第五章水问题遥感

第五章水问题遥感第一页，共六十页，编辑于2023年，星期四

第三章水环境遥感第一节水环境遥感原理地物三个明显的辐射特征：总辐射水平的高低；可见光和红外的辐射平衡关系，即光谱整体趋势；辐射随波段变化的方向和强度。水体的辐射特征表现在：天然水体对0.4~1.1μm电磁波的反射率明显低于其它地物，其总辐射水平低于其它地物，在遥感图像上常常表现为暗色调；在近红外波段的反射比可见光波段更低；同时对不同的水体，在可见光波段，其反射率有较为明显的不同，如随泥沙含量的增加而增加。第二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

一、水体的光谱特征在红外波段识别水体是比较容易的。水体的光学特征集中表现在可见光在水体中的辐射传输过程，他包括界面的反射、折射、吸收、水中悬浮物质的多次散射等。而这些过程及水体最终表现出的光谱特征又由水面的入射辐射、水的光学性质、表面粗糙度、日照角度与观测角度、气－水界面的相对折射率以及在某些情况下还涉及水底反射光等等。体散射。第三页，共六十页，编辑于2023年，星期四

二、水体在不同传感器上的表现

1、MSSMSS是陆地卫星Landsat1-3上的传感器，有四个波段，空间分辨率80米。其中MSS4(0.5-0.6μm)属于可见光波段的蓝绿光，对水体有一定的穿透能力，在黑白像片上颜色较浅。MSS5(0.6-0.7μm)属可见光黄红波段，对水体的混浊度（海洋中泥沙，大河中悬移质）有明显反映。MSS6(0.7-0.8μm)，MSS7(0.8-1.0μm)波段由于水体强烈吸收能力，在图像上呈黑色。第四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2、TMTM1（0.45-0.52μm)与MSS4相比，对水体的穿透更强，探测水下地形更有效；TM4（0.76-0.90μm)同MSS6、MSS7一样，对探测水陆边界非常有利。

3、SPOT(HRV)

既可以穿透水体探测，又比较精确的反映水体的边界和形状。第五页，共六十页，编辑于2023年，星期四

4、NOAA(AVHRR)CH2（0.725-1.15μm）对水体反映敏感，而CH3（3.55-3.93μm）是太阳反射光和地物红外热辐射的交叉区，对地表温度敏感。5、ERS和JERS（SAR)第六页，共六十页，编辑于2023年，星期四

第三节水资源遥感包括水资源调查、流域规划、水域面积分布变化、径流估算、水深、水温、冰雪覆盖、河口带及浅海地形调查、海洋调查等。第七页，共六十页，编辑于2023年，星期四

一、水文要素遥感

1.水位－面积和流域界定

2.水深探测衰减长度：向下辐照度等于表面辐照度的1/e(或37%)的长度。第八页，共六十页，编辑于2023年，星期四

PoleynandFabian提出的海面的离水反射辐射Lw与水深Z的关系：

Lw(λ)=E(λ)/π*ρ(λ)/n2*exp[-α(λ)(secφ+secθ)ZE(λ)为太阳辐照度；n为底质的折射系数；α(λ)为衰减系数，是吸收系数与散射系数之和；ρ(λ)为反射率；θ为太阳天顶角；φ

为太阳方位角。第九页，共六十页，编辑于2023年，星期四

透明度Zm与表层水的线性衰减系数α的关系，在许多海区表示为：

α＝l/e=(2.7-3.5)/Zml为衰减长度第十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

3、水文探测用所测的亮度温度表示水体温度。大气中水汽含量对水温测量精度影响较大，因此，遥感估算水温时，必须进行大气纠正。海洋遥感图像反差很低，可以获得的信息十分有限。海洋的微波辐射取决于两个主要因素：海面及一定深度的介电常数量；海面粗糙度。第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四

4、径流估算流域枯水计算融雪径流计算

第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

二、水域变化监测

1.河流、水系变化

2.湖泊演变

3.河口三角洲演变

4.海岸带演变：海岸线确定；海滩涂的确定；海岸带历史变迁第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四

第四节水质遥感监测利用遥感技术研究水环境化学包括定性和定量两种方法。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。定量遥感方法建立在定性方法的基础上，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。第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

一、水体富营养化遥感监测反映水体富营养化程度最主要因子是叶绿素，其中又以叶绿素a最为突出。叶绿素遥感是基于不同浓度浮游植物有着不同的辐射光谱特性。赤潮第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四

1.水体光谱特征与水体叶绿素含量的关系随着叶绿素含量的不同，在0.43~0.70

μm光谱段会有选择地出现较明显的差异。

Landsat/TM为例比值回归方程

C=b(TM3/TM1)+a

式中：C为叶绿素(CH1-a)相对改变；a、b为相关系数第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四

研究表明，水体叶绿素浓度与水面温度间存在线性关系

C=a0+a1tC为叶绿素浓度（mg/m3);t为水面温度；a0、a1t为回归系数。第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.叶绿素浓度信息提取方法

