第三章水環(huán)境遙感主要內容1水體的光譜特征2水資源遙感3水污染遙感6.1水體的光譜特性

從水體中得到的遙感光譜信號是多種信號的復合體，它包括了大氣散射及水面、水底的反射以及水體中多種綜合因素的散射輻射。波長為的遙感光譜信號的傳播過程如下圖所示：6.1水體的光譜特性6.1水體的光譜特性由高度為Z的傳感器接受到的遙感光譜信號L可用下式表示：

6.1水體的光譜特性

上圖和上式可以看出，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。水體遙感是復雜的。6.1水體的光譜特性純水在400～1100nm之間的吸收和散射特性6.1水體的光譜特性

上圖為純水在400-1100nm之間分辨率為1nm的吸收和散射特性。然而,就多種傳感器的表面水質監(jiān)測而言,還必須知道波譜段探測信號的反演能力。因為適當的波段劃分,選擇和組合會帶來許多優(yōu)點:減少數據的選擇過程,優(yōu)化波段組合算法,并減少多波段組合引起的噪聲影響等。水中某些成分對波譜信號的散射遠遠大于水分子本身對波譜信號的散射。不同水質呈現出不同的光譜特性。不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線

6.1水體的光譜特性不同泥沙含量水體的反射光譜曲線

6.1水體的光譜特性6.2水資源遙感水體遙感原理水既可以吸收也可以散射通過水汽界面的波譜輻射能量

(Ed)，但水的散射會增加天空輻射能量(Eu)，而水的吸收則會同時減少

Ed和

Eu。遙感探測的波譜信息就是這種吸收和散射過程綜合作用的結果。6.2水資源遙感

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、徑流估算、水深、水溫、冰雪覆蓋、土壤水分監(jiān)測、冰雪監(jiān)測、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。

6.2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，諸如海水溫度、鹽度、水深、洋流、波浪、潮沙等海洋諸要素的測量，對海洋的開發(fā)具有重要意義。遙感圖像可提供大尺度、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業(yè)生產提供了基礎。

6.2水資源遙感水文要素遙感研究

遙感技術能觀測地球表面信息，而不是傳統(tǒng)上某點的觀測值，并可觀測一些傳統(tǒng)方法觀測不到的水文變量。近年遙感技術的發(fā)展和應用，對水文科學的進展起重大的推動作用。（1）水位-面積和流域界定（2）水深探測（3）水溫探測（4）徑流估算6.2水資源遙感全球海面溫度分布6.2水資源遙感全球海面溫度分布SSTdataexamplefromApril19996.2水資源遙感水域變化監(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。（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2001年1月15日FY-1C觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像

2001年2月15日FY-1C觀測到的渤海海域海冰監(jiān)測圖像

6.3水污染遙感水污染遙感監(jiān)測及其與常規(guī)方法的區(qū)別：利用遙感技術能迅速、同步地監(jiān)測大范圍水環(huán)境質量狀況及其動態(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)境科學工作者的重視。近些年來出現了“水質遙感”和“污染遙感”研究課題，它們分別對自然水體和污染水體的水質（或污染物）進行遙感研究。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。

6.3水污染遙感水污染遙感監(jiān)測適用范疇：

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)境化學研究的內容都可以輔以遙感手段。

6.3水污染遙感水污染遙感監(jiān)測方法：

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。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，建立圖像解譯標志。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，通常需要獲得與遙感成像同步（或準同步）的實測數據，以標定定量數學模型。

6.3水污染遙感水污染種類：

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。

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圖像上呈淺色調懸浮泥沙水體渾濁在MSS5像片上呈淺色調,在彩色紅外片上呈淡藍、灰白色調,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,在熱紅外圖像上呈深色調,為不規(guī)則斑塊狀廢水污染水色水質發(fā)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,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)6.3水污染遙感水污染的遙感影像特征：

遙感參數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——紫外、可見、微波2-4小時（1天）注意光暈200200（2020）懸浮泥沙200.15（0.15）350-800400-7002小時（1天）0-+15（-5-+30）350100（1010）固體廢物100.15（0.15）350-800400-7005小時（10天）0-+15（-5-+30）3535（1010）熱污染30溫度分辨率0.2C(1C)10-20m(10-14m)2小時（10天）——3535（1010）富營養(yǎng)化1000.05（0.15）400-7002天（14天）0-+15（0-+30）350350（3535）赤潮300.015（0.015）400-7005小時（2天）0-+15（-5-+30）350350（20100）6.3水污染遙感水質遙感對影像的要求：

6.3.1水體富營養(yǎng)化（1）基本概念當大量的營養(yǎng)鹽進入水體后，在一定條件下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，從而導致魚類和貝類的死亡。這一過程稱為水體的富營養(yǎng)化。水體出現富營養(yǎng)化現象時，浮游藻類大量繁殖，形成水華。因占優(yōu)勢的浮游藻類的顏色不同，水面往往呈現藍色、紅色、棕色、乳白色等。這種現象在海洋中則叫做赤潮或紅潮。

