，且依赖于藻类类型及生长状态，故随时间和空间变化。2.2 水环境遥感物理机理（2）浮游植物的吸收和散射特性20浮游植物散射光谱特征和叶绿素的光谱特征相似。可见光及近红外波段范围，随浮游植物的含量增加，水体反射率增加；且随浮游植物浓度的增大，反射峰值位置向长波方向移动。在550nm附近有一反射峰，在685nm附近有明显的荧光峰。2.2 水环境遥感物理机理（2）浮游植物的吸收和散射特性21指包含有所有浮游植物组分没有包含的无机质。

12、自然因素和人类活动造成的水土流失、河流侵蚀，带入大量的泥沙进入河、湖和海，成为水体中悬浮物的重要来源。吸收特性：随水中悬浮物浓度增加，水在可见光的反射亮度增加，且峰值波长向长波方向移动，且反射峰形态本身变的更宽。散射特性：入水的透射光，对较小的悬浮物颗粒发生瑞利散射，其峰值位于蓝波段；对较大悬浮物颗粒产生米氏散射。2.2 水环境遥感物理机理（3）悬浮物的吸收和散射特性22指有色可溶性有机物质，是一种有腐殖质和棕黄酸构成的有机溶解物质，也包括吸收特性与黄色物质非常接近的一些岩屑物质。它可能具有地源性，如来源于浮游植物的退化物质或其他有机微粒，也可能由水流从很远的地方输送而来，如河流经茂密的树林地

13、区，流经富含有机质的土壤，沿途积累了大量的黄色物质。对于水体而言，经较长距离积累的黄色物质的浓度要比当地水体自身产生的黄色物质的浓度要高的多。2.2 水环境遥感物理机理（4）黄色物质的吸收和散射特性23吸收特性：黄色物质吸收光谱可表示成指数形式： aCDOM()= aCDOM(0)exp(-S(0- )式中， 0为参考波长，S为经验系数。 一般情况，取0=440nm；在开阔水域，考虑到信噪比和自然水体中黄色物质对紫外光的消减，可考虑用350nm或更短的波长。对黄色物质和浮游植物色素吸收的研究，常采用440nm，这是由于黄色物质和浮游植物色素在蓝光处吸收产生重叠的原因。2.2 水环境遥感物理机理

14、（4）黄色物质的吸收和散射特性243）水体辐射传输过程及构成2.2水环境遥感物理机理天空散射光大气程辐射Lp：太阳辐射在大气传输过程中各组分及气溶胶微粒散射后直接到达传感器的辐射。 遥感器接收到的光包括天空散射光、水面反射光和水中光水面反射光水面反射Ls：它的强度与水面状况有关，但除发生镜面反射外，一般仅占到入射光3.5 左右；水中光-离水反射Lw太阳光经折射和透射进入水中，大部分被水体吸收，部分被水体悬浮泥沙和有机生物散射、反射、衍射，构成水体散射光，与浑浊度呈正相关 其中返回水面的部分称后向散射光； 部分透过水层，到达水底再反射，构成水底反射光，与水深及水的浑浊度呈负相关水底反射光与后向散

15、射光一起组成水中光（或称离水反射辐射），回到水面再折向空中。253）水体辐射传输过程及构成2.2 水环境遥感物理机理263）水体辐射传输过程及构成后向散射光随水体浑浊度的增加而增加，两者呈正相关；水体底部反射光强度与水深呈负相关，且随水体浑浊度的增大而减小。2.2 水环境遥感物理机理273）水体辐射传输过程及构成总体而言：水的吸收：总体天然水对400-1100nm电磁波的吸收明显比其他地物要强。在可见光600nm之前，水的吸收少，反射率较低，大量透射。其中水面反射率约占5%，并随太阳高度角的变化呈3-5%不等的变化；对清水，在蓝绿波段反射率为4-5%600nm以下的红光反射率骤降为2-3%，在

16、近红外，短波红外几乎全部吸收。2.2 水环境遥感物理机理283）水体辐射传输过程及构成总体而言：水的散射：水体散射和反射主要表现在一定深度的水体中，称为“体散射”。水体的光谱特性主要表现为体散射而非表面反射。水色主要取决于水体中的浮游生物含量（叶绿素a浓度）、悬浮固体（浑浊度大小）、营养盐及其他污染物、底部形态、水深等因素。入射的透射光，对水分子和溶解性物质产生瑞利散射，峰值位于蓝光波段；对较大悬浮物质产生米氏散射，峰值位于黄橙光；由于水中物质分子吸收光后在发射而引起拉曼发射，峰值在橙红波段。2.2 水环境遥感物理机理293）水体辐射传输过程及构成总体而言：水的衰减：水体吸收和后向散射造成水下

