水體富營養(yǎng)化

1、利用遙感影像對水體富營養(yǎng)化監(jiān)測當(dāng)大量的營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體后，在一定條件下臺(tái)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。m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)。ym處出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)。在“節(jié)點(diǎn)處，水面反射率隨葉綠素濃度變化不大。在0.55ym處出現(xiàn)明顯的吸收（輻射微弱）；在0.52卩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0.441）水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系

2、水中葉綠素濃度是浮游生物分布的指標(biāo)，是衡量水體初級(jí)生產(chǎn)力（水生植物的生物量）和富營養(yǎng)化作用的最基本的指標(biāo)。它與水體光譜響應(yīng)間關(guān)系的研究是十分重要的。當(dāng)然，這種指示作用的有效性還與浮游植物光合作用的環(huán)境因素（如營養(yǎng)鹽、溫度、透明度等）以及葉綠素含量變化的制約條件有關(guān)。一般說來，隨著葉綠素含量的不同，在0.430.70pm光譜段會(huì)有選擇地出現(xiàn)較明顯的差異。圖5.9顯示不同葉綠素含量水面光譜曲線。從圖中可見，在波長0.44pm處有個(gè)吸收峰。0.40.48pm（藍(lán)光）反射輻射隨葉綠素濃度加大而降低；在波長0.52pm處出現(xiàn)節(jié)點(diǎn),即該處的輻射值不隨葉綠素含量而變化；在波長0.55pm處出現(xiàn)反射輻射峰，并

3、隨著葉綠素含量增加，反射輻射上升；在波長0.585pm附近有明顯的熒光峰（圖5.10）。這是由于浮游植物分子吸收光后，再發(fā)射引起的拉曼效應(yīng)一一即進(jìn)行水分子破裂和氧分子生成的光合作用，激發(fā)出的能量熒光化的結(jié)果。從圖中可知，以上的波峰-波谷帶寬較窄，為獲取這些有指示意義的信息，需要選擇的波段間隔不宜寬，最好小于或等于5nm。圖5.11反映航空遙感所測的不同葉綠素濃度的海水的光譜響應(yīng)差異。從圖中可見，當(dāng)葉綠素濃度增加時(shí)，可見光的藍(lán)光部分的光譜反射率明顯下降，但綠光部分的反射率則上升。t.T，圖5.9不同葉綠素含量水面光譜曲線圖5.10不同葉綠素含量水面光譜曲線t.T，圖5.9不同葉綠素含量水面光譜曲

4、線圖5.10不同葉綠素含量水面光譜曲線卑Jt竹里itH楝貞盤就廉圖5.11航空遙感所測的海水的光譜響應(yīng)2）水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測的可行性對于富營養(yǎng)化的兩個(gè)不同階段藻類大量繁殖階段和藻類大量死亡分解階段（耗氧階段），水體有不同的光譜特征。由于浮游植物中的葉綠素對近紅外光具有明顯的“陡坡效應(yīng)”，因而這種水體兼有水體和植物的光譜特征在紅光區(qū)特別是在近紅外區(qū)具有高的反射率。因此，在赤潮發(fā)生時(shí)，水體在彩色紅外像片上（或標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像上）呈現(xiàn)紅色斑塊，在彩色紅外圖像上，富營養(yǎng)化水體呈紅褐色或紫紅色；當(dāng)藻類大量死亡后，水中含有豐富的消光性有機(jī)分解物，在上述兩種圖像上水體會(huì)呈現(xiàn)近于藍(lán)黑的暗色調(diào)。當(dāng)然，富營養(yǎng)化的

5、這兩個(gè)階段不是截然分開的，因此圖像上有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)綜合特征。在AVHRR可見光譜段，水體表現(xiàn)為一片漆黑，當(dāng)海洋水體中浮游生物和懸浮固體濃度增加，使海洋水體向后散射光增加，但是增加得很小，在影像上水體還是黑暗的。只有發(fā)生藻華現(xiàn)象時(shí)（高濃度的顆石藻在成熟死亡過程中與藻層即碳酸鈣層脫離，其骨架自由懸浮在水中）會(huì)造成水體反射率增加，在影像上表現(xiàn)為發(fā)亮的高反射率影像。暖流在這個(gè)過程中起了促進(jìn)作用，即加速了過程的進(jìn)行。m處有很高的反射峰。ym和橙光區(qū)0.590.52卩由于水體富營養(yǎng)化及赤潮的發(fā)生，海面浮游植物大量繁殖和生長，藍(lán)、綠光被吸收，而紅光和近紅外則有強(qiáng)烈的反射，而偏離了正常的浮游植物的反射波譜，表現(xiàn)出

