遙感地學(xué)應(yīng)用04-水體和海洋遙感

第四章水體和海洋遙感遙感地學(xué)應(yīng)用2024/8/152§4.1概況§4.2水體遙感原理§4.3海洋衛(wèi)星及遙感器第四章水體和海洋遙感2024/8/153§4.1概況2024/8/154地球表面面積100地表開放水體74全球海洋面積71§4.1概況2024/8/155§4.1概況海洋是人類最大的資源寶庫。它蘊(yùn)藏極為豐富的礦物資源、生物、化學(xué)資源和能源，尤其在人口增長,陸上資源大量消耗的情況下,海洋將日益成為人類獲得食品、能源、原材料的基地。2024/8/156§4.1概況研究全球環(huán)境,不能脫離了占全球面積71%的海洋。遙感能提供大尺度、動態(tài)的觀測，且不受地理位置、天氣和認(rèn)為條件限制，恰好適用于對茫茫大海的觀測。遙感是研究海洋最重要的探測手段之一，所以美國、前蘇聯(lián)、歐洲空間局、日本、加拿大等均先后發(fā)射了海洋衛(wèi)星，我國也發(fā)射了自己的海洋衛(wèi)星。2024/8/157§

4.2水體遙感原理4.2.1水體光譜特征1.水體界限的確定2.水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系3.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系4.水體光譜特征與水深的關(guān)系5.水體光譜特征與水溫的關(guān)系6.水體光譜特征與水體污染物的關(guān)系4.2.2水體的微波輻射特征2024/8/1584.2.1水體光譜特征對水體來說，水的光譜特征主要是由水本身的物質(zhì)組成決定，同時(shí)又受到各種水狀態(tài)的影響。0.76可見光波段近紅外、短波紅外可見光波段可見光波段3%～10%5%

藍(lán)青綠黃橙紅對于清水，在藍(lán)—綠波段反射率4%～5%,0.6μm以下的紅光部分反射率降到2%～3%水的吸收少反射率較低大量透射可見光反射包含：水表面反射、水體底部物質(zhì)反射、水中懸浮物質(zhì)反射3個(gè)方面。幾乎吸收全部入射能量水體在近紅外、短波紅外這兩個(gè)波段的反射能量很小。這一特征與植被和土壤光譜有十分明顯的差異，因而在紅外波段識別水體是較容易的。0.8?2024/8/1594.2.1水體光譜特征圖13.2反映了水的光譜遞減規(guī)律，由于水在紅外波段的強(qiáng)吸收，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。它包括界面的反射、折射、吸收、水中懸浮物質(zhì)的多次散射（體散射特征）等。這些過程及水體“最終”表現(xiàn)出的光譜特征又是由以下因素決定的：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等。2024/8/15104.2.1水體光譜特征到達(dá)水面的入射光（太陽光和天空光）它的強(qiáng)度與水面性質(zhì)有關(guān)：表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰層、泡沫帶等。3.5%水面散射光Ls少量水體本身信息其余的光經(jīng)折射、透射進(jìn)入水中，大部分被水分子吸收和散射，以及被水中懸浮物質(zhì)所散射、反射、衍射成水中散射光。它的強(qiáng)度與水的混濁度成正相關(guān)，與水的深度成正相關(guān)。部分衰減后的水中散射光到達(dá)水體底部形成底部反射光它的強(qiáng)度與水的混濁度成正相關(guān)，與水的深度成負(fù)相關(guān)水中散射光的向上部分及淺海條件下的底部反射光共同組成Lw水中光或稱離水反射輻射。天空散射光Lp遙感器接收L=Lw+Ls+Lp2024/8/15114.2.1水體光譜特征L(接收)=Lw(水中光)+Ls水面反射光)+Lp(天空散射光)它們是波長、高度、入射角、觀測角的函數(shù)其中前兩部分包含有水的信息，因而可以通過高空遙感手段探測水中光和水面反射光，以獲取水色、水溫、水面形態(tài)等信息，并由此推測有關(guān)浮游生物、渾濁水、污水等的質(zhì)量和數(shù)量以及水面風(fēng)、浪等有關(guān)信息。2024/8/15124.2.1水體光譜特征說明1：上述的水體的散射和反射主要出現(xiàn)在一定深度的水體中，稱之為“體散射”。水體的光譜特性主要是通過透射率,而不僅是通過表面特征確定的，它包含了一定深度水體的信息，且這個(gè)深度及反映的光譜特性是隨時(shí)空而變化的。