6.3.1水體富營養(yǎng)化（2）危害富營養(yǎng)化會影響水體的水質，會造成水的透明度降低，使得陽光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的過飽和狀態(tài)。溶解氧的過飽和以及水中溶解氧少，都對水生動物有害，造成魚類大量死亡。同時，因為水體富營養(yǎng)化，水體表面生長著以藍藻、綠藻為優(yōu)勢種的大量水藻，形成一層“綠色浮渣”，致使底層堆積的有機物質在厭氧條件分解產生的有害氣體和一些浮游生物產生的生物毒素也會傷害魚類。

6.3.1水體富營養(yǎng)化因富營養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質含量超過一定標準的水，也會中毒致病。富營養(yǎng)化的防治是水污染處理中最為復雜和困難的問題。

太湖水華

太湖水華

6.3.1水體富營養(yǎng)化（3）遙感監(jiān)測反映水體富營養(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。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0.44m處出現明顯的吸收（輻射微弱）；在0.52m處出現“節(jié)點”。在“節(jié)點”處，水面反射率隨葉綠素濃度變化不大。在0.55m附近，普遍出現輻射峰值。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。

赤潮既可發(fā)生在遠海大洋，但更經常地發(fā)生在河口、內海、港灣等沿海海域。在我國沿海，如渤海灣至南海沿岸均多次發(fā)生赤潮，尤其是1998年3、4月間，在珠江三角洲和香港沿岸，7月在杭州灣，9月在渤海灣發(fā)生了嚴重的赤潮，對沿海生態(tài)系統(tǒng)產生了很大的危害，使經濟受到了巨大的損失。

科學研究和現場觀測表明，赤潮生物的存在是赤潮能否發(fā)生的一個關鍵。赤潮生物的生長需要一定的外部環(huán)境條件，包括海水的富營養(yǎng)化、溫度、鹽度、海表面的光照、海水的穩(wěn)定性以及海面風的強度等。海水的溫度、鹽度和海表面的光照程度決定了赤潮生物的生長速率，氣象和海洋因素則決定了赤潮生物對光和海水營養(yǎng)的利用程度。

HY-1衛(wèi)星遙感資料在海洋赤潮監(jiān)測、預警方面的應用利用：HY-1衛(wèi)星遙感資料反演生成的離水輻射率、葉綠素a濃度和海表溫度分布產品，研究形成了HY-1衛(wèi)星遙感赤潮信息的雙波段比值和溫度模型、基于主成分分析方法的模型等。利用上述赤潮信息提取模型和HY-1衛(wèi)星的高分辨率遙感資料可以對我國海區(qū)發(fā)生的赤潮進行監(jiān)測并提取與赤潮發(fā)生有關的位置和面積等信息。

下圖是HY-1衛(wèi)星監(jiān)測到的2002年6月15日發(fā)生在遼東灣海區(qū)的赤潮，圖中1和2處為赤潮發(fā)生區(qū)：

6.3.1水體富營養(yǎng)化（4）水體光譜特征與水中葉綠素含量的關系

水中葉綠素濃度是浮游生物分布的指標，是衡量水體初級生產力（水生植物的生物量）和富營養(yǎng)化作用的最基本的指標。它與水體光譜響應間關系的研究是十分重要的。當然，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。

不同葉綠素含量水面光譜曲線：6.3.1水體富營養(yǎng)化

從圖6.8和圖6.9中可看出：0.44μm處有個吸收峰。0.4-0.48μm（藍光）反射輻射隨濃度加大而降低；0.52μm處出現“節(jié)點”，即該處的輻射值不隨葉綠素含量而變化；0.55μm處出現反射輻射峰，并隨著葉綠素含量增加，反射輻射上升；0.685μm附近有明顯的熒光峰（圖6.8）。這是由于浮游植物分子吸收光后，再發(fā)射引起的拉曼效應一一即進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。6.3.1水體富營養(yǎng)化

不同葉綠素含量海水光譜曲線：6.3.1水體富營養(yǎng)化

從圖6.10中可看出：當葉綠素濃度增加時，可見光的藍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；研究表明隨著海水中懸浮物質濃度的增加，在0.52μm附近的葉綠素光譜“節(jié)點”會向長波方向移動。國外有關研究認為，當海水中懸浮物質濃度為0.1mg/L時，節(jié)點移至0.57μm；當海水中懸浮物質濃度達0.5mg/L時，節(jié)點可移到0.69μm。6.3.1水體富營養(yǎng)化

利用葉綠素濃度與光譜響應間的這些明顯特征，人們采用不同波段比值法或比值回歸法等，以擴大葉綠素吸收（0.44μm附近藍光波段）與葉綠素反射峰（0.55μm附近的綠光波段）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）的初級生產力水平。6.3.1水體富營養(yǎng)化

以Landsat/TM為例，選用TM1（0.45-0.52μm）和TM2（0.52-0.60μm）、TM3（0.63-0.69μm）波段數據，或直接比值法，TM3/TM1，TM2/TM1；或建立比值回歸方程。C=b(TM3/TM1)+a式中：C為葉綠素（CHl-a）相對濃度；a、b為相關系數，可通過同步（準同步）觀測求得，即由實測數據與遙感數據統(tǒng)計相關分析所得。使具有相同性質的噪聲和干擾得到消除或部分抑制。比值法可以消除因太陽高度角、觀測角不同而造成的誤差，還可以部分抵消大氣效應。但它更適于懸浮物質稀少的大洋水。6.3.1水體富營養(yǎng)化

