.,1,第三章水環(huán)境遙感第一節(jié)水環(huán)境遙感原理地物三個(gè)明顯的輻射特征：總輻射水平的高低；可見(jiàn)光和紅外的輻射平衡關(guān)系，即光譜整體趨勢(shì)；輻射隨波段變化的方向和強(qiáng)度。水體的輻射特征表現(xiàn)在：天然水體對(duì)0.41.1m電磁波的反射率明顯低于其它地物，其總輻射水平低于其它地物，在遙感圖像上常常表現(xiàn)為暗色調(diào)；在近紅外波段的反射比可見(jiàn)光波段更低；同時(shí)對(duì)不同的水體，在可見(jiàn)光波段，其反射率有較為明顯的不同，如隨泥沙含量的增加而增加。,.,2,一、水體的光譜特征在紅外波段識(shí)別水體是比較容易的。水體的光學(xué)特征集中表現(xiàn)在可見(jiàn)光在水體中的輻射傳輸過(guò)程，他包括界面的反射、折射、吸收、水中懸浮物質(zhì)的多次散射等。而這些過(guò)程及水體最終表現(xiàn)出的光譜特征又由水面的入射輻射、水的光學(xué)性質(zhì)、表面粗糙度、日照角度與觀測(cè)角度、氣水界面的相對(duì)折射率以及在某些情況下還涉及水底反射光等等。體散射。,.,3,二、水體在不同傳感器上的表現(xiàn)1、MSSMSS是陸地衛(wèi)星Landsat1-3上的傳感器，有四個(gè)波段，空間分辨率80米。其中MSS4(0.5-0.6m)屬于可見(jiàn)光波段的藍(lán)綠光，對(duì)水體有一定的穿透能力，在黑白像片上顏色較淺。MSS5(0.6-0.7m)屬可見(jiàn)光黃紅波段，對(duì)水體的混濁度（海洋中泥沙，大河中懸移質(zhì)）有明顯反映。MSS6(0.7-0.8m)，MSS7(0.8-1.0m)波段由于水體強(qiáng)烈吸收能力，在圖像上呈黑色。,.,4,2、TMTM1（0.45-0.52m)與MSS4相比，對(duì)水體的穿透更強(qiáng)，探測(cè)水下地形更有效；TM4（0.76-0.90m)同MSS6、MSS7一樣，對(duì)探測(cè)水陸邊界非常有利。3、SPOT(HRV)既可以穿透水體探測(cè)，又比較精確的反映水體的邊界和形狀。,.,5,4、NOAA(AVHRR)CH2（0.725-1.15m）對(duì)水體反映敏感，而CH3（3.55-3.93m）是太陽(yáng)反射光和地物紅外熱輻射的交叉區(qū)，對(duì)地表溫度敏感。5、ERS和JERS（SAR),.,6,第三節(jié)水資源遙感包括水資源調(diào)查、流域規(guī)劃、水域面積分布變化、徑流估算、水深、水溫、冰雪覆蓋、河口帶及淺海地形調(diào)查、海洋調(diào)查等。,.,7,一、水文要素遙感1.水位面積和流域界定2.水深探測(cè)衰減長(zhǎng)度：向下輻照度等于表面輻照度的1/e(或37%)的長(zhǎng)度。,.,8,PoleynandFabian提出的海面的離水反射輻射Lw與水深Z的關(guān)系：Lw()=E()/*()/n2*exp-()(sec+sec)ZE()為太陽(yáng)輻照度；n為底質(zhì)的折射系數(shù)；()為衰減系數(shù)，是吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和；()為反射率；為太陽(yáng)天頂角；為太陽(yáng)方位角。,.,9,透明度Zm與表層水的線性衰減系數(shù)的關(guān)系，在許多海區(qū)表示為：l/e=(2.7-3.5)/Zml為衰減長(zhǎng)度,.,10,3、水文探測(cè)用所測(cè)的亮度溫度表示水體溫度。大氣中水汽含量對(duì)水溫測(cè)量精度影響較大，因此，遙感估算水溫時(shí)，必須進(jìn)行大氣糾正。海洋遙感圖像反差很低，可以獲得的信息十分有限。海洋的微波輻射取決于兩個(gè)主要因素：海面及一定深度的介電常數(shù)量；海面粗糙度。,.,11,4、徑流估算流域枯水計(jì)算融雪徑流計(jì)算,.,12,二、水域變化監(jiān)測(cè)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：海岸線確定；海灘涂的確定；海岸帶歷史變遷,.,13,第四節(jié)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)利用遙感技術(shù)研究水環(huán)境化學(xué)包括定性和定量?jī)煞N方法。定性遙感方法是通過(guò)分析遙感圖像的色調(diào)（或顏色）特征或異常對(duì)水環(huán)境化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。定量遙感方法建立在定性方法的基礎(chǔ)上，為了消除隨機(jī)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以標(biāo)定定量數(shù)學(xué)模型。,.,14,一、水體富營(yíng)養(yǎng)化遙感監(jiān)測(cè)反映水體富營(yíng)養(yǎng)化程度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。