第 6 章 水環(huán)境遙感.ppt

1、第6章 水環(huán)境遙感,Geography Analysis for Remote Sensing,遙感地學分析,內(nèi)容提要,6.1 水體的光譜特性 6.2 水資源遙感 6.3 水體污染監(jiān)測 6.3.1 內(nèi)陸水體污染遙感監(jiān)測 6.3.2 海洋污染遙感監(jiān)測,6.1 水體的光譜特性,從水體中得到的遙感光譜信號是多種信號的復(fù)合體，它包括了大氣散射及水面、水底的反射以及水體中多種綜合因素的散射輻射。波長為的遙感光譜信號的傳播過程如下圖所示 ：,6.1 水體的光譜特性,由高度為Z的傳感器接受到的遙感光譜信號L可用下式表示：,6.1 水體的光譜特性,上圖和上式可以看出，由于水體的透光性和水面的反射性，由傳感器接

2、受到的水體遙感光譜信號包含了來自大氣、水面、水體以及水底各個不同層次的光譜信號，是一個經(jīng)過了疊加的綜合信號。包括了水體中葉綠素的光譜信號、懸浮泥沙、污染物、流場等的光譜信號。水體遙感是復(fù)雜的。,6.1 水體的光譜特性,6.1 水體的光譜特性,純水在 400 1100 nm之間的吸收和散射特性,上圖為純水在400-1100nm之間分辨率為1nm的吸收和散射特性。 然而,就多種傳感器的表面水質(zhì)監(jiān)測而言,還必須知道波譜段探測信號的反演能力。因為適當?shù)牟ǘ蝿澐?選擇和組合會帶來許多優(yōu)點:減少數(shù)據(jù)的選擇過程,優(yōu)化波段組合算法,并減少多波段組合引起的噪聲影響等。 水中某些成分對波譜信號的散射遠遠大于水分子

3、本身對波譜信號的散射。不同水質(zhì)呈現(xiàn)出不同的光譜特性。,6.1 水體的光譜特性,不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線,6.1 水體的光譜特性,不同泥沙含量水體的反射光譜曲線,6.1 水體的光譜特性,6.2 水資源遙感,水體遙感原理 水既可以吸收也可以散射通過水汽界面的波譜輻射能量 (Ed)，但水的散射會增加天空輻射能量(Eu)，而水的吸收則會同時減少 Ed和 Eu。遙感探測的波譜信息就是這種吸收和散射過程綜合作用的結(jié)果。,遙感在水文水資源方面的應(yīng)用，包括水資源的調(diào)查、流域規(guī)劃、水域面積分布及變化、徑流估算、水深、水溫、冰雪覆蓋、土壤水分監(jiān)測、冰雪監(jiān)測、河口海岸帶及淺海地形調(diào)查、海洋調(diào)查研究等方面。特

4、別是在人類足跡難以到達的荒涼地區(qū)，遙感技術(shù)可成為水文、水資源調(diào)查的有效手段。,6.2 水資源遙感,利用遙感圖像可進行海岸帶岸線測量、河口及近岸懸浮泥沙遷移，以及海洋環(huán)境監(jiān)測，諸如海水溫度、鹽度、水深、洋流、波浪、潮沙等海洋諸要素的測量，對海洋的開發(fā)具有重要意義。遙感圖像可提供大尺度、現(xiàn)實性強、多層次、全天候、客觀逼真的豐富信息，為海洋研究及指導(dǎo)海洋漁業(yè)生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。,6.2 水資源遙感,水文要素遙感研究 遙感技術(shù)能觀測地球表面信息，而不是傳統(tǒng)上某點的觀測值，并可觀測一些傳統(tǒng)方法觀測不到的水文變量。近年遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對水文科學的進展起重大的推動作用。 （1）水位-面積和流域界定 （2）