17、光场的衰减。水面入射光谱中，仅有可见光400-760nm能够透射入水，其它波段入射光或被大气吸收或被水体表层吸收；蓝光400-500nm波段对水体的穿透性最好，对于清水可达几十米。故可以认为0.47m0.55m是遥感探测清洁水深的最佳波段。2.2 水环境遥感物理机理30在水资源监测中，实测数据必不可少。但仅通过水文观测点得到的有限实测数据不能满足区域水资源分布图的需求。且个别地区，实地测量根本无法进行。因此，遥感以其实时、高效、数据量大、观测范围广的优点在水资源监测中发挥重要作用。随着多传感器、多光谱遥感的发展和应用，结合地面实测数据，遥感在河流湖泊动态监测、冰雪覆盖、地下水监测、水质监测、土

18、壤水分等水资源监测方面发挥巨大作用，成为研究水文循环、水资源有效监测和管理的重要手段。2.3 水资源遥感31水质遥感监测水位-面积和流域界定水深探测水温探测径流估算水域变化监测河流水系变化湖泊演变河口三角洲演变海岸带演变2.3 水资源遥感32研究专题1）水体信息的自动提取2）水库库容的计算3）水库水深的反演33基于TM的水体信息自动监测-综合分析纵观近几十年利用遥感影像提取水体信息，前人做了不少研究，其方法大致分为两类：单波段阈值法和多波段增强图阈值法。单波段阈值法就是利用水体在单个波段上特殊的(高于或低于其他地物)光谱值，设定一阈值提取出水体信息，但是水体与陆地之间的过渡区域往往被忽略。1）

19、水体信息的自动提取34基于TM的水体信息自动监测-综合分析纵观近几十年利用遥感影像提取水体信息，前人做了不少研究，其方法大致分为两类：单波段阈值法和多波段增强图阈值法。多波段增强图阈值法利用水体在不同波段上的光谱特性，通过多波段之间的组合运算来增强影像中的水体信息，从而易于从其他地物中分离提取出水体。然而这种方法也有一定的地域局限性，由于部分细小水体在影像中以混合像元的形态存在，所以阈值比较难取。阈值高了会丢失或漏提那些细小水体信息，阈值低了会误提不少其他的地物信息。1）水体信息的自动提取35杨莹（河海大学）典型内陆平原淡水湖泊 洪泽湖水体信息进行了提取实验，综合利用单波段TM5和多波段组合，

20、得出了适合于TM 遥感影像获取大面积湖泊水体信息的有效方法。（a）单波段阈值法因两类水体在TM5波段（中红外）的光谱值明显低于其他地物，利用这一波段，进行反复实验（1）基于TM太湖水体信息提取 ，确定其阈值为28，水体信息基本可准确提取出来。问题：小而细的水系未提取出来，还误提了部分浅滩。36（b）多波增强段阈值法归一化植被指数NDVI=(TM4-TM3)/(TM4+TM3)归一化水体指数(抑制土壤和植被)NDWI=(TM2-TM4)/(TM2+TM4)改进后的归一化水体指数MNDWI=(TM2-TM5)/(TM2+TM5)NDWI3=(TM4-TM5)/(TM4+TM5)（1）基于TM太湖水

21、体信息提取3738问题汇总由各增强图可以看出，水体与其它地区的取值区别很明显，但水体与非水体之间的过渡区依然存在。因此，用于区分水体和非水体的下限阈值的确定，是正确提取水体的要点。在各指数的统计临界值处并不能很好的提取出理想的水体。若所定阈值能提取出所有水体，则必然有一些地物被误提；若所定阈值提取的为纯水体，则会导致大部分水体区域没法有效提取3940处理问题通过反复比较研究非水体上（下）限与水体下（上）限，力争大多数（90%）的水体被提取出来，但是难免丢失细小的水体同时，有少量地物被误提。最终确定NDVI阈值取107NDWI阈值取130MNDWI阈值取110NDWI3阈值取1124142研究发

22、现NDVI可用于植被区域和非植被区域的识别，2月份研究区内主要是麦田、林地和湿地丛草。利用NDVI指数漏提的水体很少，只是在泥滩、沼泽等混有稀疏植被的区域突出了植被而漏提了部分水体。NDWI指数有利于抑制植被信息，增强水体信息，但研究区覆盖了部分洪泽湖湿地自然保护区，其中的少量信息也被抑制掉了，影响了枯水季节水体信息提取的准确性。43研究发现MNDWi指数法使得水体与建筑物的反差明显增大，大大降低了二者的混淆，从而有利于城镇中水体信息的准确提取。本实验中此方法几乎提取了所有的水体区域，但误提了部分植被信息。NDWI3指数增强了自然水体与其它水体的区别，但是研究区内的水体与非水体的过渡区依然不能