赤潮,.,15,1.水體光譜特征與水體葉綠素含量的關(guān)系隨著葉綠素含量的不同，在0.430.70m光譜段會(huì)有選擇地出現(xiàn)較明顯的差異。Landsat/TM為例比值回歸方程C=b(TM3/TM1)+a式中：C為葉綠素(CH1-a)相對(duì)改變；a、b為相關(guān)系數(shù),.,16,研究表明，水體葉綠素濃度與水面溫度間存在線性關(guān)系C=a0+a1tC為葉綠素濃度（mg/m3);t為水面溫度；a0、a1t為回歸系數(shù)。,.,17,2.葉綠素濃度信息提取方法1）經(jīng)驗(yàn)算法:海面葉綠素濃度C=FB/GF為函數(shù)關(guān)系因子；B（藍(lán)）、G（綠）分別為藍(lán)波段、綠波段的水體反射率。,.,18,Clarketal(1980)提出固體懸浮物濃度與葉綠素濃度的相關(guān)公式：lgS=-0.39+0.78lgCTassan(1993)在那不勒斯灣的研究也顯示懸浮固體濃度（g/m3)與葉綠素濃度(mg/m3)之間存在如下關(guān)系lgS=(-0.2470.016)+(0.5670.026)lgC傅克忖陳楚群,.,19,二、葉綠素濃度計(jì)算應(yīng)用1998年10月30日SeaWiFS數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和光譜混合分析三種方法計(jì)算臺(tái)灣海峽葉綠素濃度，并對(duì)這三種方法的結(jié)果進(jìn)行了比較（許捃，2000）1.數(shù)據(jù)源分析：SeaWiFS數(shù)據(jù)特征；SeaBAM數(shù)據(jù)；歷史統(tǒng)計(jì)資料。2.數(shù)據(jù)預(yù)處理3.用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算葉綠素濃度4.用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算葉綠素濃度5.用光譜混合分析法計(jì)算葉綠素濃度6.三種方法比較,.,20,OReillyetal(1998)用來(lái)自SeaBAM919個(gè)站點(diǎn)濃度范圍在0.01932.19g/L的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)15種經(jīng)驗(yàn)算法和2種半分析算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。C=10(a0+a1*R+a2*R2+a3*R3)+a4式中：R=lgRrs(1)/Rrs(2);a0、a1、a2、a3、a4為常數(shù),.,21,2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法Keiner和Brown采用SeaWiFS數(shù)據(jù)的可見(jiàn)光波段（412nm,443nm,490nm,510nm和550nm），用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法估算了海洋葉綠素濃度，提高了計(jì)算精度。3）光譜混合分析法是與主成分分析類似的影像分析方法，主要的不同是光譜混合分析定義一個(gè)確切的在空間上和時(shí)間上都恒定的參照物（純凈像元），而主成分變化完全依靠場(chǎng)景變換。另外，主成分變換分離正交因子，而光譜混合分析僅僅根據(jù)純凈像元來(lái)計(jì)算。,.,22,三、懸浮固體遙感監(jiān)測(cè)1、水體光譜特征與懸浮固體含量的關(guān)系隨著水中懸浮固體濃度的增加，水體在整個(gè)可見(jiàn)光譜段的反射亮度增加，水體由暗變得越來(lái)越亮，同時(shí)反射峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，而且反射峰值本身形態(tài)變得更寬。在可見(jiàn)光波段，0.58-0.68微米是遙感監(jiān)測(cè)水體混濁度的最佳波段。,.,23,1）基于統(tǒng)計(jì)分析的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图赐ㄟ^(guò)遙感數(shù)據(jù)與同步實(shí)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析，確定兩者間的相關(guān)系數(shù)，建立相關(guān)模型線性關(guān)系式：L=A+BS對(duì)數(shù)關(guān)系式：L=A+BlgS或S=A+BlgLGordon關(guān)系式：R=C+s/(A+BS)或1/(R-C)=B+A/S此式根據(jù)準(zhǔn)單散射近似公式得到R=A+B（1-e-DS),.,24,統(tǒng)一關(guān)系式:L=Gordon(S)*Index(S)=A+BS/G+S)+CS/G+S)e-DS,.,25,2)基于灰色系統(tǒng)理論的模型2、懸浮固體遙感監(jiān)測(cè)的可行性定量解譯懸浮固體濃度的最佳譜段應(yīng)在0.65-0.85微米之間。