研究測試表明，水體葉綠素濃度與水面溫度間存在線性相關：C=a0+a1t式中：C為葉綠素濃度（mg/m3）；t為水面溫度（℃）；a0、a1為回歸系數。6.3.1水體富營養(yǎng)化

對于遙感估算水體葉綠素濃度，國內外學者做了大量的研究，建立了不少遙感數據與不同葉綠素濃度的水體光譜間的數學模型。但因水中葉綠素的光譜信號相對較弱，加上水中懸浮固體含量的影響，因而目前遙感估算水中葉綠素含量的精度不高、平均相對誤差約20%-30%。6.3.1水體富營養(yǎng)化

為了有效地研究海洋水色的初級生產力——葉綠素濃度，海洋遙感衛(wèi)星攜帶了專門研究海洋水色的高光譜分辨率儀器——海岸帶水色掃描儀（CZCS）等。選取更為合適的中心波長，且波段間隔很窄（20nm左右）；高光譜或熒光水色掃描儀（0.43-0.80μm內共288個波段，波段間隔達2.5nm），可以獲得單個像元近似連續(xù)的光譜曲線，使觀測精度大大提高。6.3.1水體富營養(yǎng)化

（5）水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測的可行性

富營養(yǎng)化水體遙感特性：

對于富營養(yǎng)化的兩個不同階段——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”，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，水體在彩色紅外像片上（或標準假彩色圖像上）呈現紅色斑塊，在彩色紅外圖像上，富營養(yǎng)化水體呈紅褐色或紫紅色；當藻類大量死亡后，水中含有豐富的消光性有機分解物，在上述兩種圖像上水體會呈現近于藍黑的暗色調。6.3.1水體富營養(yǎng)化

近海與外海差別：沿岸水域的云霧狀影像可能是懸浮固體及微小浮游生物的向后散射共同作用的結果。因為沿岸水域帶來的懸浮固體及其他營養(yǎng)物和污染物會引起沿岸水域表層微小浮游生物迅速繁殖，所以沿岸水域的懸浮固體和微小浮游生物的濃度都比外海大，沿岸水域后向散射光譜在可見光及近紅外譜段的輻射量比外海大，在影像上反映就亮一些。6.3.1水體富營養(yǎng)化

AVHRR影像上的特征：

在AVHRR可見光譜段，水體表現為一片漆黑，當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)生藻華現象時會造成水體反射率增加，在影像上表現為發(fā)亮的高反射率影像。暖流在這個過程中起了促進作用，即加速了過程的進行。6.3.1水體富營養(yǎng)化

探測水體富營養(yǎng)化的方法：

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、綠光被吸收，而紅光和近紅外則有強烈的反射，而偏離了正常的浮游植物的反射波譜，表現出強烈的吸收和反射特性。因此，赤潮發(fā)生時，可以通過多波段傳感器的可見光和紅外的增強彩色影像，發(fā)現赤潮的存在。對于富營養(yǎng)化信息的提取，可以通過現場葉綠素生物量和藍藻生物量數據采樣，并用采樣數據與特定的遙感數據反映的水體綠度指數，建立遙感回歸模型，從而可得出水體中葉綠素及生物量的空間分布信息，并計算出葉綠素及藍藻生物總量，由此發(fā)現和監(jiān)測水體富營養(yǎng)化。6.3.1水體富營養(yǎng)化

（6）葉綠素濃度提取方法

用遙感方法估算葉綠素濃度，國內外許多學者已經做了大量工作，已有多種用遙感輻射率估算葉綠素濃度的光學生物算法。歸納起來，大致有經驗算法（基于回歸模型）、神經網絡模型法、光譜混合分析法等幾種算法。6.3.1水體富營養(yǎng)化

經驗算法：

根據海水中葉綠素濃度C和藍綠波段反射率比值（0.55/0.44）間存在的函數關系，建立葉綠素遙感比值法，用下式估算海面葉綠素濃度：

C=F(B/G)式中：F為函數關系因子，B（藍）、G（綠）分別為藍波段、綠波段的水體反射率。6.3.1水體富營養(yǎng)化

神經網絡模型：除非是在小范圍內的統(tǒng)計，否則標準的線性回歸不能反映葉綠素濃度與光譜特征之間的非線性關系，而非線性回歸需要二者之間關系的先驗知識,這通常很難獲取。而神經網絡模型沒有這個限制，可以靈活地模擬各種非線性關系，因此可用于大變化范圍的模擬方程。給定一定的節(jié)點數目，包含一個隱含層的神經網模型就可使幾乎任何連續(xù)方程接近任意的精度。一個簡單的神經網通過訓練就可以用來估算葉綠素濃度，達到比現有的回歸分析方法更高的精度6.3.1水體富營養(yǎng)化