23、很好区别。(TM2+TM3)/(TM4+TM5)提取的水体范围相对比较全面，但是其中混杂有很多零碎的居民地图斑。44解决方案因研究区属于河流冲积平原区，地物类型不复杂。村镇居民点比较分散，且没有山体阴影的影响。综合考虑采用如下方法：先选用对该区水体信息提取较全面的(TM2+TM3)/(TM4+TM5)再利用TM5波段阈值解决其中部分居民地误提的问题45结果对比46结束语无论单波段阈值法，还是多波段增强阈值法进行水体信息的提取，都很难通过一个阈值确定水体与非水体过渡区的阈值。采用多个指标相结合的综合提取法，对地物类型较简单的洪泽湖冲积平原区采用水体提取较全面的TM2+TM3TM4+TM5的方法，

24、然后利用TM5波段阈值法，降低了误提的其他地物信息比率，较好的提取出支流和细小水体信息，精度达到92.5%。47杨存建等人发现Landsat TM 影像中水体具有TM2 + TM3 TM4 + TM5 的特征的基础上, 分析了水体及其它几类主要地物的光谱特性在TM 影像中的表现特征。 发现水体、居民地的阴影以及山体阴影都具有TM2+ TM3 TM4 + TM5 的特点, 但是三者( TM2 + TM3)/( TM4 + TM5 ) 的比值却存在着较大的差异, 故辅以适合的阈值水体( TM2 + TM3 )/( TM4 + TM5 ) 2. 0) 可将水体信息区别于其它所有的地物。（2） TM2

25、 + TM3 TM4 + TM5 提取水体局限48将该方法分析了含不同水体类型的福州市TM 遥感影像进行了实验, 研究发现用该方法可以将水体与全部居民地的阴影和山体阴影区分开来, 实验取得了良好的效果。该方法可用于快速、简便和准确地提取城市和山区中的水体信息,同时克服了水体提取中难于消除阴影( 居民地阴影与山体阴影) 的难题。（2） TM2 + TM3 TM4 + TM5 提取水体局限492）水库库容的计算建立水库水位-库容关系模型TM遥感影像提取水库面积寻找特定时期某一水库面积下的水位值依据水位值建立水库面积-库容模型50依据统计关系建立多项式回归模型如下：（1） 水库水位-库容关系模型构建

26、相关系数达到0.96469，显著性相关51（1） 水库水位-库容关系模型构建52在遥感影像上提取特定时间的水库的面积，并查询水文数据中同一时间的水库水位，再寻找特定水位下的水库的库容，建立水库面积-库容表，并进行水库面积-库容拟合。（2） 水库面积-库容关系模型构建53相关系数R=0.963，达到显著性相关。（2） 水库面积-库容关系模型构建54结束语这一方法构建的模型简洁实用，只要从遥感影像上获得水库的面积，就可很快得到水库的现存库容水量。这种通过遥感信息的提取技术结合常规的水文监测数据，利用了遥感卫星数据，构建了基于遥感的水库库容测算模型，对水库水容量进行量测的方法是行之有效的。结果证实该

27、方法的数据测算精度高，拟合效果好，证明该方法应用区域水资源动态变化方向是科学合理的。对于区域水资源水量的调蓄、灌区的灌溉以及下游地区防洪意义很大。553）水深遥感估算通过水深研究获取水库泥沙淤积分布、淤积体形态、淤积体积对于库容变化研究、水库运行调度及库区生态环境防治与治理都有很好的指导作用。鉴于现场施测的困难性，考虑到结合遥感手段进行水深探测对于坝前及上部水深大于3O In的区域，根据水体的反射和吸收特征，目前通过遥感影像很难获取准确实用的水深数据。但是对于上游库区，水深相对较小、水体相对较清的水域，可在短时间内获取浅水区的水深情况，从而配合其他区域的水深人工施测，为后续的坝区泥沙淤积提供新

28、方法。56影响水深探测的因素主要包括波长及水体浑浊度。不同波长的可见光，对水体具有不同的穿透能力。实验表明，可见光中绿波段(O50056lm)具有最大的大气透过率和最小的水体衰减，是水深遥感的最佳波段。水体浑浊度是影响光在水中穿透能力的主要因素。不同水体，因所含物质不同，在可见光波段有不同的衰减系数。当水体足够清澈时，水体衰减系数减小，太阳光辐射穿透能力增强。当水体浑浊时，衰减系数增大，光线在水中穿透能力减弱；（1） 遥感测深原理57水体浑浊度增大到一定程度时，水体中悬浮粒子的后向反射分量就会大于水底的反射分量，此时传感器无法接收到水底部反射信息。含沙量越大，可见光在水中穿透性受到影响越大，所

29、能探测的深度越小。随着水深的增加，传感器接受到水底反射光越来越弱，直到趋于零。（1） 遥感测深原理58以美国陆地卫星TM 数据为例TM1波段对水体的穿透深度最大，在清洁水中可穿透3O m左右；TM2波段达10 m左右；TM3波段的水体穿透力相对较弱；对于各种类型的水体，可见光的水体衰减系数最小值都出现在蓝绿波段之间，表明TM13波段是遥感测深的最佳波段。（1） 遥感测深原理59水深遥感方法主要包括波浪法、密度法和水体散射模型。目前对于大范围浅水区实用的遥感水深模型主要是密度法中的统计方法模型波段比值法：不仅能消除水体衰减系数和水底反射的影响，还可在一定程度上减小太阳高度角、水面波动及卫星姿态、

