第五章水問題遙感

第五章水問題遙感第一頁，共六十頁，2022年，8月28日

第三章水環(huán)境遙感第一節(jié)水環(huán)境遙感原理地物三個明顯的輻射特征：總輻射水平的高低；可見光和紅外的輻射平衡關(guān)系，即光譜整體趨勢；輻射隨波段變化的方向和強度。水體的輻射特征表現(xiàn)在：天然水體對0.4~1.1μm電磁波的反射率明顯低于其它地物，其總輻射水平低于其它地物，在遙感圖像上常常表現(xiàn)為暗色調(diào)；在近紅外波段的反射比可見光波段更低；同時對不同的水體，在可見光波段，其反射率有較為明顯的不同，如隨泥沙含量的增加而增加。第二頁，共六十頁，2022年，8月28日

一、水體的光譜特征在紅外波段識別水體是比較容易的。水體的光學(xué)特征集中表現(xiàn)在可見光在水體中的輻射傳輸過程，他包括界面的反射、折射、吸收、水中懸浮物質(zhì)的多次散射等。而這些過程及水體最終表現(xiàn)出的光譜特征又由水面的入射輻射、水的光學(xué)性質(zhì)、表面粗糙度、日照角度與觀測角度、氣－水界面的相對折射率以及在某些情況下還涉及水底反射光等等。體散射。第三頁，共六十頁，2022年，8月28日

二、水體在不同傳感器上的表現(xiàn)

1、MSSMSS是陸地衛(wèi)星Landsat1-3上的傳感器，有四個波段，空間分辨率80米。其中MSS4(0.5-0.6μm)屬于可見光波段的藍綠光，對水體有一定的穿透能力，在黑白像片上顏色較淺。μm)屬可見光黃紅波段，對水體的混濁度（海洋中泥沙，大河中懸移質(zhì)）有明顯反映。MSS6(0.7-0.8μm)，MSS7(0.8-1.0μm)波段由于水體強烈吸收能力，在圖像上呈黑色。第四頁，共六十頁，2022年，8月28日

2、TMTM1（0.45-0.52μm)與MSS4相比，對水體的穿透更強，探測水下地形更有效；TM4（μm)同MSS6、MSS7一樣，對探測水陸邊界非常有利。

3、SPOT(HRV)

既可以穿透水體探測，又比較精確的反映水體的邊界和形狀。第五頁，共六十頁，2022年，8月28日

4、NOAA(AVHRR)CH2（μm）對水體反映敏感，而CH3（μm）是太陽反射光和地物紅外熱輻射的交叉區(qū)，對地表溫度敏感。5、ERS和JERS（SAR)第六頁，共六十頁，2022年，8月28日

第三節(jié)水資源遙感包括水資源調(diào)查、流域規(guī)劃、水域面積分布變化、徑流估算、水深、水溫、冰雪覆蓋、河口帶及淺海地形調(diào)查、海洋調(diào)查等。第七頁，共六十頁，2022年，8月28日

一、水文要素遙感

1.水位－面積和流域界定

2.水深探測衰減長度：向下輻照度等于表面輻照度的1/e(或37%)的長度。第八頁，共六十頁，2022年，8月28日

PoleynandFabian提出的海面的離水反射輻射Lw與水深Z的關(guān)系：

Lw(λ)=E(λ)/π*ρ(λ)/n2*exp[-α(λ)(secφ+secθ)ZE(λ)為太陽輻照度；n為底質(zhì)的折射系數(shù)；α(λ)為衰減系數(shù)，是吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和；ρ(λ)為反射率；θ為太陽天頂角；φ

為太陽方位角。第九頁，共六十頁，2022年，8月28日

透明度Zm與表層水的線性衰減系數(shù)α的關(guān)系，在許多海區(qū)表示為：

α＝l/e=(2.7-3.5)/Zml為衰減長度第十頁，共六十頁，2022年，8月28日

3、水文探測用所測的亮度溫度表示水體溫度。大氣中水汽含量對水溫測量精度影響較大，因此，遙感估算水溫時，必須進行大氣糾正。海洋遙感圖像反差很低，可以獲得的信息十分有限。海洋的微波輻射取決于兩個主要因素：海面及一定深度的介電常數(shù)量；海面粗糙度。第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日

4、徑流估算流域枯水計算融雪徑流計算

第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

二、水域變化監(jiān)測

1.河流、水系變化

2.湖泊演變

3.河口三角洲演變

4.海岸帶演變：海岸線確定；海灘涂的確定；海岸帶歷史變遷第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