光譜混合分析法

：光譜混合分析是一種像元分解的方法，將像元的光譜特征看成是各種純凈地物類型光譜特征的混合，用數學方法計算出每種純凈地物在低分辨率像元中所占的百份比。光譜混合分析算法有線性混合模型、非線性混合模型、凸面幾何學分析模型、有限光譜混合分析法等。

6.3.1水體富營養(yǎng)化

研究意義：

懸浮固體的運移特征是沿海河口形狀和演變規(guī)律的核心問題。了解和掌握河口懸浮固體的來源、含量、分布、運移、沉積，可分析河口演變的動力特征。其作用在于它將直接影響到河口區(qū)資源的開發(fā)利用、環(huán)境變化、經濟發(fā)展和人民生命財產問題。它是河口區(qū)發(fā)展決策的重要依據之一。所以用遙感的方法監(jiān)測懸浮固體是很有必要的。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

（1）水體光譜特征與懸浮固體含量的關系由于自然因素和人類活動造成水土流失、河流侵蝕等，河流帶走了大量泥沙入湖、入海，是水中懸浮固體物質的主要來源。這些泥沙物質進入水體，引起水體光譜特性的變化。水體反射率與水體混濁度之間存在著密切的相關關系。隨著水中懸浮固體濃度的增加，即水的混濁度的增加，水體在整個可見光譜段的反射亮度增加，水體由暗變得越來越亮，同時反射峰值波長向長波方向移動。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

正因為水色與泥沙含量關系密切，水色成為泥沙含量的較精確的一種指標。水色隨混濁度的增加，由藍色——綠色——黃色，當水中泥沙含量近于飽和時，水色也接近于泥沙本身的光譜。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

圖6.11為7種不同懸浮固體濃度的水庫進行反射率測定，所得的水體反射光譜曲線與泥沙濃度的關系。圖中所示，隨著水中懸浮固體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紅外強吸收的影響，反射峰值移到0.8μm終止。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

最佳波段：一般說來，對可見光遙感而言，波長0.43-0.65μm，為測量水中葉綠素含量的最佳波段；0.58-0.68μm對不同泥沙濃度出現輻射峰值，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。因此調查水色，多選用0.45-0.65μm譜段。除用可見光紅波段數據外還多用近紅外波段數據與紅波段利用兩波段的明顯差異，選用不同組合可以更好地表現出海水中懸浮固體分布的相對等級。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

(2)可行性懸浮固體含量不同，對輻射的吸收和散射也不同，因而在遙感影像中就可表現出不同的色調。隨著水中懸浮固體濃度的增加及懸浮固體粒徑增大，水體反射量逐漸增加，反射峰亦隨之向長波方向移動，稱為紅移。然而由于水體在0.93-1.13m附近對紅外輻射吸收強烈，所以反射通量急劇衰減，反射峰移到0.8m附近便終止移動。短波方向小于0.6m輻射由于反射通量降低和受水分子瑞利散射效應干擾，不適宜作懸浮固體濃度的判定波段，定量解譯懸浮固體濃度的最佳譜段應在0.65m-0.85m之間。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

可見光和近紅外波段是反映固體懸浮物最敏感的波段。很多用遙感計算懸浮物含量的方法，尤其是利用海岸帶水色掃描儀（CZCS）AVHRR數據的方法，都是用可見光和近紅外波段。根據遙感影像的光譜特征，定量地算出水體中懸浮物的含量。由于水體反射率還受大氣和水體環(huán)境變化的影響，使得不同的影像必須經過大氣校正。水體中懸浮固體的含量與衛(wèi)星接受到的水體后向散射輻射強度有良好的相關關系。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

(3)懸浮固體信息提取方法在實際工作中選擇與懸浮固體濃度相關性好的波段，與實地調查懸浮固體結果進行分析，建立特定波段輻射值與懸浮固體濃度的對應關系模型，然后對該波段輻射值進行反演，可以得到懸浮固體濃度。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

回歸方法：

用遙感輻射亮度估算懸浮固體濃度大體上有以下5個步驟：同步測量懸浮固體濃度（SSC）和水體上行輻射率L(λ)。對第一步中的環(huán)境影響進行校正。用所選樣點數據得到校正后SSC和L(λ)的經驗關系模型。用第三步所得的經驗關系模型和校正后的遙感影像輻射率L(λ)估算SSC。用測試樣點的SSC數據檢驗計算結果的精度。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

回歸方法必須基于以下幾點假設：懸浮固體濃度對L(λ)的影響與L(λ)對懸浮固體濃度的影響相同；懸浮固體濃度測量過程中沒有誤差；L(λ)的誤差與懸浮固體濃度無關。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

常用關系式：線性關系式：L=A+BS，此式為有限線性區(qū)間內的近似表達式，即L隨著S的增加而增加，其關系簡單，誤差較大。對數關系式：L=A+BlogS或S=A+BlogL，此式在懸浮固體濃度不高時，精度較高；而對高濃度水域誤差較大。Gordon關系式：R=C+S/(A+BS);負指數關系式：R=A+B(1-e-DS);統(tǒng)一關系式：L=A+B[S/(G+S)]+C[S/(G+S)]e-DS6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