30、扫描角等变化产生的影响。（2） 水深遥感方法60波段比值法的原理其主要依据卫星传感器接收的光辐射能量与水深的关系：经推导得到利用两个光谱波段比值统计模式求水深公式：61研究区概况：研究区二滩水库水深多在30m以内，且库区水质较好，含水量小，适合线性波段及其组合方法的应用。研究方法：常规方法多采用一种比值方法直接进行计算。为对比分析并提高水深反演的精度，结合断面TM影像，采用双波段对比分析，尝试1、2波段比值和2、4波段比值两种方法探讨光谱对水深的响应。研究步骤：ETM影像获取实际水深点测量模型建立（3） 二滩库区上游水深遥感监测62下载2004年12月的ETM遥感影像采用6S方法对图像进行大气

31、纠正，消除卫星传感器辐射信息中包含的大气散射影响，还原库区水体辐射的真实性，随后进行几何精校正。A、ETM遥感影像获取63确定进行水深测量的断面确定在断面上进行水深测量的点位在点位上实施水深测量在遥感影像上读取6个剖面上各个测量点位上相应波段的光谱信息B、实际水深点的测量6465分析发现，2、4波段比值法用于该区域要略低于1、2波段比值法。故采用1、2波段比值法建立拟合方程。选取6个剖面中的3个剖面建立1、2波段波谱比值同水深值的间的关系式：将上式代入另外3个剖面中进行验证，误差小于1.0 m的点达70% 以上，误差介于0.02.0 m的点达85%，精度满足需求。d、遥感反演水深模型建立66总

32、结本文建立的基于ETM第1和第2波段比值法的水深模式基本可以满足水深测量遥感研究。但遥测和实测水深之间还存在一些差异，主要原因是遥感对水体的穿透能力受大气及成像时的气象条件影响较大。同时，由于受TM影像分辨率的限制，对于一个像元内的水深值只能取平均值，这在一定程度上影响了用于计算的实测水深值的合理性。67 2.4 水污染遥感1、水污染遥感概述2、水体富营养化遥感监测3、悬浮泥沙污染遥感监测4、石油污染遥感监测5、废水污染遥感监测6、热污染遥感监测68 2.4.1水污染遥感监测概述1）水污染遥感监测及与常规方法的区别： 利用遥感技术能迅速、同步地监测大范围水环境质量状况及其动态变化，在这些方面弥

33、补了常规监测手段的不足，因此引起许多环境科学工作者的重视。近些年来出现了“水质遥感”和“污染遥感”研究课题，它们分别对自然水体和污染水体的水质（或污染物）进行遥感研究。就精度而言，遥感方法通常低于常规监测方法，但遥感技术正是通过这种精度上的损失，换取了水环境研究的区域性、动态性和同步性，这正是把遥感技术应用于水环境研究的意义所在。69 2.4.1水污染遥感监测概述2）水污染遥感监测适用范畴： 从原理上说，遥感传感器记录的是地表物体的电磁波辐射特性（强弱变化及空间变化），因此只有在较大程度上直接或间接影响水体的电磁波辐射性质的水环境化学物质才有可能通过遥感技术加以探测，并非所有水环境化学研究的内

34、容都可以辅以遥感手段。70 2.4.1水污染遥感监测概述3）水污染遥感监测方法： 定性遥感方法是通过分析遥感图像的色调（或颜色）特征或异常对水环境化学现象进行分析评价的，这往往需要了解水环境化学现象与遥感图像的色调（或颜色）之间的关系，建立图像解译标志。 定量遥感方法建立在定性方法的基础之上，为了消除随机因素的影响，通常需要获得与遥感成像同步（或准同步）的实测数据，以标定定量数学模型。71 2.4.1水污染遥感监测概述4）水污染种类： 在江河湖海各种水体中，污染物种类繁多。为了便于用遥感方法研究各种水污染，习惯上将其分为富营养化、悬浮泥沙、石油污染、废水污染、热污染和固体漂浮物等几种类型。72

35、 污染类型生态环境变化遥感影像特征富营养化浮游生物含量高在彩色红外图像上呈红褐色或紫红色,在MSS7图像上呈浅色调悬浮泥沙水体浑浊在MSS5像片上呈浅色调,在彩色红外片上呈淡蓝、灰白色调,浑浊水流与清水交界处形成羽状水舌石油污染油膜覆盖水面在紫外、可见光、近红外、微波图像上呈浅色调,在热红外图像上呈深色调,为不规则斑块状废水污染水色水质发生变化单一性质的工业废水随所含物质的不同色调有差异,城市污水及各种混合废水在彩色红外像片上呈黑色热污染水温升高在白天的热红外图像上呈白色或白色羽毛状,也称羽状水流固体漂浮物各种图像上均有漂浮物的形态5）水污染的遥感影像特征： 73河口海湾富营养化-红外遥感74