5、水深探測 （3）水溫探測 （4）徑流估算,6.2 水資源遙感,6.2 水資源遙感,全球海面溫度分布,6.2 水資源遙感,全球海面溫度分布 SST data example from April 1999,水域變化監(jiān)測 遙感研究自然歷史變遷，尤以研究水域的演 變最為突出，效果明顯。這是因為，一是水域面積大，變化快，形態(tài)獨特；二是水在各波段具有明顯的特性；三是水域演變后多能在原地保留一定濕度和形態(tài)， 即“痕跡”較為明顯。因而，在遙感圖像上圖斑清晰，信息豐富，較易辨別。 （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,6.2 水資源遙感,2001年1月15日FY-1C觀

6、測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像,2001年2月15日FY- 1C觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像,6.3 水體污染監(jiān)測,利用遙感技術(shù)能迅速、同步地監(jiān)測大范圍水環(huán)境質(zhì)量狀況及其動態(tài)變化，在這些方面彌補了常規(guī)監(jiān)測手段的不足，因此引起許多環(huán)境科學工作者的重視。就精度而言，遙感方法通常低于常規(guī)監(jiān)測方法，但遙感技術(shù)正是通過這種精度上的損失，換取了水環(huán)境研究的區(qū)域性、動態(tài)性和同步性，這正是把遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境研究的意義所在。,從原理上說，遙感傳感器記錄的是地表物體的電磁波輻射特性（強弱變化及空間變化），因此只有在較大程度上直接或間接影響水體的電磁波輻射性質(zhì)的水環(huán)境化學物質(zhì)才有可能通過遙感技術(shù)加以探測，并非所有水

7、環(huán)境化學研究的內(nèi)容都可以輔以遙感手段。,6.3 水體污染監(jiān)測,利用遙感技術(shù)研究水環(huán)境化學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)境化學現(xiàn)象進行分析評價的，這往往需要了解水環(huán)境化學現(xiàn)象與遙感圖像的色調(diào)（或顏色）之間的關(guān)系，建立圖像解譯標志。定量遙感方法建立在定性方法的基礎(chǔ)之上，為了消除隨機因素的影響，通常需要獲得與遙感成像同步（或準同步）的實測數(shù)據(jù)，以標定定量數(shù)學模型。,6.3 水體污染監(jiān)測,在江河湖海各種水體中，污染物種類繁多。為了便于用遙感方法研究各種水污染，習慣上將其分為富營養(yǎng)化、懸浮泥沙、石油污染、廢水污染、熱污染和固體漂浮物等幾種類型。,6

8、.3 水體污染監(jiān)測,6.3 水體污染監(jiān)測,水質(zhì)遙感對影像的要求,注：表內(nèi)數(shù)字是指理想值，括弧內(nèi)的數(shù)字是最低限度允許值。,6.3 水體污染監(jiān)測,6.3.1 內(nèi)陸水體污染遙感監(jiān)測 內(nèi)陸水體中決定光譜反射率的污染物質(zhì)主要有三類： （1）浮游植物，主要是藻類 （2）由浮游植物死亡而產(chǎn)生的有機碎屑以及陸生或湖體底泥經(jīng)再懸浮而產(chǎn)生的無機懸浮顆粒，總稱為非色素懸浮物（以下簡稱懸浮物） （3）由黃腐酸、腐殖酸組成的溶解性有機物，通常稱為黃色物質(zhì),6.3 水體污染監(jiān)測,可以用以下簡單模型近似描述各種物質(zhì)對內(nèi)陸水體光譜反射率W 的影響: W =(W +S+P) / (W+S+P+Y)； 式中W 為內(nèi)陸水體反射率，

9、W 、S、P 分別是水、懸浮物和浮游植物的后向散射系數(shù)，W、S、P、Y分別是水、懸浮物、浮游植物和黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)。,6.3 水體污染監(jiān)測,目前一些學者嘗試用航天遙感來監(jiān)測水污染參數(shù) 。 勵惠國等通過分析 TM影像上不同水質(zhì)水體的視反射率特征 ，發(fā)現(xiàn) 1-4波段的視反射率 （R1、R2、R3和 R4）對不同的水質(zhì)比較敏感。利用 R2 / R1 1可以區(qū)分出較高懸浮泥沙區(qū)域 ，R4/ R3可以作為水體有機污染的指標。以黃河三角洲地區(qū)的小清河口為例 ，利用不同時相的 TM影像 ，對水污染的遙感提取進行了嘗試 ，得到了小清河口的水污染分布。,6.3 水體污染監(jiān)測,主要的步驟如下： *計算影像的視反