由于單波段遙感數據的局限性，人們常利用不同波段對泥沙水體光譜響應特征的差異，提取反映水體泥沙含量的不同遙感指數，如由可見光與近紅外波段數據組成的歸一化泥沙指數等，以提高遙感反演的精度。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

基于灰色系統(tǒng)理論的模型：統(tǒng)計相關模型的缺點，基于統(tǒng)計相關分析的模型，要求樣本數據量大，且數據分布典型。要滿足此條件，對于浩瀚、多變的大海中海洋調查船的取樣，尤為困難，而若樣本數量不足或分布不典型，則難以從中尋找出統(tǒng)計規(guī)律，或引起較大誤差，往往會因增加或減少一、兩個樣點而引起相關系數出現較大的變化幅度。顯然，這種不穩(wěn)定的相關系數用于外推，誤差一定不小。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

地學現象與規(guī)律往往是多因子的綜合效果。這些多因素往往交織在一起，難以分離，且部分變量或信息是已知的，部分是未知的。這本身具有灰色系統(tǒng)的特點。為了避免統(tǒng)計分析的不足，可以運用灰色系統(tǒng)理論中的灰色數學方法—關聯(lián)度分析方法，通過少量已知樣本外推求取誤差較小的估算效果。所謂“關聯(lián)度分析”是對事態(tài)變化趨勢的量化分析，其實質是對曲線間幾何形狀貼近程度的分析比較。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

光譜混合分析法：通過實驗所測的懸浮物濃度邊界參數，可得出每個邊界對像元類型的貢獻率。在實驗數據光譜混合分析的基礎上，可轉換成懸浮物濃度。光譜混合分析象主成分分析一樣，同時結合多波段的多種成分的光譜信息，在藍、綠光波段提高了懸浮物低濃度區(qū)的靈敏度，在紅、近紅外波段提高了懸浮物高濃度區(qū)的靈敏度。這種方法適用于缺少實測數據的地區(qū)。6.3.2懸浮固體遙感監(jiān)測

太湖懸浮物監(jiān)測

概念：石油污染指在石油的開采，煉制，貯運，使用的過程中，原油和各種石油制品進入環(huán)境而造成的污染。當前主要是石油對海洋的污染，已成為世界性的嚴重問題。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

海上石油污染

石油污染的企鵝

遙感監(jiān)測的意義：遙感調查石油污染不僅能發(fā)現已知污染區(qū)的范圍和估算污染石油的含量，而且可追蹤污染源。如果污染源是海上油輪，可根據遙感圖像追究其法律責任；如果污染源不是來自人類活動，而是海底自然漏油，則可能發(fā)現新的油田。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

遙感監(jiān)測波段：石油污染后，在海面上形成一層油膜，未污染海水與水面上油膜，由于兩者的輻射反射率不同，輻射溫度不同。因而可以利用熱紅外圖像進行遙感監(jiān)測。在熱紅外圖像上，夜晚未污染水區(qū)呈白色條帶，排油區(qū)呈黑色條帶。另外灰階不同，還可計算出石油覆蓋的含量，而且可以追蹤，污染源。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

控測石油污染的方法很多。一種是利用0.3-0.4m波段控測，石油在這個波段反射率較弱。在紫外像片上油膜呈白色調，在可見光的藍色光范圍；石油反射率較海水高，還有閃爍現象，油污的偽彩色密度分割片能很清楚顯示排油源和油污范圍。在常溫下石油反射率遠小于海水反射率，熱紅外像片上，油膜呈深色調，也可測定油污。用13.6GHZ頻率（即2.2cm波長）的微波輻射計成像成能監(jiān)測石油污染。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

目前可用于水面石油污染監(jiān)測的傳感器較多，有航空的，也有航天的。

可見光中工作波段在0.63-0.68m的傳感器能使油膜和周圍干凈海水的反差達到最大。因此，可以用紅光波段來監(jiān)測海面油膜，而用藍光波段來區(qū)分油膜、航跡和泥漿羽流，以達到多波段可見光航遙油測的最佳效果。

紫外光波段對厚度小于5mm的各種水面油膜敏感。此時，油膜對紫外光的反射率比海水高1.2-1.8倍，有較好的亮度反差。因此。利用紫外波段電磁波，可以把海面薄油膜顯示出來。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

紅外遙感技術是目前廣泛使用的海洋石油污染監(jiān)測技術。實驗表明，厚度大于0.3mm的油膜，熱紅外比輻射率在0.95-0.98之間，海水的比輻射率在0.993。因此，當油膜與海水實際溫度相同時，它們的熱紅外輻射強度是不同的。對厚度小于1mm的油膜，其比輻射率隨厚度的增加而增加。因此，海面油膜的紅外影像也能反映出灰度層次隨厚度的變化情況。由此，從海面油膜的灰度等級，可以確定油膜的厚度等級，算出油膜的厚度和分布，推算出總溢油量。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

