第四章-水體遙感

1、城市與環(huán)境學院城市與環(huán)境學院王細元王細元xiyuan80_http:/ 遙遙感地學分析，黃家柱教授感地學分析，黃家柱教授遙 感 地 學 分 析遙 感 地 學 分 析王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing內容提要內容提要v4.1 4.1 水體的光譜特性水體的光譜特性v4.2 4.2 水資源遙感水資源遙感v4.3 4.3 水體污染監(jiān)測水體污染監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing4.1 水體的光譜特性水體的光譜特性王細元 城市與環(huán)境學院

2、遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv由于水體的透光性和水面的反射性，由傳感器接由于水體的透光性和水面的反射性，由傳感器接受到的水體遙感光譜信號包含了來自大氣、水面、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，是一個水體以及水底各個不同層次的光譜信號，是一個經過了疊加的綜合信號。包括了水體中葉綠素的經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。水體遙感是復雜的。號。水體遙感是復雜的。4.1 水體的光譜特性水體的光譜特

3、性王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv在可見光范圍內，水體反射率總體上比較低，在可見光范圍內，水體反射率總體上比較低，不超過不超過10%10%，一般為，一般為4%5%4%5%，并隨著波長的增大，并隨著波長的增大逐漸降低，水體的反射主要集中在藍綠光波段逐漸降低，水體的反射主要集中在藍綠光波段（0.450.520.450.52m m 、0.520.60 0.520.60 m m ），其他），其他波段反射率均較低，特別是近紅外波段，水體波段反射率均較低，特別是近紅外波段，水體對該波段幾乎完全吸收。對該波段幾乎完全吸收

4、。王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線 4.1 水體的光譜特性水體的光譜特性王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing不同泥沙含量水體的反射光譜曲線 4.1 水體的光譜特性水體的光譜特性王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote S

5、ensing王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 遙感在水文水資源方面的應用，包括水資源遙感在水文水資源方面的應用，包括水資源的調查、流域規(guī)劃、水域面積分布及變化、徑流的調查、流域規(guī)劃、水域面積分布及變化、徑流估算、水深、水溫、河口海岸帶及淺海地形調查、估算、水深、水溫、河口海岸帶及淺海地形調查、海洋調查研究等方面。特別是在人類足跡難以到海洋調查研究等方面。特別是在人類足跡難以到達的荒涼地區(qū)，遙感技術可成為水文、水資源調達的荒涼地區(qū)，遙感技術可成為水文、水資源調查的有效手段。查的有效手段。 4.2 水資源遙感水資

6、源遙感王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 利用遙感圖像可進行海岸帶岸線測量、河口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。遙感及近岸懸浮泥沙遷移，以及海洋環(huán)境監(jiān)測。遙感圖像可提供大尺度、現實性強、多層次、全天候、圖像可提供大尺度、現實性強、多層次、全天候、客觀逼真的豐富信息，為海洋研究及指導海洋漁客觀逼真的豐富信息，為海洋研究及指導海洋漁業(yè)生產提供了基礎。業(yè)生產提供了基礎。 4.2 水資源遙感水資源遙感王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analys

7、is for Remote Sensingv水文要素遙感研究水文要素遙感研究 （1）水資源分布）水資源分布 （2）水深探測）水深探測 （3）水溫探測）水溫探測 （4）水域變化監(jiān)測）水域變化監(jiān)測4.2 水資源遙感水資源遙感王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（1）水資源分布）水資源分布v監(jiān)督分類監(jiān)督分類v非監(jiān)督分類非監(jiān)督分類v閾值法閾值法v水體指數法水體指數法v譜間關系方法譜間關系方法王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing監(jiān)督分類監(jiān)督分