10、射率； *水體提??； *懸浮物質(zhì)水體提取(R2/R11),具體規(guī)則為： R2/R11且R3R2高懸浮物濃度區(qū)； R2/R11且R3R2低懸浮物濃度區(qū)； *污染水體提取及分類。,6.3 水體污染監(jiān)測,在以上各步驟中，污染水體的分類標準是最難確定的，即 R4/ R3取多大時為重污染，取何值時為輕污染。通過不斷的嘗試和比較，發(fā)現(xiàn) R4/ R3的平均值和標準方差可以作為半定量指標。 采用下面的指標作為劃分不同水質(zhì)的標準（M代表平均值，D代表標準方差）： RVIM-D 無或非常輕污染水體； M-DM+D 重污染水體。,6.3 水體污染監(jiān)測,王學軍等（2000）利用遙感信息和有限的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)建立了太湖水

11、質(zhì)參數(shù)預(yù)測模型。根據(jù)太湖的主要污染體現(xiàn)在水體的富營養(yǎng)化方面這一污染特征 ,并參考監(jiān)測站的監(jiān)測參數(shù) ,主要選取 SS(懸浮固體顆粒物)、SD(透明度)、DO(溶解氧)、CODMn(高錳酸鹽指數(shù))、BOD5(5日生化需氧量)、TN(總氮)、TP(總磷) 7個監(jiān)測參數(shù)進行分析。,6.3 水體污染監(jiān)測,預(yù)測結(jié)果：太湖 TP分布等值線圖,6.3 水體污染監(jiān)測,從上圖可以看出，太湖水域 TP濃度總體上很高，但分布區(qū)域變化很大，東太湖地區(qū)的含量值明顯偏高，是富營養(yǎng)化嚴重的地區(qū)?？拷鼰o錫和蘇州的太湖東北部地區(qū)的含量也較高，體現(xiàn)較強的富營養(yǎng)化趨勢 。,6.3 水體污染監(jiān)測,6.3 水體污染監(jiān)測,2.4Water

12、 pollution of the Taihu Lake The composed landsat TM 4(R),3(G),and (B) image shown an disaster event which algae blooming in the Taihu lake in Augest,1998. It is clear that a blue green algae belt ,about 20 km long and 2-3 km wide ,stretched along the northwestern part of the lake. Through the water

13、 pollution monitoring using satellite remote sensing , the pollution event containing its location, affecting area and scale was clearly discovered in real time. It was shown that there have a lot of work to do for solving the eutrophication problem and managing the water environment in the Taihu La

14、ke.,6.3 水體污染監(jiān)測,6.3.2 海洋污染遙感監(jiān)測 （1）水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測 （2）懸浮固體遙感監(jiān)測 （3）石油污染遙感監(jiān)測 （4）廢水污染遙感監(jiān)測 （5）熱污染遙感監(jiān)測,6.3 水體污染監(jiān)測,（1）水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測 當大量的營養(yǎng)鹽進入水體后，在一定條件下臺引起藻類的大量繁殖，而后在藻類死亡分解過程中消耗大量溶解氧，從而導(dǎo)致魚類和貝類的死亡。這一過程稱為水體的富營養(yǎng)化。反映水體富營養(yǎng)化程度的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。不同濃度浮游植物的光譜特征曲線在0.44m處出現(xiàn)明顯的吸收（輻射微弱）；在0.52m處