水體中固體懸浮物含量最初多用影像灰度定性地解釋。定量解釋是基于同步收集遙感數(shù)據(jù)、地面反射數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，直接計(jì)算光譜和懸浮物之間的多項(xiàng)式幾何校正曲線。,.,26,衛(wèi)星傳感器接收到的輻射亮度與水體反射率的關(guān)系如下：N=Np+E/*RT應(yīng)用遙感方法測(cè)定水體懸浮物的關(guān)鍵問(wèn)題是建立遙感數(shù)據(jù)與懸浮物含量之間的定量關(guān)系，即S=f(R)或R=f(S),.,27,理論模式Gordon用MonteCarlo方程，得到類似于冪級(jí)數(shù)的關(guān)系式：Gordon簡(jiǎn)化模式：R=(C+S)/(A+BS),.,28,國(guó)家海洋局第二海洋研究所模型：R=C+A0/2B0lg(2B0B1S+B02)A+BlgS華東師大模型:S=R/(a0-b0Rd,.,29,3.懸浮固體信息提取方法1）回歸方法用遙感輻射亮度估算懸浮固體濃度大體有以下5個(gè)步驟：（1）同步測(cè)量懸浮固體濃度（SSC）和水體上行輻射率L()（2)對(duì)第一步中的環(huán)境影響進(jìn)行校正（3）用所選樣點(diǎn)數(shù)據(jù)得到校正后SSC和L()的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型（4）用第三步所得的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型和校正后的遙感影像輻射率L()估算SSC（5）用測(cè)試樣點(diǎn)的SSC數(shù)據(jù)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果,.,30,2）色度模型和主成分分析在不同大氣條件下，用MSS4,5波段與MSS4，5，6波段的比值，分別求出綠色系數(shù)和紅色系數(shù)。用這些色度參數(shù)與同時(shí)相的芬蘭灣實(shí)測(cè)懸浮物濃度得出色度參數(shù)與懸浮固體濃度的相關(guān)模型。3）光譜混合分析法,.,31,四、水體懸浮固體濃度提取應(yīng)用實(shí)例許郡（2000）以福建省福清市海岸帶為例，采用TM數(shù)據(jù)對(duì)近岸水體的懸浮固體濃度進(jìn)行了提取。,.,32,模型數(shù)據(jù)預(yù)處理懸浮固體濃度計(jì)算流程,原始數(shù)據(jù),大氣參數(shù),大氣校正,光譜特征,水體提取,DEM,水深校正,懸浮固體濃度,潮時(shí)、潮差,.,33,1、大氣校正最簡(jiǎn)單的大氣校正方法是暗像元的減法校正。Smith等于1990年提出一種基于光譜混合分析的儀器和大氣校正方法。用大氣校正模型進(jìn)行大氣校正。通常有三種大氣校正模型，復(fù)雜程度各不相同。,.,34,2、水體提取國(guó)內(nèi)外的研究證明，近紅外波段的遙感信息是確定水體的一種可信的和有效的技術(shù)。3、水體及背景地物的光譜特征分析,.,35,典型地物的光譜亮度值,.,36,4、水深校正在進(jìn)行海岸帶水色遙感時(shí)，由于水深較淺，難免受到海洋底質(zhì)光譜反射率的影響，使得影像的光譜信息中包含了海洋底質(zhì)的光譜特征，因此要進(jìn)行水深校正，消除海洋底質(zhì)的影響。對(duì)于近岸懸浮固體濃度在100mg/L左右，水深大于2030米的水體，水體上行輻射率L()不受底部反射率的影響。對(duì)于任何可見(jiàn)光波段的傳感器，其接收到的90的輻射亮度來(lái)自于水體表層1/K的深度內(nèi)，K是水中的漫射衰減系數(shù)。),.,37,據(jù)Whitlack研究，懸浮固體物含量超過(guò)10mg/L后，穿透深度的變化就很小了，可視為常數(shù)。,.,38,5、用線性光譜混合法計(jì)算懸浮固體濃度用光譜混合分析法計(jì)算懸浮固體濃度，首先要獲取不同懸浮固體濃度水體的光譜特征,.,39,.,40,對(duì)數(shù)校正曲線fhigh=-0.972=0.298ln(0.3S+21.5540,.,41,光譜混合分析法計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià),.,42,6、結(jié)果與討論,.,43,五、石油污染遙感監(jiān)測(cè)六、廢水污染遙感監(jiān)測(cè)七、熱污染遙感監(jiān)測(cè),.,44,第五節(jié)海洋水色遙感研究一、海洋水色遙感概述二、海洋水色遙感基礎(chǔ)研究1、海水光學(xué)特性2、大氣輻射校正1）經(jīng)驗(yàn)的Gordon大氣校正方法Lt=Lwt+L*2）Gordon傳統(tǒng)大氣校正方法的改進(jìn)Lt()=Lr()+La()+tLw(,C),.,45,三、海洋水色要素信息提取1、海洋水色要素提取技術(shù)進(jìn)展1）浮游植物色素濃度