8、類王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing非監(jiān)督分類非監(jiān)督分類王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing水體信息提取方法水體信息提取方法v閾值法：利用某種地物與背景地物在某一波段閾值法：利用某種地物與背景地物在某一波段上的反射率（或像元灰度值）的差異，確定某上的反射率（或像元灰度值）的差異，確定某一數值為區(qū)分該地物和背景地物的方法。一數值為區(qū)分該地物和背景地物的方法。v水體信息提取閾值法：利用水體在近紅外波段水體信息提取閾值法：利用水體在近紅

9、外波段反射率非常低為依據，區(qū)別水體與其他地物。反射率非常低為依據，區(qū)別水體與其他地物。v缺點：不易區(qū)分陰影和水體。缺點：不易區(qū)分陰影和水體。王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing閾值為閾值為26王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv水體指數法：利用平原地區(qū)陸地水在水體指數法：利用平原地區(qū)陸地水在TM2比比TM5的反射率高，而其他地物不具備這一特的反射率高，而其他地物不具備這一特性而進行水體信息提取。性而進行水體信息提取。水體指數（水體

10、指數（NDWI）=（TM2-TM5）/(TM2+TM5)v 缺點：不易區(qū)別陰影，適用與平原區(qū)缺點：不易區(qū)別陰影，適用與平原區(qū)王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv譜間關系方法：通過反復試驗發(fā)現，水體具有譜間關系方法：通過反復試驗發(fā)現，水體具有獨特的譜間關系特征，即獨特的譜間關系特征

11、，即(TM2+TM3)(TM4+TM5)v較易區(qū)別水體與陰影，比單波段方法提取水體較易區(qū)別水體與陰影，比單波段方法提取水體更具優(yōu)勢，特別適合山區(qū)水體提取。更具優(yōu)勢，特別適合山區(qū)水體提取。v缺點：細小河流難以提取。缺點：細小河流難以提取。王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing思考：思考：v用建模的方法實現用建模的方法實現譜間關系方法譜間關系方法，模型應該，模型應該怎樣建立？怎樣建立？王細元 城市與環(huán)境

12、學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing作業(yè)：作業(yè)：v 思考怎樣利用淮安地區(qū)的七個波段的思考怎樣利用淮安地區(qū)的七個波段的TM圖像以及淮安圖像以及淮安市地圖數據，提取淮安市水資源分布圖，并繪制詳細市地圖數據，提取淮安市水資源分布圖，并繪制詳細的流程圖。的流程圖。王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（2）水深探測）水深探測清水不同深度的光譜特

13、征清水不同深度的光譜特征濁水不同深度的光譜特征濁水不同深度的光譜特征王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv可見光波段的測深原理主要基于光線對水體的可見光波段的測深原理主要基于光線對水體的透射?？梢姽庠谒w中的衰減系數越小透射?？梢姽庠谒w中的衰減系數越小, , 則對則對水體的穿透性越好。衰減系數和遙感可視水深水體的穿透性越好。衰減系數和遙感可視水深之間的關系互為倒數之間的關系互為倒數v可見光衰減系數決定了光在水體遙感中的可測可見光衰減系數決定了光在水體遙感中的可測深度。不同的水體深度。不同的水體, ,由于所含物質

14、的不同由于所含物質的不同, ,在可在可見光波段有不同的衰減系數。見光波段有不同的衰減系數。v對水中信息進行透射遙感的最有效波段在藍色對水中信息進行透射遙感的最有效波段在藍色( 0.45( 0.45m )m )至黃色至黃色 ( 0.60 ( 0.60 m) m)之間。之間。王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv ( 1) 單波段模型單波段模型: Z=a ln X + b 其中，其中，X=LLs，L為某單一波段的輻射亮度值，為某單一波段的輻射亮度值，Ls 為該波段在深水區(qū)的輻射亮度值；為該波段在深水區(qū)的輻射亮度值；Z