36、长江口和杭州湾近海水色图像75石油污染遥感监测76HY-1（海洋1号卫星）黄河口污染影像77 6）水质遥感对影像的要求： 遥感参数测定项目地面分辨率(m)光谱分辨率(m)波长范围(nm)摄影周期视场角(离铅直方向的角度)摄影范围(kmkm)石油污染10-30紫外、可见、微波2-4小时（1天）注意光晕200200（2020）悬浮泥沙200.15（0.15）350-800400-7002小时（1天）0-+15（-5-+30）350100（1010）固体废物100.15（0.15）350-800400-7005小时（10天）0- +15（-5-+30）3535（1010）热污染30温度分辨率0.2C

37、(1C)10-20m(10-14m)2小时（10天）3535（1010）富营养化1000.05（0.15）400-7002天（14天）0- +15（0- +30）350350（3535）赤潮300.015（0.015）400-7005小时（2天）0- +15（-5- +30）350350（20100）注：表内数字是指理想值，括弧内的数字是最低限度允许值。返回78 2.4.2 水体富营养化遥感监测1）富营养化基本概念 当大量的营养盐进入水体后，在一定条件下引起藻类的大量繁殖，而后在藻类死亡分解过程中消耗大量溶解氧，从而导致鱼类和贝类的死亡。这一过程称为水体的富营养化。 水体出现富营养化现象时，浮

38、游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。 这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。79 2.4.2 水体富营养化遥感监测2）富营养化危害 富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。 水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。80 2.4.2 水体富营养化遥感监测 因

39、富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。 富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。2）富营养化危害81 82 83 84 85 86 87 太湖水华88 太湖水华89 90 91 2.4.2 水体富营养化遥感监测3）富营养化遥感监测概述 反映水体富营养化程度的最主要因子是叶绿素，其中又以叶绿素-a最为突出。 叶绿素的光谱特征： 叶绿素在0.44m处出现明显的吸收（辐射微弱）；在0.52m处出现“节点”。在“节点”处，水面反射率随叶绿素浓度变化不大。在0.55m附近，普遍出现辐射峰值。而且水体叶绿素浓度越高，其辐射峰值也越高。这就是叶绿

40、素遥感的波谱基础。92全球海洋叶绿素浓度图3）富营养化遥感监测概述93地中海叶绿素浓度图3）富营养化遥感监测概述943）富营养化遥感监测概述95 赤潮（学术上称作有害海洋藻类水华）是因海水富营养化加上其它环境条件，海洋浮游植物短期内大量繁殖、聚集而引起海水变色的一种现象，本质也是水体富营养。 赤潮既可发生在远海大洋，但更经常地发生在河口、内海、港湾等沿海海域。 在我国沿海，如渤海湾至南海沿岸均多次发生赤潮，尤其是1998年3、4月间，在珠江三角洲和香港沿岸，7月在杭州湾，9月在渤海湾发生了严重的赤潮，对沿海生态系统产生了很大的危害，使经济受到了巨大的损失。 3）富营养化遥感监测概述96 科学研

41、究和现场观测表明，赤潮生物的存在是赤潮能否发生的一个关键。赤潮生物的生长需要一定的外部环境条件，包括海水的富营养化、温度、盐度、海表面的光照、海水的稳定性以及海面风的强度等。 海水的温度、盐度和海表面的光照程度决定了赤潮生物的生长速率，气象和海洋因素则决定了赤潮生物对光和海水营养的利用程度。 3）富营养化遥感监测概述97 HY-1卫星遥感资料在海洋赤潮监测、预警方面的应用利用： HY-1卫星遥感资料反演生成的海面离水辐射率、叶绿素a浓度和海表温度分布产品，借助NOAA卫星或SeaWiFS卫星遥感赤潮的成果，研究形成了HY-1卫星遥感赤潮信息的双波段比值和温度模型、基于主成分分析方法的模型等。

42、利用上述赤潮信息提取模型和HY-1卫星的高分辨率遥感资料可以对我国海区发生的赤潮进行监测并提取与赤潮发生有关的位置和面积等信息，展示了HY-1卫星遥感资料在海洋赤潮监测、预警方面的应用能力。3）富营养化遥感监测概述98 下图是HY-1卫星监测到的2002年6月15日发生在辽东湾海区的赤潮，图中1和2处为赤潮发生区 ：99 2.4.2 水体富营养化遥感监测4）水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系 水中叶绿素浓度是浮游生物分布的指标，是衡量水体初级生产力（水生植物的生物量）和富营养化作用的最基本的指标。 它与水体光谱响应间关系的研究十分重要。 当然，这种指示作用的有效性还与浮游植物光合作用的环境因素