年季變化研究2）CZCS遙感資料在浮游植物色素濃度年季變量中的研究3）CZCS遙感資料在漁業(yè)研究上的應(yīng)用4）CZCS遙感資料在近岸油氣勘探與生產(chǎn)中應(yīng)用研究5）CZCS遙感資料在海上船舶航行中的應(yīng)用研究6）CZCS遙感圖像在海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,.,46,2、海洋水色要素信息提取存在的問(wèn)題1）水色要素信息提取算法模式的不完善性2）大氣校正方法研究中存在的問(wèn)題3）季節(jié)性大氣中懸浮沙塵對(duì)大氣校正的影響,.,47,3、葉綠素濃度反演1）解析算法2）經(jīng)驗(yàn)算法葉綠素濃度C對(duì)光譜輻射亮度比率經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式中最普通的形式為：lgC=lgA+lglw(i)/Lw(j)4、懸浮固體含量反演,.,48,四、海洋水色要素應(yīng)用研究1、污染物質(zhì)與黃色物質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用2、動(dòng)力環(huán)境要素反演應(yīng)用3、在海岸帶和陸地上的應(yīng)用4、在全球尺度環(huán)境變化過(guò)程中的應(yīng)用,.,49,五、海洋水色遙感專題圖制作1、海洋色素濃度變化圖1）研究目標(biāo)應(yīng)用海洋水色衛(wèi)星遙感資料研究制作主要水色要素葉綠素、懸浮物質(zhì)、黃色物質(zhì)和污染物質(zhì)等時(shí)空分布圖。2）現(xiàn)有基礎(chǔ)包括國(guó)外和國(guó)內(nèi)在海洋色素研究方面的基礎(chǔ)3）研究?jī)?nèi)容和成果共有10項(xiàng),.,50,2、初級(jí)生產(chǎn)力分布圖1）研究目標(biāo)通過(guò)制作初級(jí)生產(chǎn)力分布圖，為海洋漁業(yè)保護(hù)與捕撈、海水養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)等服務(wù)提供有意義的數(shù)據(jù)。2）現(xiàn)有基礎(chǔ)3）研究?jī)?nèi)容及成果葉綠素濃度與初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)關(guān)系研究；初級(jí)生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)相關(guān)關(guān)系研究及專題圖制作。,.,51,3、海面溫度場(chǎng)圖1）研究目標(biāo)應(yīng)用水色衛(wèi)星遙感資料提供制作海面溫度場(chǎng)圖，為海洋漁業(yè)保護(hù)、魚情預(yù)報(bào)、海水養(yǎng)殖、海洋動(dòng)力要素監(jiān)測(cè)等服務(wù)，并提供有關(guān)的科學(xué)數(shù)據(jù)。2）現(xiàn)有基礎(chǔ)3）研究?jī)?nèi)容及成果海面溫度場(chǎng)時(shí)空分布專題圖。重點(diǎn)魚場(chǎng)海面溫度場(chǎng)專題圖；重點(diǎn)海水養(yǎng)殖海區(qū)海面溫度場(chǎng)專題圖；海面溫度場(chǎng)與海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)性復(fù)合專題圖。,.,52,4、熱污染擴(kuò)散圖1）研究目標(biāo)為監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、熱污染擴(kuò)散趨勢(shì)和范圍，熱污染發(fā)生的程度及危害影響等服務(wù)，提供環(huán)境監(jiān)測(cè)所需科學(xué)數(shù)據(jù)。2）現(xiàn)有基礎(chǔ)3）研究?jī)?nèi)容及成果重點(diǎn)海區(qū)，特別是發(fā)電廠廢水排放海區(qū)，溫度擴(kuò)散場(chǎng)專題圖；重點(diǎn)海區(qū)海面溫度場(chǎng)時(shí)間變化專題圖；重點(diǎn)海區(qū)熱污染影響和危害專題圖。,.,53,5、近岸海區(qū)海洋動(dòng)力現(xiàn)象及黑潮流系變化圖1）研究目標(biāo)應(yīng)用水色衛(wèi)星遙感資料研究大、中尺度海洋動(dòng)力現(xiàn)象，目的是為了更全面、深入認(rèn)識(shí)和監(jiān)視大、中尺度海洋動(dòng)力過(guò)程的變化規(guī)律，及其在區(qū)域和全球環(huán)境變化中的影響和作用。2）現(xiàn)有基礎(chǔ)3）研究?jī)?nèi)容共7項(xiàng),.,54,6、海岸帶綜合環(huán)境圖1）研究目標(biāo)海岸帶地區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)是為海岸帶地區(qū)開(kāi)發(fā)利用及規(guī)劃制