15、為反演的水深值；為反演的水深值；a、b為待定系數。為待定系數。v ( 2)雙波段比值模型雙波段比值模型: Z=aln(X1/X2) + b 其中，其中，X1=L1-Ls1；X2=L2-Ls2，L1、L2為單為單一波段的輻射亮度值，一波段的輻射亮度值，Ls1、Ls2為為L1、L2 對應波對應波段在深水區(qū)的輻射亮度值；段在深水區(qū)的輻射亮度值；Z為反演的水深值；為反演的水深值；a、b為待定系數。為待定系數。王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv (3)多波段組合模型多波段組合模型: Z = a0 +ailnXi，其中，

16、其中，Xi=Li-Lsi，Li為單一波段的輻射亮度值，為單一波段的輻射亮度值，Ls為為Li對對應波段在深水區(qū)的輻射亮度值；應波段在深水區(qū)的輻射亮度值；Z為反演的水深值；為反演的水深值；a0 、ai為待定系數。為待定系數。王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（2）水深探測）水深探測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（2）水深探測）水深探測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Rem

17、ote Sensing（2）水深探測）水深探測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing全球海面溫度分布全球海面溫度分布（3）水溫探測）水溫探測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing全球海面溫度分布SST data example from April 1999（3）水溫探測）水溫探測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（3）水溫探測）水溫探測王細元 城市與環(huán)

18、境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv水域變化監(jiān)測水域變化監(jiān)測 遙感研究自然歷史變遷，尤以研究水域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)，原地保留一定濕度和形態(tài)， 即即“痕跡痕跡”較為較為明顯。因而，在遙感圖像上圖斑清晰，信息豐明顯。因而，在遙感圖像上圖斑清晰，信息豐富，較易

19、辨別。富，較易辨別。 （4）水域變化監(jiān)測）水域變化監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2001年年1月月15日日FY-1C觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像 （4）水域變化監(jiān)測）水域變化監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2001年年2月月15日日FY- 1C觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像 （4）水域變化監(jiān)測）水域變化監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geogra

20、phy Analysis for Remote Sensing1989年洪澤湖1995年洪澤湖王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2000年洪澤湖2006年洪澤湖王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2009年王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing4.3 水體污染監(jiān)測水體污染監(jiān)測利用遙感技術能迅速、同步地監(jiān)測大范圍水環(huán)境利用遙感技術能迅速、同步地監(jiān)測大范圍

21、水環(huán)境質量狀況及其動態(tài)變化，在這些方面彌補了常質量狀況及其動態(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。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，就精度而言，遙感方法通常低于常規(guī)監(jiān)測方法，但遙感技術正是通過這種精度上的損失，換取但遙感技術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，這正是把遙感技術應用于水環(huán)境研究的意義所在正是把遙感技術應用于水環(huán)境研究的意義所在。 王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis

22、for Remote Sensing 從原理上說，遙感傳感器記錄的是地表從原理上說，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），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的水環(huán)境化學物質才有可體的電磁波輻射性質的水環(huán)境化學物質才有可能通過遙感技術加以探測，并非所有水環(huán)境化能通過遙感技術加以探測，并非所有水環(huán)境化學研究的內容都可以輔以遙感手段。學研究的內容都可以輔以遙感手段。 4.3 水體污染監(jiān)測水體污染監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analys

23、is for Remote Sensing 利用遙感技術研究水環(huán)境化學包括定性利用遙感技術研究水環(huán)境化學包括定性和定量兩種方法。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（或顏定性遙感方法是通過分析遙感圖像的色調（或顏色）特征或異常對水環(huán)境化學現象進行分析評色）特征或異常對水環(huán)境化學現象進行分析評價的，這往往需要了解水環(huán)境化學現象與遙感價的，這往往需要了解水環(huán)境化學現象與遙感圖像的色調（或顏色）之間的關系，建立圖像圖像的色調（或顏色）之間的關系，建立圖像解譯標志。解譯標志。定量遙感方法建立在定性方法的基礎之上，為了定量遙感方法建立在定性方法的基礎之上，為了消除隨機因素的影響，通常需要