43、（如营养盐、温度、透明度等）以及叶绿素含量变化的制约条件有关。100不同叶绿素含量水面光谱曲线： 2.4.2 水体富营养化遥感监测 图6.8和图6.9中可看出： 0.44m处有吸收峰。0.4-0.48 m反射辐射随浓度加大而降低； 0.52m处出现“节点”，即该处辐射值不随叶绿素含量而变化； 0.55m处出现反射峰值，并随着叶绿素含量增加，反射率上升； 0.685m附近有明显荧光峰（图6.8）。这是由于浮游植物分子吸收光后，再发射引起的拉曼效应一即进行水分子破裂和氧分子生成的光合作用，激发出的能量荧光化的结果。 从图中可知，波峰-波谷带宽较窄，为获取有指示意义的信息，需选择波段间隔不宜宽，最好

44、小于或等于5nm。101 不同叶绿素含量海水光谱曲线：2.4.2 水体富营养化遥感监测海水中叶绿素光谱特征： 当叶绿素浓度增加时，可见光的 蓝光部分反射率明显下降， 绿光部分反射率则上升；随着海水中悬浮物质浓度增加，0.52m附近的叶绿素光谱“节点”会向长波方向移动。国外有关研究认为，当海水中悬浮物质浓度为0.1mg/L时，节点移至0.57m；当海水中悬浮物质浓度达0.5mg/L时，节点可移到0.69m。 102 利用叶绿素浓度与光谱响应间的这些明显特征，人们采用不同波段比值法或比值回归法等，以扩大叶绿素吸收（0.44m附近蓝光波段）与叶绿素反射峰（0.55m附近的绿光波段）或荧光峰（0.68

45、5m附近的红光波段）间的差异，提取叶绿素浓度信息，以指示并遥感监测水体（海洋）的初级生产力水平。 2.4.2 水体富营养化遥感监测4）水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系103 常用的叶绿素定量估算遥感指标：R(n1)、 R(n2)、 R(n3)、 R(n4)，或其对数运算、算术运算。 R(n1)、 R(n2)、 R(n3)、 R(n4)为传感器不同波段n1，n2，n3，n4（表示中心波长）的DN值，或表观反射率或遥感反射率或水面反射率). 如：TM1、TM2、TM3、TM4、TM3*TM4、(TM3*TM4)/lnTM1、 TM4-TM3、(TM3*TM4)/ln(TM1+TM2),Racti

46、ve/Rreference(Rreactive=R700nm,Rreference=R560nm或R675nm)等。2.4.2 水体富营养化遥感监测4）水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系104 A、根据两个波段的比值，建立一阶线性回归方程： Cchl=a1+a2*(R(n1)/R(n2)式中：Cchl为叶绿素含量或浓度（mg/m3），a1、a2为回归系数； R(n1)、 R(n2)分别为传感器的两个不同波段（n1、n2表示中心波长）B、针对不同波段建立多元线性回归方程Cchl=a1*R(n1)+a2*R(n2)+a3*R(n3)+a4*R(n4)C、建立反射峰与叶绿素含量对数值的线性回归方程：

47、Log10(Cchl)=a1+a2*maxn式中，maxn为第n波段附近反射峰的位置（nm）。该模型只适用于高光谱数据。D、对不同波段进行处理（加减乘除对数等）后，建立回归方程Cchl=a1*x+a2，式中，x为对波段进行处理后的值，如TM3*TM4E、指数回归模型Cchl=a*Zb，如，Z=Ractive/RreferenceF、利用植被指数建立回归模型 Cchl=a1*v+a2，式中，v为植被指数，如Cchl=5.204388*10-3DVI+0.14526用于进行叶绿素反演的统计模型形式：105蓝藻水华反射光谱特征-太湖蓝藻水华与陆生植被表现出相近的反射光谱特征，但由于生命形式、过程、生

48、长环境等不同，两者之间仍存在遥感光谱学差异。如TM432标准假彩色合成图像为例，蓝藻水华表现为亮粉红色，常见的陆生植被则为红色。因此，蓝藻水华与常见植被的反射光谱“似而不同”。106太湖不同区域不同地物遥感影像特征1107太湖不同区域不同地物遥感影像特征2108蓝藻水华反射光谱特征-太湖由于蓝藻细胞内Chla（叶绿素a）生物物理响应， 蓝藻水华在0. 56um 的TM2 波段具有比TM1、TM3略高的反射率，构成可见光波长范围的绿峰值， 这是蓝藻水华肉眼感官为绿色的光学响应特征。TM2与TM1差值平均为0.065um，TM2与TM3差值平均为0.0683um，且水华集聚度越高，TM2与两个相邻