水色(水體的光譜特性)主要決定于水體中浮游生物含量(葉綠素濃度)、懸浮泥沙含量（混濁度）、營養(yǎng)鹽含量（黃色物質(zhì)、溶解有機(jī)物質(zhì)、鹽度指標(biāo)）以及其他污染物、底部形態(tài)（水下地形）、水深等因素。2024/8/15134.2.1水體光譜特征大量研究表明,葉綠素、懸浮泥沙等主要水色要素的垂直分布并非均勻的(見圖13.4)。水體中的水分子和細(xì)小懸浮質(zhì)(粒徑<<波長)造成大部分短波光的瑞利散射(散射系數(shù)與波長的4次方成反比,波長越短,散射越強(qiáng))，因此較清的水或深水體呈藍(lán)或藍(lán)綠色(清水光的最大透射率出現(xiàn)在0.45～0.55μm，其峰值波長約為0.48μm。2024/8/15144.2.1水體光譜特征說明2：離開水面的輻射部分(即水中光經(jīng)折射出水面的部分)，除了水中散射的向上部分外，還包含在日光激勵(lì)下水中葉綠素經(jīng)光合作用所發(fā)出的的熒光。2024/8/15154.2.1水體光譜特征說明3：水面入射光譜中，僅有可見光（0.4～0.76μm才透射入水，其他波段的入射光或被大氣吸收或被水體表面吸收，如圖13.5所示。該圖中還顯示藍(lán)光(0.4～0.5μm)水的透射性最好，對于清潔水可達(dá)幾十米。2024/8/15164.2.1水體光譜特征4.2.1水體光譜特征1.水體界限的確定2.水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系3.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系4.水體光譜特征與水深的關(guān)系5.水體光譜特征與水溫的關(guān)系6.水體光譜特征與水體污染物的關(guān)系2024/8/15171.水體界限的確定在可見光范圍內(nèi),水體的反射率總體上比較低,不超過10%，一般為4%～5%,并隨波長的增大逐漸降低,到0.6μm處約2%～3%，過了0.75μm，水體幾乎成為全吸收體。因此，在近紅外的遙感影像上，清澈的水體呈黑色。為區(qū)分水陸界線，確定地面上有無水體覆蓋，應(yīng)選擇近紅外波段影像。2024/8/15182.水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系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海域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)。2024/8/15192.水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系一般說來，隨著葉綠索含量的不同，在0.43～0.70μm光譜段會有選擇地出現(xiàn)較明顯差異。圖13.6顯示不同葉綠索含量水面光譜曲線。2024/8/15202.水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系從圖中可見，在波長0.44μm處有個(gè)吸收峰。0.4～0.48μm(藍(lán)光)反射輻射隨葉綠索濃度加大而降低；在波長0.52μm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0.55μm處出現(xiàn)反射輻射峰，并隨葉綠素含量增加，反射輻射上升；在波長0.685μm附近有明顯的熒光峰(圖13.7)。2024/8/15212.水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系圖13.8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。2024/8/15222.水體光譜特征與水中葉綠素含量的關(guān)系利用葉綠素濃度與光譜響應(yīng)間的這些明顯特征，人們采用不同波段比值法或比值回歸法等，以擴(kuò)大葉綠素吸收(0.44μm附近藍(lán)光波段)與葉綠素反射峰(0.55μm附近綠光波段)或熒光峰(0.685μm附近的紅光波段)間的差異，提取葉綠素濃度信息，以指示并遙感監(jiān)測水體(海洋)的初級生產(chǎn)力水平。2024/8/15233.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系自然因素和人類活動造成水土流失、河流侵蝕，河流帶走了大量泥沙入湖入海，是水中懸浮泥沙物質(zhì)的主要來源。