6、強(qiáng)烈的吸收和反射特性。因此，赤潮發(fā)生時(shí)，在藍(lán)、綠波段表現(xiàn)吸收特性，在紅光區(qū)的0.590.72通過監(jiān)測沿岸海面，發(fā)現(xiàn)赤潮、水體富營養(yǎng)化，并確定其程度和圈定其范圍。并對發(fā)現(xiàn)的赤潮進(jìn)行短期內(nèi)的重復(fù)監(jiān)測，以獲取其發(fā)生、發(fā)展的進(jìn)度和機(jī)理，尋求減少這類災(zāi)害出現(xiàn)的方法和措施。2）水體提取m之間。在該波段，足夠的太陽照度既能照亮背景物體，又能對水生植物所封閉的水體增加許多識(shí)別條件（陸家駒等，1992）。ym的波段，由于太陽輻射量的減少，并非最佳。根據(jù)國外學(xué)者的測試，理想的識(shí)別水體波長應(yīng)在1.5-1.8卩要用TM影像進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測首先要將水體范圍從影像中提取出來。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

7、一種可信的和有效的技術(shù)。在近紅外波段，穿過水氣界面的太陽輻射大部分被水體所吸收，吸收的多少隨波長和水深而定（陸家駒等，1992）。對于深于1m的水體，紅外波段的透射率極低，因而觀測水體的近紅外傳感器只能接受到少量輻射，有時(shí)甚至沒有輻射。而大部分地物相對于水體來說都是強(qiáng)漫射反射體，與水面形成強(qiáng)烈的反差。近紅外波段的波長不同，對水體的反映效果也不同。如大氣窗口為2.0-2.5m）位于水體的吸收波段，對水陸邊界反映較好，通常被用來提出水體（陸家駒等，1992；楊存建等，1998）。但是由于受其它在近紅外波段光譜特征相似的地物的影響，用單波段的閾值法提取水體的結(jié)果并不理想，有錯(cuò)提、漏提的現(xiàn)象。例如在山

8、區(qū)，由于山體的陰影在近紅外波段的反射率特別低，從而在影像上形成暗色調(diào)。水體與陰影的混淆使得難以在近紅外波段通過閾值法來提取水體。y綜上所述，近紅外波段的水體輻射率明顯單一并且低于其它地物。因此選用一個(gè)合適的近紅外波段，定出其水體的亮度閾值，將低于該值的像元定為水體，高于該值的像元?jiǎng)t為非水體，這樣就把水體提取出來了。TM影像的5波段1.55-1.75為了提高對水體識(shí)別的效果，Alfoldi等人于1978年提出了色度判別法，后經(jīng)多人研究,得到了進(jìn)一步的完善和發(fā)展（Haralick,R.M.，etal.，1985）。其基本原理是，利用衛(wèi)星資料的綠、紅和紅外波段的綜合信息對整個(gè)圖像進(jìn)行色度轉(zhuǎn)換。即分別

9、用綠波段和紅波段的輻射值除以綠、紅、紅外波段輻射值的總和，得到綠色系數(shù)x和紅色系數(shù)y。將x和y點(diǎn)繪成圖，叫做陸地衛(wèi)星色度坐標(biāo)。在這一坐標(biāo)系統(tǒng)中，已定出一條曲線，它具體標(biāo)志著水體在色度坐標(biāo)中的集結(jié)位置。因此只要計(jì)算出圖像的x和y值，就可將接近于這條曲線的像元定為水體。色度判別法可以改善部分小水體的識(shí)別效果。然而對于更小的水體，特別是那些接近或小于像元面積的水體，還是無法識(shí)別。對于包含水體和其他地物的混合像元，用比率測算法分解像元，計(jì)算出流域每個(gè)像元中水體所占的比例，水體占一定比例以上的像元可以確定為水體。比率測算法能對其它方法無法識(shí)別的小水體，甚至部分小于像元面積的水體，有效地加以識(shí)別，對于湖泊、水庫等較大水體的岸線形狀也有很好的改善（陸家駒等，1992）。色度判別法和比率測算法雖然提高了對水體識(shí)別的效果，但是方法復(fù)雜，因此應(yīng)用并不廣泛?？紤]到遙感信息機(jī)理，衛(wèi)星遙感圖像記載了地物對電磁波的反射信息，以及地物自身的熱輻射信息。各種地物由于其結(jié)構(gòu)、組成以及理化性