49、波段的反射率差值越大。TM4波段，蓝藻水华具有很高的反射率，为0.34-0.50，呈现出水华集聚度越高，反射率越大的趋势。TM5波段蓝藻水华反射率明显降低，为0.06-0.10TM7波段，蓝藻水华反射率急剧降低，为0.02-0.035。原因是蓝藻水华为水和藻混悬物，在短波红外TM5和TM7波段，表现典型的水分子吸收的光谱特征。109蓝藻水华的反射率光谱曲线蓝藻与陆生植物光谱特征差异：在TM的3个可见光波段，蓝藻水华的反射率均比陆生植被反射率微幅升高，且绿波段升高幅度最大，水华稠厚集聚波段反射率抬升明显。TM4波段，蓝藻水华中度至重度集聚区，反射率明显超过陆生植被的反射率。陆生植被一般为0.31

50、-0.35，中度至重度区域水华反射率则超过0.5。TM5和TM7波段，蓝藻水华和陆生植物反射率度下降，但蓝藻仍略低于陆生植物0.07-0.1。110蓝藻水华的反射率光谱曲线蓝藻与无藻水面光谱特征差异：TM2波段，蓝藻反射率要高于无藻水面反射率，蓝藻越集聚，反射率升幅越明显。TM4波段，水华与无藻水面的光谱差异明显，随着水华中蓝藻密度增加，TM4波段反射率抬升。TM5波段蓝藻水华反射率仍高于无藻水面反射率，但是受水体在该波长附近强烈吸收影响，当水体蓝藻密度逐渐增高至蓝藻集聚时，TM5波段反射率仅小幅增高；TM7在2.22um表现出类似的信号微弱特征，两波段的使用价值不大。故，TM4是对水华最灵敏

51、反应的遥感波段，TM2次之。111 （5）水体富营养化遥感监测的可行性 富营养化水体遥感特性： 对于富营养化的两个不同阶段藻类大量繁殖阶段和藻类大量死亡分解阶段（耗氧阶段），水体有不同的光谱特征。由于浮游植物中的叶绿素对近红外光具有明显的“陡坡效应”，因而这种水体兼有水体和植物的光谱特征在红光区特别是在近红外区具有高的反射率。 因此，在赤潮发生时，水体在彩色红外像片上（或标准假彩色图像上）呈现红色斑块，在彩色红外图像上，富营养化水体呈红褐色或紫红色；当藻类大量死亡后，水中含有丰富的消光性有机分解物，在上述两种图像上水体会呈现近于蓝黑的暗色调。2.4.2 水体富营养化遥感监测112 AVHRR影

52、像上的特征： 在AVHRR可见光谱段，水体表现为一片漆黑，当海洋水体中浮游生物和悬浮固体浓度增加，使海洋水体向后散射光增加，但是增加得很小，在影像上水体还是黑暗的。 只有发生藻华现象时会造成水体反射率增加，在影像上表现为发亮的高反射率影像。暖流在这个过程中起了促进作用，即加速了过程的进行。2.4.2 水体富营养化遥感监测（5）水体富营养化遥感监测的可行性113 常用于监测湖泊富营养化的多光谱遥感数据主要有美国Landsat卫星的TM、ETM + 数据,法国SPOT 卫星的HRV数据等。 Landsat 数据是目前应用较广的遥感数据。 马荣华、戴锦芳等( 2005 )结合LandsatETM与实

53、测光谱估测了太湖水体叶绿素含量,结果表明对多光谱遥感而言,LandsatTM、ETM是定量获取叶绿素的较好数据源,但不是最适合的数据源； 利用算术组合ETM3/ETM1估测叶绿素的精度最高。 2.4.2水体富营养化遥感监测（6）多、高光谱遥感监测湖泊富营养化114 以Landsat/TM为例，选用TM1（0.45-0.52m）和TM2（0.52-0.60m）、TM3（0.63-0.69m）波段数据，或直接比值法，TM3/TM1，TM2/TM1；或建立比值回归方程。 C=b(TM3/TM1)+a 式中：C为叶绿素（CHl-a）相对浓度；a、b为相关系数，可通过同步（准同步）观测求得，即由实测数据

54、与遥感数据统计相关分析所得。使具有相同性质的噪声和干扰得到消除或部分抑制。比值法可以消除因太阳高度角、观测角不同而造成的误差，还可以部分抵消大气效应。但它更适于悬浮物质稀少的大洋水。2.4.2 水体富营养化遥感监测115 SPOT地球观测卫星系统较陆地卫星,最大的优势是最高空间分辨率达10m。 SPOT 数据用于湖泊富营养化监测与评价的研究,也有一些成果。 如，利用SPOT 数据来估算藻类生物参数，效果显著。 2.4.2水体富营养化遥感监测（6）多、高光谱遥感监测湖泊富营养化116 由于多光谱传感器光谱分辨率较低,很难辨别水质参数的诊断性吸收特征,多光谱遥感用来进行水体富营养化评价精度稍差。