這些泥沙物質(zhì)進(jìn)入水體，引起水體的光譜特性發(fā)生變化。水體反射率與水體混濁度之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系(正相關(guān))。隨著水中懸浮泥沙濃度增加，即水的混濁度增加，水體在整個(gè)可見光譜段的反射亮度增加，同時(shí)反射峰值波長向長波方向移動（“紅移”），即從藍(lán)(B)→綠(G)→更長波段(0.5μm以上)移動，而且反射峰值本身形態(tài)變得更寬。2024/8/15243.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系如圖13.2所示，自然環(huán)境下測量的清水(清澈湖水，懸浮泥沙含量10mg/L)和濁水(混濁泥水，懸浮泥沙含量達(dá)99mg/L)的反射光譜曲線有著明顯的差異，濁水的反射率比清水高得多，且與清水相比濁水的反射峰值都出現(xiàn)在更長的波段。正因?yàn)樗c泥沙含量關(guān)系密切，水色成為泥沙含量的較精確的一種指標(biāo)。水色隨混濁度的增加，由藍(lán)→綠→黃，當(dāng)水中泥沙含量近于飽和時(shí)，水色也接近泥沙本身的光譜。2024/8/15253.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系圖13.9為長春遙感試驗(yàn)對7種不同懸浮泥沙濃度的水庫進(jìn)行反射率測定，所得的水體反射光譜曲線與泥沙濃度的關(guān)系。圖示，隨著水中懸浮泥沙濃度的增加及泥沙粒徑的增大，水體的反射率增大，反射峰值向長波方向移動，但由于受到0.93μm、1.13μm紅外強(qiáng)吸收的影響，反射峰值移到0.8μm終止(可能有系統(tǒng)誤差)。2024/8/15263.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系一般說來，對可見光遙感而言，波長0.43μm～0.65μm為測量水中葉綠素含量的最佳波段；0.58μm～0.68μm

對不同泥沙濃度出現(xiàn)輻射峰值，即對水中泥沙反映最敏感，是遙感監(jiān)測水體混濁度的最佳波段，被NOAA，風(fēng)云氣象衛(wèi)星及海洋衛(wèi)星選擇。因此，調(diào)查水色多選用0.45μm～0.65μm

譜段。2024/8/15273.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系當(dāng)然，泥沙含量的多寡具有多譜段響應(yīng)的特性。因而水中泥沙含量信息的提取除用可見光紅波段數(shù)據(jù)外還多用近紅外波段數(shù)據(jù)(與紅波段數(shù)據(jù)正相反，其光譜反射率較低，且受水體懸浮泥沙含量的影響不大)，利用兩波段的明顯差異，選用不同組合可以更好地表現(xiàn)出海中懸浮泥沙分布的相對等級。2024/8/15283.水體光譜特征與懸浮泥沙含量的關(guān)系如何運(yùn)用遙感獲取的水體光譜數(shù)據(jù)提取出水中懸浮泥沙的專題信息，許多國內(nèi)外學(xué)者對之進(jìn)行了長期的研究，分別建立起不同的理論或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，來定量表達(dá)懸浮泥沙含量與遙感數(shù)據(jù)間的關(guān)系，反演懸浮泥沙含量，大致可分為：(1)基于統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?2)基于灰度系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的模型。2024/8/15294.水體光譜特征與水深的關(guān)系水深：指水的穿深能力，即水體的透光性能。它是由衰減長度來衡量的。衰減長度：是表示水中能見度的一個(gè)量度單位，一個(gè)衰減長度被定義為向下輻照度等于表面輻照度的1/e(或37%)的長度。水體本身的光譜特征是與水深相關(guān)的。2024/8/15304.水體光譜特征與水深的關(guān)系圖13.10顯示，清澈水體隨水深的增加(0～0.2m～2m～20m)，其光譜特征的變化。陽光透入清水的光譜特征，近水面的曲線形態(tài)近似于太陽輻射，但隨著水深的增大，水體對光譜組成的影響增大。在水深20m處，近紅外波段的能量幾乎不存在，僅保留了藍(lán)、綠波段能量。