微波波長較長（1mm-30cm），具有很強的繞射透射能力，可以穿透云、雨、霧。運用微波波段的被動式和主動式傳感器，均有監(jiān)測海面溢油的能力。實驗表明，對波長為8mm、1.35cm和3cm的微波，不論入射角和油膜厚度如何，油膜的微波比輻射率都比海水高。這樣，用微波輻射計就可以觀測海面油膜。同時由于油膜的比輻射率還隨其厚度變化，反映到微波輻射計影像上灰度隨油膜厚度變化，因此，用微波輻射計可以監(jiān)測到油膜的厚度。

6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

油膜的存在對海面起平滑作用，使海面粗糙度降低，這樣受油膜覆蓋的海面，對雷達脈沖波的后向散射系數明顯比周圍無油膜區(qū)小得多，因此在側視雷達和合成孔徑雷達圖像上，油膜成暗色調。雷達和微波遙感可以全天時、全天候地進行海上石油監(jiān)測，缺點是地面分辨率低。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

此外，還有激光熒光遙感、激光掃描成像、濕度測定法、聲學遙感技術等都能進行海上油膜監(jiān)測。其中激光熒光遙感技術是能探明海面油污油種的最接近實用的遙感探測方法，不僅能迅速描述海面石油污染的分布，而且具有二維繪制能力，不管在白天黑夜或是惡劣氣候條件下，都能有效地監(jiān)測海面油污，數據準確可靠。通過遙感監(jiān)測及時發(fā)現海上泄油事故，得到排油源和油污面積，估算排污量。通過連續(xù)監(jiān)測得到油污的擴散方向和擴散速度。預測其將影響的區(qū)域。6.3.3石油污染遙感監(jiān)測

概念：在沿河、沿海、或者港灣的工業(yè)或者是人口密集區(qū)，有大量的工業(yè)和生活廢水排入，這些廢水往往是多排污口，多渠道的，有的還是間斷性的。6.3.4廢水污染遙感監(jiān)測

遙感監(jiān)測：

用常規(guī)方法對這些污染源及入海廢水的輸移擴散進行整體監(jiān)測，往往有困難。具波譜測定表明，造成水體污染的城市生活廢水、工業(yè)廢水和固體廢棄物等，其光譜反射特征有較明顯的差異。因此可以利用生活污水、工業(yè)廢水、受污染水體光譜特征的差異，用遙感手段來探測水體污染狀況，并由此監(jiān)測污染水體的動態(tài)變化及其稀釋擴散情況。區(qū)分出嚴重污染、重污染、輕污染等不同情況，為治理污染提供依據。6.3.4廢水污染遙感監(jiān)測

遙感監(jiān)測：

對于廢水，由于它的水色與懸浮物性狀千差萬別，所以在特征曲線上它的反射峰的位置和強度也不大一樣。廢水污染，一般用多光譜合成圖像進行監(jiān)測。另外，污水排放的控制點，擴散方式、稀釋混合等特征也是識別污水的重要標志。6.3.4廢水污染遙感監(jiān)測

污水的擴散特點：

在靜止水體中，圖像上顯示以排放口為中心，呈半圓或喇叭形向外逐步過渡到周圍清潔水體；流動水體中，圖像上顯示的污染區(qū)位于排污口下游，且面積不大，這是由于污水在流水作用下迅速擴散的緣故；在河口地區(qū)，由于潮水的周期性漲落，污水的展布形態(tài)也會發(fā)生變化，特別是當潮水上溯時，排污口與污水連成一片，一旦退潮，就會形成與排污口失去聯(lián)系的離源污染。由于排污及廢水污染的以上特征，通過遙感圖像的適當處理，進行人工解譯和目視解譯就能得到水體污染的信息。從遙感圖像上可以得到的廢水污染信息主要有污染源類型、排污口、污染程度、污染范圍等。6.3.4廢水污染遙感監(jiān)測

熱污染：

電力、鋼鐵、化學等工業(yè)中使用的冷卻水，超過允許的熱水排放標準而排入江河湖海時，使自然水體的溫度上升，引起水體物理、化學和生物過程的變化，就構成了熱污染。

6.3.5熱污染遙感監(jiān)測

6.3.5熱污染遙感監(jiān)測

危害：

一、對植物的影響水體熱污染可引起水生植物群落組成的改變。水體熱污染會減少藻類種群的多樣性。水體熱污染還會加速藻類種群的演替。水體增溫對大多數水生維管束植物有著不良的影響，尤其是對某些浮水植物，在增溫區(qū)甚至全部消失。6.3.5熱污染遙感監(jiān)測

二、水體熱污染對動物的影響和危害

水生動物絕大部分是變溫動物，體溫不能自動調節(jié)，隨水溫的升高，體溫也會隨之升高。當體溫超過一定溫度時，即會引起酶系統(tǒng)失活，代謝機能失調，直至死亡。許多昆蟲的幼蟲等對熱污染的忍耐力都很差。6.3.5熱污染遙感監(jiān)測

三、水體熱污染對水生生物的間接危害

水溫增高會使一些毒物的毒性增高，如氰化鉀由8℃升高到18℃時，對魚類的毒性將增加一倍。水溫升高又會加速微生物對有機物的分解，從而消耗大量的溶解氧。隨著水溫的升高，一些致病微生物的活性增強，而水生動物的抗病力卻相對減弱，染病率增加，導致大量水生動物的死亡。6.3.5熱污染遙感監(jiān)測