第四節(jié)水質(zhì)遙感監(jiān)測利用遙感技術(shù)研究水環(huán)境化學(xué)包括定性和定量兩種方法。定性遙感方法是通過分析遙感圖像的色調(diào)（或顏色）特征或異常對水環(huán)境化學(xué)現(xiàn)象進行分析評價。定量遙感方法建立在定性方法的基礎(chǔ)上，為了消除隨機因素的影響，通常需要獲得與遙感成像同步（或準(zhǔn)同步）的實測數(shù)據(jù)，以標(biāo)定定量數(shù)學(xué)模型。第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

一、水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測反映水體富營養(yǎng)化程度最主要因子是葉綠素，其中又以葉綠素a最為突出。葉綠素遙感是基于不同濃度浮游植物有著不同的輻射光譜特性。赤潮第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日

1.水體光譜特征與水體葉綠素含量的關(guān)系隨著葉綠素含量的不同，在0.43~0.70

μm光譜段會有選擇地出現(xiàn)較明顯的差異。

Landsat/TM為例比值回歸方程

C=b(TM3/TM1)+a

式中：C為葉綠素(CH1-a)相對改變；a、b為相關(guān)系數(shù)第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日

研究表明，水體葉綠素濃度與水面溫度間存在線性關(guān)系

C=a0+a1tC為葉綠素濃度（mg/m3);t為水面溫度；a0、a1t為回歸系數(shù)。第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日

2.葉綠素濃度信息提取方法

1）經(jīng)驗算法:海面葉綠素濃度

C=F[B/G]F為函數(shù)關(guān)系因子；B（藍）、G（綠）分別為藍波段、綠波段的水體反射率。

第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日

Clarketal(1980)提出固體懸浮物濃度與葉綠素濃度的相關(guān)公式：

lgS=-0.39+0.78lgCTassan(1993)在那不勒斯灣的研究也顯示懸浮固體濃度（g/m3)與葉綠素濃度(mg/m3)之間存在如下關(guān)系lgS=(-0.247±0.016)+(0.567±0.026)lgC

傅克忖陳楚群第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日

二、葉綠素濃度計算應(yīng)用

1998年10月30日SeaWiFS數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和光譜混合分析三種方法計算臺灣海峽葉綠素濃度，并對這三種方法的結(jié)果進行了比較（許捃，2000）

1.數(shù)據(jù)源分析：SeaWiFS數(shù)據(jù)特征；SeaBAM數(shù)據(jù)；歷史統(tǒng)計資料。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.用經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎闳~綠素濃度

4.用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算葉綠素濃度

5.用光譜混合分析法計算葉綠素濃度

6.三種方法比較第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日

O`Reillyetal(1998)用來自SeaBAM919個站點濃度范圍在0.019~32.19μg/L的觀測數(shù)據(jù)，對15種經(jīng)驗算法和2種半分析算法進行評價，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)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為常數(shù)

第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法

Keiner和Brown采用SeaWiFS數(shù)據(jù)的可見光波段（412nm,443nm,490nm,510nm和550nm），用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方法估算了海洋葉綠素濃度，提高了計算精度。

3）光譜混合分析法是與主成分分析類似的影像分析方法，主要的不同是光譜混合分析定義一個確切的在空間上和時間上都恒定的參照物（純凈像元），而主成分變化完全依靠場景變換。另外，主成分變換分離正交因子，而光譜混合分析僅僅根據(jù)純凈像元來計算。第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

三、懸浮固體遙感監(jiān)測

1、水體光譜特征與懸浮固體含量的關(guān)系隨著水中懸浮固體濃度的增加，水體在整個可見光譜段的反射亮度增加，水體由暗變得越來越亮，同時反射峰值波長向長波方向移動，而且反射峰值本身形態(tài)變得更寬。在可見光波段，微米是遙感監(jiān)測水體混濁度的最佳波段。第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

1）基于統(tǒng)計分析的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ图赐ㄟ^遙感數(shù)據(jù)與同步實測樣點數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計相關(guān)分析，確定兩者間的相關(guān)系數(shù)，建立相關(guān)模型線性關(guān)系式：L=A+BS對數(shù)關(guān)系式：L=A+BlgS或S=A+BlgLGordon關(guān)系式：

R=C+s/(A+BS)或1/(R-C)=B+A/S此式根據(jù)準(zhǔn)單散射近似公式得到

R=A+B（1-e-DS)第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

統(tǒng)一關(guān)系式:L=Gordon(S)*Index(S)=A+B[S/G+S)]+C[S/G+S)]e-DS第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日

