第四章 水體遙感

第四章水體遙感

城市與環(huán)境學(xué)院王細元xiyuan80_wang@163.com/ygdxfx/

遙感地學(xué)分析，黃家柱教授遙感地學(xué)分析內(nèi)容提要4.1水體的光譜特性4.2水資源遙感4.3水體污染監(jiān)測4.1水體的光譜特性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、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。4.1水體的光譜特性在可見光范圍內(nèi)，水體反射率總體上比較低，不超過10%，一般為4%~5%，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（0.45~0.52μm、0.52~0.60μm），其他波段反射率均較低，特別是近紅外波段，水體對該波段幾乎完全吸收。不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線

4.1水體的光譜特性不同泥沙含量水體的反射光譜曲線

4.1水體的光譜特性

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、河口海岸帶及淺海地形調(diào)查、海洋調(diào)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(shù)可成為水文、水資源調(diào)查的有效手段。

4.2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。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)。

4.2水資源遙感水文要素遙感研究（1）水資源分布（2）水深探測（3）水溫探測（4）水域變化監(jiān)測4.2水資源遙感（1）水資源分布監(jiān)督分類非監(jiān)督分類閾值法水體指數(shù)法譜間關(guān)系方法監(jiān)督分類非監(jiān)督分類水體信息提取方法閾值法：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，確定某一數(shù)值為區(qū)分該地物和背景地物的方法。水體信息提取閾值法：利用水體在近紅外波段反射率非常低為依據(jù)，區(qū)別水體與其他地物。缺點：不易區(qū)分陰影和水體。閾值為26水體指數(shù)法：利用平原地區(qū)陸地水在TM2比TM5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。水體指數(shù)（NDWI）=（TM2-TM5）/(TM2+TM5)缺點：不易區(qū)別陰影，適用與平原區(qū)譜間關(guān)系方法：通過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，水體具有獨特的譜間關(guān)系特征，即(TM2+TM3)>(TM4+TM5)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。缺點：細小河流難以提取。思考：用建模的方法實現(xiàn)譜間關(guān)系方法，模型應(yīng)該怎樣建立？作業(yè)：思考怎樣利用淮安地區(qū)的七個波段的TM圖像以及淮安市地圖數(shù)據(jù)，提取淮安市水資源分布圖，并繪制詳細的流程圖。（2）水深探測清水不同深度的光譜特征濁水不同深度的光譜特征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(shù)越小,則對水體的穿透性越好。衰減系數(shù)和遙感可視水深之間的關(guān)系互為倒數(shù)可見光衰減系數(shù)決定了光在水體遙感中的可測深度。不同的水體,由于所含物質(zhì)的不同,在可見光波段有不同的衰減系數(shù)。對水中信息進行透射遙感的最有效波段在藍色(0.45μm)至黃色(0.60μm)之間。(1)單波段模型:Z=alnX+b其中，X=L–Ls，L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；Z為反演的水深值；a、b為待定系數(shù)。(2)雙波段比值模型:Z=aln(X1/X2)+b其中，X1=L1-Ls1；X2=L2-Ls2，L1、L2為單一波段的輻射亮度值，Ls1、Ls2為L1、L2對應(yīng)波段在深水區(qū)的輻射亮度值；Z為反演的水深值；a、b為待定系數(shù)。(3)多波段組合模型:Z=a0+∑ailnXi，其中，Xi=Li-Lsi，Li為單一波段的輻射亮度值，Ls為Li對應(yīng)波段在深水區(qū)的輻射亮度值；Z為反演的水深值；a0、ai為待定系數(shù)。（2）水深探測（2）水深探測（2）水深探測全球海面溫度分布（3）水溫探測全球海面溫度分布SSTdataexamplefromApril1999（3）水溫探測（3）水溫探測水域變化監(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。

（4）水域變化監(jiān)測2001年1月15日FY-1C觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像

（4）水域變化監(jiān)測2001年2月15日FY-1C觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像（4）水域變化監(jiān)測1989年洪澤湖1995年洪澤湖2000年洪澤湖2006年洪澤湖2009年4.3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(xué)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(xué)物質(zhì)才有可能通過遙感技術(shù)加以探測，并非所有水環(huán)境化學(xué)研究的內(nèi)容都可以輔以遙感手段。4.3水體污染監(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)象進行分析評價的，這往往需要了解水環(huán)境化學(xué)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(biāo)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(zhǔn)同步）的實測數(shù)據(jù)，以標(biāo)定定量數(shù)學(xué)模型。

4.3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(xí)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。4.3水體污染監(jiān)測污染類型生態(tài)環(huán)境變化遙感影像特征富營養(yǎng)化浮游生物含量高在彩色紅外圖像上呈紅褐色或紫紅色,在MSS7圖像上呈淺色調(diào)懸浮泥沙水體渾濁在MSS5像片上呈淺色調(diào),在彩色紅外片上呈淡藍、灰白色調(diào),渾濁水流與清水交界處形成羽狀水舌石油污染油膜覆蓋水面在紫外、可見光、近紅外、微波圖像上呈淺色調(diào),在熱紅外圖像上呈深色調(diào),為不規(guī)則斑塊狀廢水污染水色水質(zhì)發(fā)生變化單一性質(zhì)的工業(yè)廢水隨所含物質(zhì)的不同色調(diào)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熱污染水溫升高在白天的熱紅外圖像上呈白色或白色羽毛狀,也稱羽狀水流固體漂浮物各種圖像上均有漂浮物的形態(tài)4.3水體污染監(jiān)測遙感參數(shù)測定項目地面分辨率(m)光譜分辨率(m)波長范圍(nm)攝影周期視場角(離鉛直方向的角度)攝影范圍(kmkm)石油污染10-30*（300）——紫外、可見、微波2-4小時（1天）注意光暈200200（2020）懸浮泥沙20（500）0.15（0.15）350-800400-7002小時（1天）0-+15（-5-+30）350100（1010）固體廢物10（200）0.15（0.15）350-800400-7005小時（10天）0-+15（-5-+30）3535（1010）熱污染30（500）溫度分辨率0.2C(1C)10-20m(10-14m)2小時（10天）——3535（1010）富營養(yǎng)化100（2000）0.05（0.15）400-7002天（14天）0-+15（0-+30）350350（3535）赤潮30（2000）0.015（0.015）400-7005小時（2天）0-+15（-5-+30）350350（20100）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。4.3水體污染監(jiān)測太湖藍藻黃河三角洲1988年12月3日

黃河三角洲2005年5月8日/index.htm南京地區(qū)石油污染天津大港－青靜黃排污河福州城市排污河溫排水污染圖中白盆珠水庫絕大部分水域都呈藍色，鄧孺孺解釋，這表明有機污染物濃度較低。但在白盆珠水庫一壩尾處卻出現(xiàn)了一小片青綠色，顯示水中有機污染物濃度明顯高于其他水域?！案鶕?jù)監(jiān)測圖，我們可以確定污染源的大概位置和面積。隨后，我們根據(jù)檢測圖上顯示的位置進行實地走訪，發(fā)現(xiàn)該水域竟有20多戶養(yǎng)殖戶，每戶養(yǎng)有上萬只鴨子?！蔽錆h地區(qū)灰度熱紅外遙感影像圖(TM6)本章結(jié)束練習(xí)：水體遙感練習(xí)數(shù)據(jù)（二選一）數(shù)據(jù)中包括1989年3月10日和2009年