熱污染在熱圖像上的特點：

在熱圖像上，熱水溫度高，發(fā)射的能量多，呈淺色調；冷水或冰發(fā)射的能量少，呈深色調。熱排水口排出的水流，通常呈白色或灰白色羽毛狀，稱熱水羽流。羽流的影像，由羽根到羽尖，色調由淺逐漸變深，由羽流的中軸向外，色調也由淺變深；熱水羽流的形狀是羽狀或流線型絮狀，色調最淺的為排水口附近地區(qū)。渾濁水體中的懸浮物是良好的熱載體，當水體流速極小時，水溫不易擴散，使水面呈彌漫的霧狀或黑白相間的絮狀。6.3.5熱污染遙感監(jiān)測

利用光學技術或計算機對熱圖像作密度分割，根據少量的同步實測水溫，可確切地繪出水體的等溫線。此外，生活垃圾及洪水帶來的各種動、植物殘骸漂浮于水體中，在回水區(qū)或靜水區(qū)聚集，腐爛發(fā)酵使水體變質，造成污染。高分辨率圖像能很快發(fā)現水體中漂浮聚集區(qū)，獲得其面積，并估算漂浮物總量。6.3.5熱污染遙感監(jiān)測

6.3.5熱污染遙感監(jiān)測大亞灣熱污染遙感監(jiān)測6.4海洋水色要素應用研究污染物質與黃色物質監(jiān)測應用水色遙感資料海面污染信息提取方法研究污染物質時空分布與漂移研究重點海區(qū)污染物質遙感監(jiān)測與環(huán)境評價研究多重遙感資料分析與常規(guī)監(jiān)測相結合從水色遙感資料中提取污染物信息及其在環(huán)境保護、海水養(yǎng)殖業(yè)和海洋漁業(yè)中應用研究6.4海洋水色要素應用研究動力環(huán)境要素反演應用

為海洋工程提供有參考和應用價值的動力環(huán)境參數研究和探討水色衛(wèi)星遙感資料中生物學信息與動力環(huán)境參數的關系沿岸海區(qū)動力現象的信息提取方法及在近海油氣勘探與開發(fā)和其他沿岸工程中應用研究研究海流的動力特征，尋求海流與懸浮固體及其運輸關系等6.4海洋水色要素應用研究在海岸帶和陸地上的應用利用海洋水色衛(wèi)星遙感資料對海岸地區(qū)和陸地上的資源和植被進行調查、監(jiān)視和管理等服務，并為相應的GIS提供有效和可靠的數據源6.4海洋水色要素應用研究在全球尺度環(huán)境變化過程及軍事中的應用應用水色遙感資料探討海洋在全球CO2循環(huán)中所起作用研究建立海洋水色衛(wèi)星遙感資料數據庫，用于研究全球環(huán)境長期變化等探討水色衛(wèi)星遙感數據在海軍海上航行中應用可能性及潛力的研究探討海水光學特性，海上能見度及水團、鋒面、渦旋等海洋動力現象在海軍海上活動中的應用研究6.5海洋水色遙感專題圖制作海洋色素濃度變化圖制作主要水色要素葉綠素、懸浮物質、黃色物質和污染物質等時空分布圖主要利用陸地衛(wèi)星資料、氣象衛(wèi)星資料等初級生產力分布圖可為海洋漁業(yè)保護與捕撈、海水養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境監(jiān)測等服務提供有實際意義的數據Landsat資料和氣象衛(wèi)星資料，及常規(guī)方法研究內容：葉綠素濃度與初級生產力相關關系及制圖6.5海洋水色遙感專題圖制作海面溫度場圖海洋漁業(yè)保護、漁情預報、海水養(yǎng)殖、海洋動力要素監(jiān)測等服務，并提供相關的科學數據主要利用氣象衛(wèi)星資料等熱污染擴散圖監(jiān)測海洋環(huán)境、熱污染擴散趨勢和范圍，熱污染發(fā)生的程度及危害影響等服務，提供環(huán)境監(jiān)測所需科學數據目前技術較成熟，有良好基礎6.5海洋水色遙感專題圖制作近岸海區(qū)海洋動力現象及黑潮流系變化圖應用水色衛(wèi)星遙感資料研究大、中尺度海洋動力現象，目的為更全面、深入認識和監(jiān)視大、中尺度海洋動力過程的變化規(guī)律，及其在區(qū)域和全球環(huán)境變化中的影響和作用可見光遙感資料、如氣象衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星、微波雷達高度計、水色衛(wèi)星海岸帶綜合環(huán)境圖為海岸帶地區(qū)開發(fā)利用及規(guī)劃制定、環(huán)境保護等服務，提供各種科學數據和依據陸地衛(wèi)星資料歷史上著名的海洋觀測衛(wèi)星

（FamousOcean-LookingSatellitesinHistory）1978年6月，美國第一顆海洋衛(wèi)星Seasat-A發(fā)射成功。除了紅外輻射計外，星上還載有掃描式多通道微波輻射計、散射計、高度計和合成孔徑雷達等，可以全天候地監(jiān)測海洋。雖然由于技術故障，這顆衛(wèi)星只運轉了108天，但是所獲得的大量數據，大大加強了人們對使用衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測海洋的信心。