15、出現(xiàn)“節(jié)點”。在“節(jié)點”處，水面反射率隨葉綠素濃度變化不大。在0.55m附近，普遍出現(xiàn)輻射峰值。而且水體葉綠素濃度越高，其輻射峰值也越高。這就是葉綠素遙感的波譜基礎(chǔ)。,6.3 水體污染監(jiān)測,全球海洋葉綠素濃度圖,6.3 水體污染監(jiān)測,地中海葉綠素濃度圖,6.3 水體污染監(jiān)測,赤潮（學術(shù)上稱作有害海洋藻類水華）是因海水富營養(yǎng)化加上其它環(huán)境條件，海洋浮游植物短期內(nèi)大量繁殖、聚集而引起海水變色的一種現(xiàn)象，本質(zhì)也是水體富營養(yǎng)。 在我國沿海，如渤海灣至南海沿岸均多次發(fā)生赤潮，尤其是1998年3、4月間，在珠江三角洲和香港沿岸，7月在杭州灣，9月在渤海灣發(fā)生了嚴重的赤潮，對沿海生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的危害，使

16、經(jīng)濟受到了巨大的損失。所以說水體富營養(yǎng)化、赤潮等災(zāi)害已成為環(huán)境保護中的一個不可低估的環(huán)境問題。,6.3 水體污染監(jiān)測,利用HY-1衛(wèi)星遙感資料反演生成的離水輻射率、葉綠素a濃度和海表溫度分布產(chǎn)品，借助NOAA衛(wèi)星或SeaWiFS衛(wèi)星遙感赤潮的成果，研究形成了HY-1衛(wèi)星遙感赤潮信息的雙波段比值和溫度模型、基于主成分分析方法模型等。利用上述赤潮信息提取模型和HY-1衛(wèi)星的高分辨率遙感資料可以對我國海區(qū)發(fā)生的赤潮進行監(jiān)測并提取與赤潮發(fā)生有關(guān)的位置和面積等信息，展示了HY-1衛(wèi)星遙感資料在海洋赤潮監(jiān)測、預(yù)警方面的應(yīng)用能力。,6.3 水體污染監(jiān)測,HY-1/CCD赤潮信息提取模型提取的2002年6月1

17、5日遼東灣赤潮圖像與信息提取（左圖中1和2處為赤潮發(fā)生區(qū)）,6.3 水體污染監(jiān)測,（2）懸浮固體遙感監(jiān)測 懸浮固體的運移特征是沿海河口形狀和演變規(guī)律的核心問題。了解和掌握河口懸浮固體的來源、含量、分布、運移、沉積，可分析河口演變的動力特征。其作用在于它將直接影響到河口區(qū)資源的開發(fā)利用、環(huán)境變化、經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)問題。它是河口區(qū)發(fā)展決策的重要依據(jù)之一。所以用遙感的方法監(jiān)測懸浮固體是很有必要的。,6.3 水體污染監(jiān)測,不同渾濁度海水中光的衰減（透射波譜）,（3）石油污染遙感監(jiān)測 海上或港口的石油污染是一種常見的水體污染，遙感調(diào)查石油污染不僅能發(fā)現(xiàn)已知污染區(qū)的范圍和估算污染石油的含量，而且可追

18、蹤污染源。如果污染源是海上油輪，可根據(jù)遙感圖像追究其法律責任；如果污染源不是來自人類活動，而是海底自然漏油，則可能發(fā)現(xiàn)新的油田。遙感技術(shù)應(yīng)用在海上石油污染監(jiān)測中的應(yīng)用開始很早。 通過遙感監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)海上泄油事故，得到排油源和油污面積，估算排污量。通過連續(xù)監(jiān)測得到油污的擴散方向和擴散速度。預(yù)測其將影響的區(qū)域。,6.3 水體污染監(jiān)測,（4）廢水污染遙感監(jiān)測 在沿河、沿海、或者港灣的工業(yè)或者是人口密集區(qū)，有大量的工業(yè)和生活廢水排入，這些廢水往往是多排污口，多渠道的，有的還是間斷性的。用常規(guī)方法對這些污染源及入海廢水的輸移擴散進行整體監(jiān)測，往往有困難。而遙感則是一種很好的方法。具波譜測定表明，造成水體污染的城市生活廢水、工業(yè)廢水和固體廢棄物等，其光譜反射特征有較明顯的差異。因此可以利用生活污水、工業(yè)廢水、受污染水體