1）经验算法:海面叶绿素浓度

C=F[B/G]F为函数关系因子；B（蓝）、G（绿）分别为蓝波段、绿波段的水体反射率。

第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四

Clarketal(1980)提出固体悬浮物浓度与叶绿素浓度的相关公式：

lgS=-0.39+0.78lgCTassan(1993)在那不勒斯湾的研究也显示悬浮固体浓度（g/m3)与叶绿素浓度(mg/m3)之间存在如下关系lgS=(-0.247±0.016)+(0.567±0.026)lgC

傅克忖陈楚群第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四

二、叶绿素浓度计算应用

1998年10月30日SeaWiFS数据，采用经验模型、神经网络模型和光谱混合分析三种方法计算台湾海峡叶绿素浓度，并对这三种方法的结果进行了比较（许捃，2000）

1.数据源分析：SeaWiFS数据特征；SeaBAM数据；历史统计资料。

2.数据预处理

3.用经验模型计算叶绿素浓度

4.用神经网络模型计算叶绿素浓度

5.用光谱混合分析法计算叶绿素浓度

6.三种方法比较第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

O`Reillyetal(1998)用来自SeaBAM919个站点浓度范围在0.019~32.19μg/L的观测数据，对15种经验算法和2种半分析算法进行评价，计算结果与实测数据吻合。

C=10(a0+a1*R+a2*R2+a3*R3)+a4

式中：R=lg[Rrs(λ1)/Rrs(λ2)];a0、a1、a2、a3、a4为常数

第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2）神经网络模型法

Keiner和Brown采用SeaWiFS数据的可见光波段（412nm,443nm,490nm,510nm和550nm），用神经网络计算方法估算了海洋叶绿素浓度，提高了计算精度。

3）光谱混合分析法是与主成分分析类似的影像分析方法，主要的不同是光谱混合分析定义一个确切的在空间上和时间上都恒定的参照物（纯净像元），而主成分变化完全依靠场景变换。另外，主成分变换分离正交因子，而光谱混合分析仅仅根据纯净像元来计算。第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

三、悬浮固体遥感监测

1、水体光谱特征与悬浮固体含量的关系随着水中悬浮固体浓度的增加，水体在整个可见光谱段的反射亮度增加，水体由暗变得越来越亮，同时反射峰值波长向长波方向移动，而且反射峰值本身形态变得更宽。在可见光波段，0.58-0.68微米是遥感监测水体混浊度的最佳波段。第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四

1）基于统计分析的半经验模型即通过遥感数据与同步实测样点数据间的统计相关分析，确定两者间的相关系数，建立相关模型线性关系式：L=A+BS对数关系式：L=A+BlgS或S=A+BlgLGordon关系式：

R=C+s/(A+BS)或1/(R-C)=B+A/S此式根据准单散射近似公式得到

R=A+B（1-e-DS)第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

统一关系式:L=Gordon(S)*Index(S)=A+B[S/G+S)]+C[S/G+S)]e-DS第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2)基于灰色系统理论的模型2、悬浮固体遥感监测的可行性定量解译悬浮固体浓度的最佳谱段应在0.65-0.85微米之间。水体中固体悬浮物含量最初多用影像灰度定性地解释。定量解释是基于同步收集遥感数据、地面反射数据和实测数据，直接计算光谱和悬浮物之间的多项式几何校正曲线。第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四

卫星传感器接收到的辐射亮度与水体反射率的关系如下：

N=Np+E/π*RT

应用遥感方法测定水体悬浮物的关键问题是建立遥感数据与悬浮物含量之间的定量关系，即

S=f(R)或R=f(S)第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四

理论模式

Gordon用MonteCarlo方程，得到类似于幂级数的关系式：

Gordon简化模式：

R=(C+S)/(A+BS)第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四

国家海洋局第二海洋研究所模型：

R=C+A0/2B0lg(2B0B1S+B02)≈A+BlgS

华东师大模型:S=[R/(a0-b0R]d第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四

3.悬浮固体信息提取方法1）回归方法用遥感辐射亮度估算悬浮固体浓度大体有以下5个步骤：（1）同步测量悬浮固体浓度（SSC）和水体上行辐射率L(λ)（2)对第一步中的环境影响进行校正（3）用所选样点数据得到校正后SSC和L(λ)的经验关系模型（4）用第三步所得的经验关系模型和校正后的遥感影像辐射率L(λ)估算SSC（5）用测试样点的SSC数据检验计算结果第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2）色度模型和主成分分析在不同大气条件下，用MSS4,5波段与MSS4，5，6波段的比值，分别求出绿色系数和红色系数。用这些色度参数与同时相的芬兰湾实测悬浮物浓度得出色度参数与悬浮固体浓度的相关模型。

3）光谱混合分析法第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四

四、水体悬浮固体浓度提取应用实例许郡（2000）以福建省福清市海岸带为例，采用TM数据对近岸水体的悬浮固体浓度进行了提取。第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

模型

数据预处理

悬浮固体浓度计算流程原始数据大气参数大气校正光谱特征水体提取DEM水深校正悬浮固体浓度潮时、潮差第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四