所以藍(lán)綠波段對研究水深和水底特征是有效的。2024/8/15314.水體光譜特征與水深的關(guān)系光對水的穿深能力，除了受波長的影響外，還受到水體混濁度的影響。圖13.11顯示不同混濁度水體的不同光譜衰減特征。圖示，隨著懸浮物質(zhì)含量(混濁度)的增加，反射率明顯增強(qiáng)，透射率明顯下降，衰減系數(shù)增大，光對水的穿深能力減弱，最大透射波長向長波方向移動。2024/8/15324.水體光譜特征與水深的關(guān)系對于清水，光的最大透射波長為0.45～0.55μm，其峰值波長約0.48μm，位于藍(lán)綠波段區(qū)。水體在此波段，散射最弱，衰減系數(shù)最小、穿深能力(即透明度)最強(qiáng)，記錄水體底部特征的可能性最大；在紅光區(qū)，由于水的強(qiáng)吸收作用，僅能反映水陸差異。正因?yàn)椴煌ㄩL的光對水體的透射作用和穿深能力不同，所以水體不同波段的光譜信息中，實(shí)際上反映了不同厚度水體的信息特征，包涵了“水深”的概念。2024/8/15334.水體光譜特征與水深的關(guān)系比如：一般藍(lán)綠波段穿透深度約10～20m，則水體對應(yīng)的像元可能反映約10～20m厚度水體的綜合光譜特性(清水則可能穿深30m)；而紅波段穿透深度約2m，則可能反映約2m厚度水體的綜合光譜信息。正如前述，水體的光譜特性主要是通過體散射，而不僅是表面反射測定的，這與陸地截然不同。2024/8/15344.水體光譜特征與水深的關(guān)系實(shí)際上影響遙感入水深度的因素很多。除了波長、水體混濁度外，還與水面太陽輻照度E(λ)—是太陽天頂角θ、太陽方位角?的函數(shù)，水體的衰減系數(shù)α(λ)、水體底質(zhì)的反射率ρ(λ)、海況、大氣效應(yīng)等有關(guān)。2024/8/15355.水體光譜特征與水溫的關(guān)系遙感器所探測的熱紅外輻射強(qiáng)度得到的水體溫度是水體的亮度溫度(輻射溫度)，本應(yīng)考慮水的比輻射率，方可得到水體的真實(shí)溫度(物理溫度)。但在實(shí)際觀測中由于水的比輻射率接近于1(近似黑體)，在波長6～14μm段尤為如此(圖13.13)。因此往往用所測的亮度溫度表示水體溫度。2024/8/15365.水體光譜特征與水溫的關(guān)系另外，由于水體熱容量大、熱慣量大、晝夜溫差小，且水體內(nèi)部以熱對流方式傳輸熱量，所以水體表面溫度較為均一，空間變化小；但是大氣效應(yīng)，特別是大氣中水汽含量，對水溫測算精度影響較大，因此，遙感估算水溫時(shí)，必須進(jìn)行大氣糾正。水面遙感測溫及水面大氣糾正均比陸地表面的簡單和成熟(遙感溫度反演請參看第4章有關(guān)內(nèi)容)。2024/8/15375.水體光譜特征與水溫的關(guān)系盡管，由于水體(這里主指海洋)中葉綠素、混濁度、表面形態(tài)、表面熱特征不一，使水體具有不同的光譜特征；盡管不同波譜段對水體由不同穿透能力，同一譜段對不同類型水體有不同穿透能力等，造成水體光譜特征的差異。但是，水體整體反射率低(<10%)，相互之間的光譜差異小，與陸地上地物光譜特征間差異相比要小得多，因而所得的海洋遙感圖像反差很低，可以獲得的信息十分有限。2024/8/15385.水體光譜特征與水溫的關(guān)系再加上，海洋信息的獲取還受到多變的海洋環(huán)境的干擾，如太陽入射角、觀察高度、海-氣條件(云層、海冰、海浪、傳播方向等)、底質(zhì)條件、水深以及水體本身不同的生物、化學(xué)、物理因素等。因此，對水體遙感尤其是海洋遙感來說，光學(xué)遙感(主要是可見光遙感)顯然是不夠的，除了采用可見光、紅外波段以外，還需更有效的電磁波譜段—微波等。2024/8/15396.水體光譜特征與水體污染物的關(guān)系當(dāng)出現(xiàn)下列情況時(shí)，有可能采用遙感的方法探測到水體的污染：(1)水體污染物濃度較大且使水色顯著地變黑、變紅或變黃，并與背景水色有較大的差異時(shí)。如上海的蘇州河在污染最嚴(yán)重時(shí)，黑色的河水注入黃浦江，并與黃色的黃埔江水形成明顯的差異色調(diào)，可以在可見光波段的影像上被識別出來。(2)水體高度富營養(yǎng)化，受到嚴(yán)重的有機(jī)污染，浮游生物濃度高時(shí)，與背景水體的差異也可以在近紅外波段影像上被識別。(3)水體受到熱污染，與周圍水體由明顯溫差，可以在熱紅外波段影像上被識別。(4)其他情況，如水上油溢污染可使紫外波段和近紅外波段的反射率增高，有可能被探測出來。