第 3 章 水环境遥感 - 图文

第3章 水环境遥感

内容提要

3.1 水体的光谱特性 3.2 水资源遥感 3.3 水体污染监测

3.3.1 内陆水体污染遥感监测 3.3.2 海洋污染遥感监测 3.4 水质参数遥感反演

3.1 水体的光谱特性

3.1 水体的光谱特性

从水体中得到的遥感光谱信号是多种信号的复合体，它包 括了大气散射及水面、水底的反射以及水体中多种综合 因素的散射辐射。波长为?的遥感光谱信号的传播过程如 下图所示 ：

3.1 水体的光谱特性

由高度为Z的传感器接收到的遥感光谱信号L可用下式表示：

3.1 水体的光谱特性

上图和上式可以看出，由于水体的透光性和水面的反 射性，由传感器接受到的水体遥感光谱信号包含了来 自大气、水面、水体以及水底各个不同层次的光谱信 号，是一个经过了叠加的综合信号。包括了水体中叶 绿素的光谱信号、悬浮泥沙、污染物、流场等的光谱 信号。水体遥感是复杂的。

3.1 水体的光谱特性

纯水在 400～ 1100 nm之间的吸收和散射特性

3.1 水体的光谱特性

上图为纯水在400-1100nm之间分辨率为1nm的吸收 和散射特性。

然而,就多种传感器的表面水质监测而言,还必须 知道波谱段探测信号的反演能力。因为适当的波段划 分,选择和组合会带来许多优点:减少数据的选择过程, 优化波段组合算法,并减少多波段组合引起的噪声影响 等。

水中某些成分对波谱信号的散射远远大于水分子 本身对波谱信号的散射。不同水质呈现出不同的光谱 特性。

3.1 水体的光谱特性

不同叶绿素含量水体的反射光谱曲线

3.1 水体的光谱特性

不同泥沙含量水体的反射光谱曲线

3.1 水体的光谱特性

引自：http://blog.sciencenet.cn/blog-573320-924541.html

3.2 水资源遥感 水体遥感原理

? 水既可以吸收也可以散射通过水汽界面的波谱辐射能 量 (Ed)，但水的散射会增加天空辐射能量(Eu)，而水 的吸收则会同时减少 Ed和 Eu。遥感探测的波谱信息 就是这种吸收和散射过程综合作用的结果。

? 遥感影像记录了地表物体对电磁波的反射信息及其自 身向外的辐射信息，相对于其它地物而言，水体在整 个光谱范围内都呈现出较弱的反射率，在近红外、中 红外及短波红外部分，水体几乎吸收了全部的入射能 量。因此水体在这些波段的反射率特别低，而土壤、 植被、建筑物等在这些波段吸收能量较小，具有较高 的反射率，使得水体与它们具有明显的区别。

3.2 水资源遥感

遥感在水文水资源方面的应用

? 水资源的调查；

? 流域规划、水域面积分布及变化；

? 径流估算、水深、水温、冰雪覆盖、土壤水分监测、 冰雪监测；

? 河口海岸带及浅海地形调查、海洋调查研究等方面。 ? 特别是在人类足迹难以到达的荒凉地区，遥感技术可 成为水文、水资源调查的有效手段。

3.2 水资源遥感

? 利用遥感图像可进行海岸带岸线测量、河口及近岸悬 浮泥沙迁移，以及海洋环境监测，诸如海水温度、盐 度、水深、洋流、波浪、潮沙等海洋诸要素的测量， 对海洋的开发具有重要意义。

? 遥感图像可提供大尺度、现实性强、多层次、全天候、 客观逼真的丰富信息，为海洋研究及指导海洋渔业生 产提供了基础。

3.2 水资源遥感——水文要素遥感研究 水文要素遥感研究

遥感技术能观测地球表面信息，而不是传统上

某点的观测值，并可观测一些传统方法观测不到的

水文变量。近年遥感技术的发展和应用，对水文科 学的进展起重大的推动作用。 （1）水位-面积和流域界定 （2）水深探测 （3）水温探测 （4）径流估算

3.2 水资源遥感 （1）水位-面积和流域界定

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片和机载雷

达图像可以获得准确的水边线位置，从而保证水面 面积量测的精读。

目前最常用的是陆地卫星Landsat TM/MSS、SPOT、 气象卫星等遥感图像。

3.2 水资源遥感

? 方法：单波段法和多波段法

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地物的光谱值，利用单个波段来提取TM影像中的水 体信息。单波段阈值法简单可行，却不易区分水体 与阴影。

多波段法：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， 从而易于从其它地物中分离提取出水体。

3.2 水资源遥感 （1）水位-面积和流域界定

质学家追加波段，处于水的强吸收带，

单波段方法：

水体呈黑色，可用于区分主要岩石类 型，岩石的热蚀度，探测与岩石有关 的粘土矿物。

3.2 水资源遥感

（1）水位-面积和流域界定 多波段方法：

3.2 水资源遥感

TM6:1.04~1.25μm，热红外波段，根据辐射响应的差别，区分农林覆盖长势， 差别表层湿度，水体岩石，以及监测与人类活动有关的热特征，进行热制图。

3.2 水资源遥感

基 于 DEM 与 遥 感 的 数 字 流 域 水 系 提 取 研 究

3.2 水资源遥感 （2）水深探测

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向下辐照度等于表面辐照度的1/e (或37%)的长度。

水体本身的光谱特效与水深相关。

3.2 水资源遥感 影响水深探测的因素

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衰减，是水深遥感的最 佳波段。

水体的浑浊度：水体浑浊度则是影响光在水中穿透 能力的主要因素。

-当水体足够清澈时，水体衰减系数减小，太阳光辐射穿透能 力减弱；

-当水体浑浊时，衰减系数增大，光线在水中穿透能力减弱； -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。

3.2 水资源遥感

·随水深的增加

（0-0.2-2-20m）,其光谱特征的变 化如图所示；

·近水面的曲线形态近似于太阳辐 射，但随着水深的增大，水体对 光谱组成的影响增大；

·在水深20m处，由于水体对红外 波段光的有效吸收，近红外波段 的能量几乎不存在，仅保留了蓝、 绿波段能量。

·蓝绿波段对研究水深和水底特征 是有效的。

3.2 水资源遥感

随着水中悬浮物质量 （混浊度）的增加，反 射率明显增强，透射率 明显下降，衰减系数增 大，光对水的穿透能力 减弱，最大透射波长 （即最大穿透深度的波 长）向长波方向移动。

3.2 水资源遥感 遥感水深探测的方法

?波浪法 ?密度法：

-对于大范围浅水区使用的遥感水深模型主要是密度 法中的统计模型，即建立光谱波段比值与水深的回归 模型；

-基于TM数据的常用比值有：TM4/TM2,TM2/TM1; -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少太阳高度角，减少水面 波动及卫星姿态、扫描角等变化产生的影响。 ?水体散射模型

3.2 水资源遥感

3.2 水资源遥感

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