24、獲得與遙感成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）的實測數據，以標定定量像同步（或準同步）的實測數據，以標定定量數學模型。數學模型。 4.3 水體污染監(jiān)測水體污染監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 在江河湖海各種水體中，污染物種類繁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、廢水污染、熱污染和固體漂

25、浮物等幾種類型。 4.3 水體污染監(jiān)測水體污染監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing污染類型污染類型生態(tài)環(huán)境變生態(tài)環(huán)境變化化遙感影像特征遙感影像特征富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化浮游生物含浮游生物含量高量高在彩色紅外圖像上呈紅褐色或紫紅色在彩色紅外圖像上呈紅褐色或紫紅色,在在MSS7圖像上呈淺色調圖像上呈淺色調懸浮泥沙懸浮泥沙水體渾濁水體渾濁在在MSS5像片上呈淺色調像片上呈淺色調,在彩色紅外片上呈淡藍、在彩色紅外片上呈淡藍、灰白色調灰白色調,渾濁水流與清水交界處形成羽狀水舌渾濁水流與清水交界處形成羽狀水舌石油污染石油污染油

26、膜覆蓋水油膜覆蓋水面面在紫外、可見光、近紅外、微波圖像上呈淺色調在紫外、可見光、近紅外、微波圖像上呈淺色調,在熱紅外圖像上呈深色調在熱紅外圖像上呈深色調,為不規(guī)則斑塊狀為不規(guī)則斑塊狀廢水污染廢水污染水色水質發(fā)水色水質發(fā)生變化生變化單一性質的工業(yè)廢水隨所含物質的不同色調有差異單一性質的工業(yè)廢水隨所含物質的不同色調有差異城市污水及各種混合廢水在彩色紅外像片上呈黑色城市污水及各種混合廢水在彩色紅外像片上呈黑色熱污染熱污染水溫升高水溫升高在白天的熱紅外圖像上呈白色在白天的熱紅外圖像上呈白色或白色羽毛狀或白色羽毛狀,也稱羽狀水流也稱羽狀水流固體漂浮固體漂浮物物各種圖像上均有漂浮物的形態(tài)各種圖像上均有漂浮

27、物的形態(tài)4.3 水體污染監(jiān)測水體污染監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 遙感參數遙感參數測定項目測定項目地面分辨地面分辨率率(m)光譜分辨率光譜分辨率( m)波長范波長范圍圍(nm)攝影周期攝影周期視場角視場角(離鉛直離鉛直方向的角度方向的角度)攝影范圍攝影范圍(km km)石油污染石油污染10-30*（300）紫外、紫外、可見、可見、微波微波2-4小時小時（1天）天）注意光暈注意光暈200 200（20 20）懸浮泥沙懸浮泥沙20（500）0.15（0.15）350-800400-7002小時小時（1天）

28、天）0 -+15 （-5 -+30 ）350 100（10 10）固體廢物固體廢物10（200）0.15（0.15）350-800400-7005小時小時（10天）天）0 - +15 （-5 -+30 ）35 35（10 10）熱污染熱污染30（500）溫度分辨率溫度分辨率 0.2 C( 1 C)10-20 m(10-14 m)2小時小時（10天）天）35 35（10 10）富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化100（2000）0.05（0.15）400-7002天天（14天）天）0 - +15 （0 - +30 ）350 350（35 35）赤潮赤潮30（2000）0.015（0.015）400-7005小時小

29、時（2天）天）0 - +15 （-5 - +30 ）350 350（20 100）水質遙感對影像的要求 注：表內數字是指理想值，括弧內的數字是最低限度允許值。4.3 水體污染監(jiān)測水體污染監(jiān)測王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing太湖藍藻太湖藍藻王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing黃河三角洲黃河三角洲1988年年12月月3日日 王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing黃河三角洲黃河三角洲2005年年5月月8日日 http:/ 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing南京地區(qū)王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Remote Sensing石油污染石油污染王細元 城市與環(huán)境學院遙 感 地 學 分 析Geography Analysis for Rem