2024/8/15404.2.2水體的微波輻射特征這里的水體主要指海洋，海洋的微波輻射取決于2個(gè)主要因素：(1)海面及一定深度的復(fù)介電常數(shù)(ε)。它反映海水的電學(xué)性質(zhì)，由表層物質(zhì)組成及溫度所決定。海水是由各種鹽類、有機(jī)質(zhì)、懸浮粒等組成的復(fù)雜水體。從微波輻射角度，海水可視為含NaCl等鹽類的導(dǎo)電溶液。海水的介電常ε是海水溫度、鹽度的函數(shù)。因而海洋微波遙感可以測得海面及水面下一定深度的溫度和含鹽度等信息。2024/8/15414.2.2水體的微波輻射特征(2)海面粗糙度——海面至一定深度內(nèi)的幾何形狀結(jié)構(gòu)。從這一角度可將海面分為4類：(1)平靜海面：海面無風(fēng)或風(fēng)速很小，可用物理光學(xué)理論處理，當(dāng)水面粗糙度較微波波長小得多時(shí)，可視為平坦表面，以鏡面反射為主。(2)風(fēng)浪海面：海面有波浪而成為一個(gè)隨機(jī)起伏的粗糙面。此時(shí)電磁波在界面上產(chǎn)生復(fù)雜多變的多次反散和散射，散射回波增強(qiáng)。同時(shí)，大風(fēng)浪海面往往伴有泡沫帶(含大量氣泡和水滴)。它的特征除與輻射亮度溫度有關(guān)外，還與海浪譜、海面風(fēng)速等有關(guān)。(3)污染海面：一般指油污染等形成兩層介質(zhì)，引起亮度溫度的顯著差異。油膜使海平面趨于平滑，減弱回波強(qiáng)度，而呈黑色。(4)凍結(jié)海面：海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介電常數(shù)較水體小，引起亮度溫度的明顯差異2024/8/1542§4.3海洋衛(wèi)星及遙感器針對上述的水體波譜特征及海洋的特點(diǎn)，海洋遙感需要有自己的特的研究手段和遙感器，歸納起來海洋遙感有以下特點(diǎn)：(1)大尺度、同步覆蓋。由于海洋現(xiàn)象范圍大、幅度大、變速快，因而海洋遙感需航天高平臺的宏觀、同步觀察。(2)在海洋光學(xué)遙感中，海洋向上反射的能量僅是陸地的0.1～0.05倍，且動態(tài)范圍很小。海洋的光譜特征差異小，并受干擾因素大，因此要獲得海洋環(huán)境的光學(xué)信息，其光學(xué)遙感器必須具有較窄的光譜譜段(帶寬)，較大的瞬時(shí)視場角，因而其空間分辨率較低。2024/8/1543§4.3海洋衛(wèi)星及遙感器(3)在衛(wèi)星遙感中，由于水體向上的反射輻射能太低，衛(wèi)星探測器所接收的輻射能量中85%來自大氣的干擾(大氣程輻射遠(yuǎn)大于離水反射輻射)，因此對水體(海洋)遙感而言，排除大氣的干擾尤為重要。(4)海洋微波遙感，一方面，海洋光譜特征差異小，且大氣干擾大，使海洋光學(xué)遙感受到很大限制，需要具有穿云破霧能力的微波，以獲取全天時(shí)、全天候的海洋信息；另一方面，海洋光學(xué)遙感對于海面形態(tài)等海況研究，已顯得無能為力，需要能提供大量海溫、海水含鹽度、海面形態(tài)結(jié)構(gòu)等信息的海洋微波遙感。2024/8/1544§4.3海洋衛(wèi)星及遙感器(5)海洋有一定深度。微波與可見光一樣，在水中極速衰減，微波穿透海水的深度也僅有厘米的量級，這顯然是不夠的，必須開拓新的探測途徑。激光可使遙測水深有了擴(kuò)大；而聲波在水中的傳播性能好(約1500m/s)，可以克服遙感在深度上的的局限。聲納用于探測海底。目前能測的最大范圍距船22km(側(cè)視)、分辨率為7m。我國自制的海底剖面儀、側(cè)向掃描聲納最大作用深度50m，均為回聲信號自記，可為研究水下地貌、沉積類型、結(jié)構(gòu)等為水利施工提供可靠依據(jù)。(6)海洋遙感需要海洋調(diào)查船、海洋浮標(biāo)、海洋潛水器等海洋實(shí)測資料的支持，以作為海洋遙感探測器標(biāo)定的依據(jù)。2024/8/15454.3.1海洋衛(wèi)星系列1978年6月22日美國發(fā)射了第一顆海洋衛(wèi)星Seasat-A，開創(chuàng)了海洋衛(wèi)星遙感的新紀(jì)元。隨后，許多國家陸續(xù)研制和發(fā)射了專題目的明確的海洋水色衛(wèi)星、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和海洋綜合探測衛(wèi)星。目前世界各國的海洋衛(wèi)星和以海洋觀測為主的在軌衛(wèi)星已有30多顆。2024/8/15464.3.1海洋衛(wèi)星系列2002年5月