1978年10月，雨云衛(wèi)星Nimbus-7發(fā)射成功，這顆衛(wèi)星載有專門用于海洋水色觀測的沿岸帶水色掃描儀CZCS（CoastalZoneColorScanner），并獲取了大量高分辨率的世界大洋范圍水色分布的圖像；此外，這顆衛(wèi)星還載有多頻率掃描微波輻射計SMMR（ScanningMulti-frequencyMicrowaveRadiometer），可對海表面溫度進行遙感觀測。

1991年歐洲遙感衛(wèi)星ERS-1的發(fā)射對衛(wèi)星海洋學的形成和發(fā)展具有劃時代意義，這是繼Seasat-A之后的又一顆海洋專用衛(wèi)星。ERS-1除了具有Seasat-A所載有的各種傳感器外，又增加了包括可見光、近紅外和熱紅外波段的沿軌跡掃描輻射計ATSR（Along-TrackScanningRadiometer），它大大提高了對海表面溫度的遙感精度

1997年8月美國發(fā)射的海星衛(wèi)星SeaSTAR裝載了第二代海洋水色傳感器SeaWiFS（Sea-viewingWideField-of-viewSensor）；與CZCS相比，SeaWiFS增加了光譜波段，降低了波段寬度，提高了對電磁輻射測量的靈敏度在1999年發(fā)射的地球觀測系統(tǒng)衛(wèi)星EOS-AM（TERRA）和2002年發(fā)射的地球觀測系統(tǒng)衛(wèi)星EOS-PM（AQUA）載有MODIS（ModerateresolutionImagingSpectro-radiometer）。其中有9個波段用于水色遙感，其余波段用于大氣遙感。MODIS比SeaWiFS更為先進，被譽為第三代海洋水色（兼氣象要素）傳感器。海洋二號衛(wèi)星介紹

海洋二號衛(wèi)星（HY-2）是我國第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，具有高精度測軌、定軌能力與全天候、全天時、全球探測能力。

海洋二號衛(wèi)星工程研制于2007年1月。該衛(wèi)星由航天科技集團公司中國空間技術研究院研制，于2011年8月16日6時57分在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。海洋二號衛(wèi)星轉場

海洋二號衛(wèi)星噪聲試驗海洋二號發(fā)射現場HY-2衛(wèi)星任務目標

監(jiān)測海洋動力環(huán)境，獲得包括海面風場、海面高度場、有效波高、海洋重力場、大洋環(huán)流和海表溫度場等重要海況參數；實現國產行波管放大器在軌壽命飛行驗證；完成星地激光通信鏈路新技術試驗驗證。HY-2衛(wèi)星技術指標

HY-2衛(wèi)星裝載雷達高度計、微波散射計、掃描微波輻射計和校正微波輻射計以及DORIS、雙頻GPS和激光測距儀。

衛(wèi)星軌道為太陽同步軌道，傾角99.34度，降交點地方時為6:00am，衛(wèi)星在壽命前期采用重復周期為14天的回歸凍結軌道，高度971km，周期104.46分鐘，每天運行13+11/14圈；在壽命后期采用重復周期為168天的回歸軌道，衛(wèi)星高度973km，周期104.50分鐘，每天運行13+131/168圈。

衛(wèi)星設計壽命為3年。衛(wèi)星尺寸8.56m×4.55m×3.185m，質量≤1575kg。三軸指向精度小于0.1度，姿態(tài)穩(wěn)定度每秒小于0.003度，測量精度小于0.03度衛(wèi)星輸出功率：1550W。數傳系統(tǒng)下行為X頻段，下行碼速率20Mbps，星上存儲記錄器容量120Gbits。

雷達高度計用于測量海面高度、有效波高及風速等海洋基本要素.微波散射計主要用于全球海面風場觀測掃描微波輻射計主要用于獲取全球海面溫度、海面風場、大氣水蒸氣含量、云中水含量、海冰和降雨量等

校正微波輻射計主要用于為高度計提供大氣水汽校正服務。水體遙感應用實例應用TM數據估算沿岸海水表層葉綠素濃度模型研究1前言

海水中葉綠素(指葉綠素-a，下同)濃度測定對海洋生態(tài)系統(tǒng)中初級生產力的研究至關重要，對海洋-大氣系統(tǒng)中碳循環(huán)研究也具有重要意義。常規(guī)的葉綠素濃度測定方法都屬于實驗室測量法，耗時長，費用高，加之是逐點采樣的測量方式，無法實現大面積水域的同步測量。利用衛(wèi)星遙感方法估算海水葉綠素濃度可以彌補常規(guī)方法的上述缺陷。2遙感估算表層海水葉綠素濃度原理

葉綠素具有特定的吸收和反射光譜這些特征的吸收峰和反射峰與陸地衛(wèi)星TM1波段(0.45-0.52um),TM2波段(0.52-0.6um),TM3波段(0.63-0.6