2)基于灰色系統(tǒng)理論的模型2、懸浮固體遙感監(jiān)測的可行性定量解譯懸浮固體濃度的最佳譜段應(yīng)在微米之間。水體中固體懸浮物含量最初多用影像灰度定性地解釋。定量解釋是基于同步收集遙感數(shù)據(jù)、地面反射數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，直接計算光譜和懸浮物之間的多項式幾何校正曲線。第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日

衛(wèi)星傳感器接收到的輻射亮度與水體反射率的關(guān)系如下：

N=Np+E/π*RT

應(yīng)用遙感方法測定水體懸浮物的關(guān)鍵問題是建立遙感數(shù)據(jù)與懸浮物含量之間的定量關(guān)系，即

S=f(R)或R=f(S)第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日

理論模式

Gordon用MonteCarlo方程，得到類似于冪級數(shù)的關(guān)系式：

Gordon簡化模式：

R=(C+S)/(A+BS)第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日

國家海洋局第二海洋研究所模型：

R=C+A0/2B0lg(2B0B1S+B02)≈A+BlgS

華東師大模型:S=[R/(a0-b0R]d第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日

3.懸浮固體信息提取方法1）回歸方法用遙感輻射亮度估算懸浮固體濃度大體有以下5個步驟：（1）同步測量懸浮固體濃度（SSC）和水體上行輻射率L(λ)（2)對第一步中的環(huán)境影響進行校正（3）用所選樣點數(shù)據(jù)得到校正后SSC和L(λ)的經(jīng)驗關(guān)系模型（4）用第三步所得的經(jīng)驗關(guān)系模型和校正后的遙感影像輻射率L(λ)估算SSC（5）用測試樣點的SSC數(shù)據(jù)檢驗計算結(jié)果第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日

2）色度模型和主成分分析在不同大氣條件下，用MSS4,5波段與MSS4，5，6波段的比值，分別求出綠色系數(shù)和紅色系數(shù)。用這些色度參數(shù)與同時相的芬蘭灣實測懸浮物濃度得出色度參數(shù)與懸浮固體濃度的相關(guān)模型。

3）光譜混合分析法第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日

四、水體懸浮固體濃度提取應(yīng)用實例許郡（2000）以福建省福清市海岸帶為例，采用TM數(shù)據(jù)對近岸水體的懸浮固體濃度進行了提取。第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

模型

數(shù)據(jù)預(yù)處理

懸浮固體濃度計算流程原始數(shù)據(jù)大氣參數(shù)大氣校正光譜特征水體提取DEM水深校正懸浮固體濃度潮時、潮差第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

1、大氣校正最簡單的大氣校正方法是暗像元的減法校正。

Smith等于1990年提出一種基于光譜混合分析的儀器和大氣校正方法。用大氣校正模型進行大氣校正。通常有三種大氣校正模型，復(fù)雜程度各不相同。第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

2、水體提取國內(nèi)外的研究證明，近紅外波段的遙感信息是確定水體的一種可信的和有效的技術(shù)。3、水體及背景地物的光譜特征分析第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日典型地物的光譜亮度值灰度地物TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7水體26320031384林地21001295914825居民地304739618914483水田18301788714860旱地2238249810915096陰影04011412213第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日

4、水深校正在進行海岸帶水色遙感時，由于水深較淺，難免受到海洋底質(zhì)光譜反射率的影響，使得影像的光譜信息中包含了海洋底質(zhì)的光譜特征，因此要進行水深校正，消除海洋底質(zhì)的影響。對于近岸懸浮固體濃度在100mg/L左右，水深大于20－30米的水體，水體上行輻射率L(λ)不受底部反射率的影響。對于任何可見光波段的傳感器，其接收到的90％的輻射亮度來自于水體表層1/K的深度內(nèi)，K是水中的漫射衰減系數(shù)。)第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日

據(jù)Whitlack研究，懸浮固體物含量超過10mg/L后，穿透深度的變化就很小了，可視為常數(shù)。第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日

5、用線性光譜混合法計算懸浮固體濃度用光譜混合分析法計算懸浮固體濃度，首先要獲取不同懸浮固體濃度水體的光譜特征第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日

對數(shù)校正曲線

fhigh=-0.972=0.298ln(0.3S+21.5540第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日光譜混合分析法計算結(jié)果評價第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

6、結(jié)果與討論第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

五、石油污染遙感監(jiān)測六、廢水污染遙感監(jiān)測七、熱污染遙感監(jiān)測第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

第五節(jié)海洋水色遙感研究一、海洋水色遙感概述二、海洋水色遙感基礎(chǔ)研究

1、海水光學(xué)特性

2、大氣輻射校正

1）經(jīng)驗的Gordon大氣校正方法

Lt=Lw×t+L*2）Gordon傳統(tǒng)大氣校正方法的改進

Lt(λ)=Lr(λ)+La(λ)+tLw(λ,C)第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日