55、随着高光谱传感器的出现,其达纳米(nm) 级的光谱分辨率,可获得目标物的诊断性光谱特性,实现遥感信息模型参数或条件约束的确定,很好地解决了常规遥感中出现的问题,提高了多参数反演精度。 高光谱遥感包括成像光谱仪数据和非成像光谱仪数据。 2.4.2水体富营养化遥感监测（6）多、高光谱遥感监测湖泊富营养化117 以高光谱遥感对湖泊富营养化进行监测和评价,国外学者做了大量研究,尤以机载光谱成像仪CASI 的应用研究成果较多。 Herut 等(1999)利用CASI 数据精确绘制以色列海湾的叶绿素a浓度分布图,研究表明,绘制叶绿素a浓度的最佳波长是681、704 和715nm。 因为国内获取高光谱影像数

56、据相对困难,研究主要集中在地面高光谱数据水质参数反演,这就是非成像光谱仪监测湖泊水质。2.4.2水体富营养化遥感监测（6）多、高光谱遥感监测湖泊富营养化118湖泊富营养化遥感监测实例鲁韦坤，等（2009）就采用MODIS数据的蓝、红和近红外波段合成假彩色（RGB：6-2-1），通过色彩差异提取蓝藻空间信息，并进一步通过计算归一化植被指数来区别蓝藻水华的浓度大小，其所建立的反演模型可用于定量研究。119MODIS1-7通道参数120假彩色合成与植被指数检测方法对比假彩色合成法与植被指数法结果相对比，两者都能正确反映蓝藻浓度的变化情况，主要表现为：假彩色合成法随着蓝藻浓度的升高，影像由蓝色或黑色向

57、绿色过度，即蓝藻浓度越高，对应区域的影像颜色越绿;植被指数法表现为随着蓝藻浓度的升高，NDVI 值也随着升高。对NDVI 进行适当分级后发现，NDVI值在- 0. 1 以上的区域与假彩色合成的绿色区域相对应，即NDVI 值在-0.1以上的区域为水华区。121标准假彩色合成影像上的蓝藻水华122(1) 不论是假彩色合成法或归一化植被指数法，两者都能快速获得蓝藻水华的监测结果。其中假彩色合成法具有较好的视觉效果，表现为: 蓝藻水华区域与无水华区域对比明显，易于目视解译；具有较为真实的颜色表现能力,蓝藻水华为绿色,无水华区域为蓝色； 蓝藻水华区域绿色的深浅代表了水华的不同浓度。对于只是监测水华的分布

58、面积该方法是一个较好的方法。若将假彩色合成法和归一化植被指数法相结合，归一化植被指数法能以数值大小的方式区别水华浓度，可用于以后的定量研究。假彩色合成与植被指数检测方法对比123(2) 假彩色合成法具有直观的优点,但是其直方图拉伸后的色调效果可能因操作时的差异而导致影像在处理后存在色彩差异,给对比研究工作带来不利影响。 植被指数法则克服了这一缺点,但它在确定水华分布区的NDVI 阈值上目前还存在不确定性，需要进一步验证。假彩色合成与植被指数检测方法对比124(3) 本研究没有考虑漂浮于水面的水草对监测结果的影响，但考察经验表明，由于水草对风浪有抑制作用，水草区域的风浪较周围较小，若水草周围有水

59、华,则水草区域内必有水华。但是在没有水华时,水草区域可能被误认为水华,因此应该对相对面积较大的水草区定位，以排除其对监测结果的影响。假彩色合成与植被指数检测方法对比125(4) 通过3 次野外实地考察,验证了监测滇池蓝藻水华出现的假彩色影像合成法和NDVI 法的正确性，利用假彩色影像的颜色差异和NDVI 值的大小对蓝藻水华的覆盖程度进行了分级，得到了初步分级标准。假彩色合成与植被指数检测方法对比126 今后,对湖泊富营养化遥感的重点研究方向： (1) 深入研究湖泊富营养化参数的光谱特性,加深对富营养化遥感机理的认识,以进一步发展富营养化遥感建模方法; (2) 多种遥感数据结合,提高富营养化遥感

60、监测精度; (3) 加强对富营养化遥感建模方法的研究,建立富营养化综合评价模型; (4) 遥感与GIS 结合,GIS 可以更有效组织、管理和分析遥测的数据,与遥感集成,便于动态监测和分析; (5) 加强河道型水体富营养化的遥感监测与评价方法研究。2.4.2水体富营养化遥感监测（6）多、高光谱遥感监测湖泊富营养化127 迄今为止, 赤潮卫星遥感基本上仍处于试验阶段。 赤潮遥感使用的资料主要是NOAA气象卫星的AVHRR和海洋水色卫星数据，如美国的宽市场水色扫描仪（SeaWiFS）和中国的海洋卫星一号（HY-1），间或使用陆地卫星的TM资料。 TM数据优势：由于赤潮往往发生在沿海的河口、港湾等水域