1、大气校正最简单的大气校正方法是暗像元的减法校正。

Smith等于1990年提出一种基于光谱混合分析的仪器和大气校正方法。用大气校正模型进行大气校正。通常有三种大气校正模型，复杂程度各不相同。第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2、水体提取国内外的研究证明，近红外波段的遥感信息是确定水体的一种可信的和有效的技术。3、水体及背景地物的光谱特征分析第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四典型地物的光谱亮度值灰度地物TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7水体26320031384林地21001295914825居民地304739618914483水田18301788714860旱地2238249810915096阴影04011412213第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四

4、水深校正在进行海岸带水色遥感时，由于水深较浅，难免受到海洋底质光谱反射率的影响，使得影像的光谱信息中包含了海洋底质的光谱特征，因此要进行水深校正，消除海洋底质的影响。对于近岸悬浮固体浓度在100mg/L左右，水深大于20－30米的水体，水体上行辐射率L(λ)不受底部反射率的影响。对于任何可见光波段的传感器，其接收到的90％的辐射亮度来自于水体表层1/K的深度内，K是水中的漫射衰减系数。)第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四

据Whitlack研究，悬浮固体物含量超过10mg/L后，穿透深度的变化就很小了，可视为常数。第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四

5、用线性光谱混合法计算悬浮固体浓度用光谱混合分析法计算悬浮固体浓度，首先要获取不同悬浮固体浓度水体的光谱特征第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

对数校正曲线

fhigh=-0.972=0.298ln(0.3S+21.5540第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四光谱混合分析法计算结果评价第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

6、结果与讨论第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四

五、石油污染遥感监测六、废水污染遥感监测七、热污染遥感监测第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

第五节海洋水色遥感研究一、海洋水色遥感概述二、海洋水色遥感基础研究

1、海水光学特性

2、大气辐射校正

1）经验的Gordon大气校正方法

Lt=Lw×t+L*2）Gordon传统大气校正方法的改进

Lt(λ)=Lr(λ)+La(λ)+tLw(λ,C)第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四

三、海洋水色要素信息提取

1、海洋水色要素提取技术进展

1）浮游植物色素浓度年季变化研究

2）CZCS遥感资料在浮游植物色素浓度年季变量中的研究

3）CZCS遥感资料在渔业研究上的应用

4）CZCS遥感资料在近岸油气勘探与生产中应用研究

5）CZCS遥感资料在海上船舶航行中的应用研究

6）CZCS遥感图像在海洋动力环境监测中的应用第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2、海洋水色要素信息提取存在的问题

1）水色要素信息提取算法模式的不完善性

2）大气校正方法研究中存在的问题

3）季节性大气中悬浮沙尘对大气校正的影响第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四

3、叶绿素浓度反演1）解析算法2）经验算法叶绿素浓度C对光谱辐射亮度比率经验关系式中最普通的形式为：lgC=lgA+lg[lw(λi)/Lw(λj)]4、悬浮固体含量反演第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四

四、海洋水色要素应用研究

1、污染物质与黄色物质监测应用

2、动力环境要素反演应用

3、在海岸带和陆地上的应用

4、在全球尺度环境变化过程中的应用第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四

五、海洋水色遥感专题图制作

1、海洋色素浓度变化图

1）研究目标应用海洋水色卫星遥感资料研究制作主要水色要素叶绿素、悬浮物质、黄色物质和污染物质等时空分布图。

2）现有基础包括国外和国内在海洋色素研究方面的基础

3）研究内容和成果共有10项第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2、初级生产力分布图

1）研究目标通过制作初级生产力分布图，为海洋渔业保护与捕捞、海水养殖业环境监测等服务提供有意义的数据。

2）现有基础

3）研究内容及成果叶绿素浓度与初级生产力相关关系研究；初级生产力与海洋渔业、养殖业相关关系研究及专题图制作。第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四

3、海面温度场图

1）研究目标应用水色卫星遥感资料提供制作海面温度场图，为海洋渔业保护、鱼情预报、海水养殖、海洋动力要素监测等服务，并提供有关的科学数据。

2）现有基础

3）研究内容及成果海面温度场时空分布专题图。重点鱼场海面温度场专题图；重点海水养殖海区海面温度场专题图；海面温度场与海洋动力环境监测相关性复合专题图。第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

4、热污染扩散图

1）研究目标为监测海洋环境、热污染扩散趋势和范围，热污染发生的程度及危害影响等服务，提供环境监测所需科学数据。

2）现有基础

3）研究内容及成果重点海区，特别是发电厂废水排放海区，温度扩散场专题图；重点海区海面温度场时间变化专题图；重点海区热污染影响和危害专题图。第五十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四

5、近岸海区海洋动力现象及黑潮流系变化图

1）研究目标应用水色卫星遥感资料研究大、中尺度海洋动力现象，目的是为了更全面、深入认识和监视大、中尺度海洋动力过程的变化规律，及其在区域和全球环境变化中的影响和作用。

2）现有基础

3）研究内容共7项第五十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

6、海岸带综合环境图

1）研究目标海岸带地区环境监测是为海岸带地区开发利用及规划制