三、海洋水色要素信息提取

1、海洋水色要素提取技術(shù)進展

1）浮游植物色素濃度年季變化研究

2）CZCS遙感資料在浮游植物色素濃度年季變量中的研究

3）CZCS遙感資料在漁業(yè)研究上的應(yīng)用

4）CZCS遙感資料在近岸油氣勘探與生產(chǎn)中應(yīng)用研究

5）CZCS遙感資料在海上船舶航行中的應(yīng)用研究

6）CZCS遙感圖像在海洋動力環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日

2、海洋水色要素信息提取存在的問題

1）水色要素信息提取算法模式的不完善性

2）大氣校正方法研究中存在的問題

3）季節(jié)性大氣中懸浮沙塵對大氣校正的影響第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日

3、葉綠素濃度反演1）解析算法2）經(jīng)驗算法葉綠素濃度C對光譜輻射亮度比率經(jīng)驗關(guān)系式中最普通的形式為：lgC=lgA+lg[lw(λi)/Lw(λj)]4、懸浮固體含量反演第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日

四、海洋水色要素應(yīng)用研究

1、污染物質(zhì)與黃色物質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用

2、動力環(huán)境要素反演應(yīng)用

3、在海岸帶和陸地上的應(yīng)用

4、在全球尺度環(huán)境變化過程中的應(yīng)用第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日

五、海洋水色遙感專題圖制作

1、海洋色素濃度變化圖

1）研究目標(biāo)應(yīng)用海洋水色衛(wèi)星遙感資料研究制作主要水色要素葉綠素、懸浮物質(zhì)、黃色物質(zhì)和污染物質(zhì)等時空分布圖。

2）現(xiàn)有基礎(chǔ)包括國外和國內(nèi)在海洋色素研究方面的基礎(chǔ)

3）研究內(nèi)容和成果共有10項第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日

2、初級生產(chǎn)力分布圖

1）研究目標(biāo)通過制作初級生產(chǎn)力分布圖，為海洋漁業(yè)保護與捕撈、海水養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境監(jiān)測等服務(wù)提供有意義的數(shù)據(jù)。

2）現(xiàn)有基礎(chǔ)

3）研究內(nèi)容及成果葉綠素濃度與初級生產(chǎn)力相關(guān)關(guān)系研究；初級生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)相關(guān)關(guān)系研究及專題圖制作。第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日

3、海面溫度場圖

1）研究目標(biāo)應(yīng)用水色衛(wèi)星遙感資料提供制作海面溫度場圖，為海洋漁業(yè)保護、魚情預(yù)報、海水養(yǎng)殖、海洋動力要素監(jiān)測等服務(wù)，并提供有關(guān)的科學(xué)數(shù)據(jù)。

2）現(xiàn)有基礎(chǔ)

3）研究內(nèi)容及成果海面溫度場時空分布專題圖。重點魚場海面溫度場專題圖；重點海水養(yǎng)殖海區(qū)海面溫度場專題圖；海面溫度場與海洋動力環(huán)境監(jiān)測相關(guān)性復(fù)合專題圖。第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

4、熱污染擴散圖

1）研究目標(biāo)為監(jiān)測海洋環(huán)境、熱污染擴散趨勢和范圍，熱污染發(fā)生的程度及危害影響等服務(wù)，提供環(huán)境監(jiān)測所需科學(xué)數(shù)據(jù)。

2）現(xiàn)有基礎(chǔ)

3）研究內(nèi)容及成果重點海區(qū)，特別是發(fā)電廠廢水排放海區(qū)，溫度擴散場專題圖；重點海區(qū)海面溫度場時間變化專題圖；重點海區(qū)熱污染影響和危害專題圖。第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

5、近岸海區(qū)海洋動力現(xiàn)象及黑潮流系變化圖

1）研究目標(biāo)應(yīng)用水色衛(wèi)星遙感資料研究大、中尺度海洋動力現(xiàn)象，目的是為了更全面、深入認(rèn)識和監(jiān)視大、中尺度海洋動力過程的變化規(guī)律，及其在區(qū)域和全球環(huán)境變化中的影響和作用。

2）現(xiàn)有基礎(chǔ)

3）研究內(nèi)容共7項第五十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

6、海岸帶綜合環(huán)境圖

1）研究目標(biāo)海岸帶地區(qū)環(huán)境監(jiān)測是為海岸帶地區(qū)開發(fā)利用及規(guī)劃制定、環(huán)境保護