2019年第五章水问题遥感课件

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1、,1 水资源调查与预测水文要素提取、水系变化提取 2 水污染监测 3 水环境监测叶绿素、水色、泥沙、污染物 4 洪涝旱灾害监测淹没面积以及损失评估、洪水演进 5 水土流失调查强度分级、及其动态变化 6 河口河道湖泊水库淤积调查 7 大型工程和环境效益评估,第三章 水环境遥感 第一节 水环境遥感原理 地物三个明显的辐射特征：总辐射水平的高低；可见光和红外的辐射平衡关系，即光谱整体趋势；辐射随波段变化的方向和强度。 水体的辐射特征表现在：天然水体对0.41.1m电磁波的反射率明显低于其它地物，其总辐射水平低于其它地物，在遥感图像上常常表现为暗色调；在近红外波段的反射比可见光波段更低；同时对不同的水

2、体，在可见光波段，其反射率有较为明显的不同，如随泥沙含量的增加而增加。,一、水体的光谱特征 在红外波段识别水体是比较容易的。 水体的光学特征集中表现在可见光在水体中的辐射传输过程，他包括界面的反射、折射、吸收、水中悬浮物质的多次散射等。而这些过程及水体最终表现出的光谱特征又由水面的入射辐射、水的光学性质、表面粗糙度、日照角度与观测角度、气水界面的相对折射率以及在某些情况下还涉及水底反射光等等。 体散射。,二、水体在不同传感器上的表现 1、MSS MSS是陆地卫星Landsat1-3上的传感器，有四个波段，空间分辨率80米。其中MSS4(0.5-0.6 m)属于可见光波段的蓝绿光，对水体有一定的

3、穿透能力，在黑白像片上颜色较浅。 MSS5(0.6-0.7m)属可见光黄红波段，对水体的混浊度（海洋中泥沙，大河中悬移质）有明显反映。 MSS6(0.7-0.8 m)， MSS7(0.8-1.0 m)波段由于水体强烈吸收能力，在图像上呈黑色。,2、TM TM1（0.45-0.52 m )与MSS4相比，对水体的穿透更强，探测水下地形更有效；TM4 （0.76-0.90m )同MSS6、MSS7一样，对探测水陆边界非常有利。 3、SPOT(HRV) 既可以穿透水体探测，又比较精确的反映水体的边界和形状。,4、NOAA(AVHRR) CH2（ 0.725-1.15m ）对水体反映敏感，而CH3 （

4、3.55-3.93m ）是太阳反射光和地物红外热辐射的交叉区，对地表温度敏感。 5、ERS和JERS（SAR),第三节 水资源遥感 包括水资源调查、流域规划、水域面积分布变化、径流估算、水深、水温、冰雪覆盖、河口带及浅海地形调查、海洋调查等。,一、水文要素遥感 1.水位面积和流域界定 2.水深探测 衰减长度：向下辐照度等于表面辐照度的1/e(或37%)的长度。,Poleyn and Fabian提出的海面的离水反射辐射Lw与水深Z的关系： Lw()=E () /*() /n2 *exp- () (sec+sec)Z E () 为太阳辐照度；n为底质的折射系数； () 为衰减系数，是吸收系数与散

5、射系数之和； () 为反射率；为太阳天顶角； 为太阳方位角。,透明度Zm与表层水的线性衰减系数的关系，在许多海区表示为： l/e=(2.7-3.5)/ Zm l为衰减长度,3、水文探测 用所测的亮度温度表示水体温度。 大气中水汽含量对水温测量精度影响较大，因此，遥感估算水温时，必须进行大气纠正。 海洋遥感图像反差很低，可以获得的信息十分有限。 海洋的微波辐射取决于两个主要因素：海面及一定深度的介电常数量；海面粗糙度。,4、径流估算 流域枯水计算 融雪径流计算,二、水域变化监测 1.河流、水系变化 2.湖泊演变 3.河口三角洲演变 4.海岸带演变：海岸线确定；海滩涂的确定；海岸带历史变迁,第四节

6、 水质遥感监测 利用遥感技术研究水环境化学包括定性和定量两种方法。定性遥感方法是通过分析遥感图像的色调（或颜色）特征或异常对水环境化学现象进行分析评价。定量遥感方法建立在定性方法的基础上，为了消除随机因素的影响，通常需要获得与遥感成像同步（或准同步）的实测数据，以标定定量数学模型。,一、水体富营养化遥感监测 反映水体富营养化程度最主要因子是叶绿素，其中又以叶绿素a最为突出。 叶绿素遥感是基于不同浓度浮游植物有着不同的辐射光谱特性。 赤潮,1.水体光谱特征与水体叶绿素含量的关系 随着叶绿素含量的不同，在0.430.70 m 光谱段会有选择地出现较明显的差异。 Landsat/TM为例 比值回归方

7、程 C=b(TM3/TM1)+a 式中：C为叶绿素(CH1-a)相对改变；a、b为相关系数,研究表明，水体叶绿素浓度与水面温度间存在线性关系 C=a0+a1t C 为叶绿素浓度（mg/m3);t为水面温度；a0、a1t为回归系数。,2.叶绿素浓度信息提取方法 1）经验算法:海面叶绿素浓度 C=FB/G F为函数关系因子；B（蓝）、G（绿）分别为蓝波段、绿波段的水体反射率。,Clark et al (1980)提出固体悬浮物浓度与叶绿素浓度的相关公式： lgS=-0.39+0.78lgC Tassan(1993)在那不勒斯湾的研究也显示悬浮固体浓度（g/m3)与叶绿素浓度(mg/m3)之间存在如

8、下关系 lgS=(-0.2470.016)+(0.5670.026)lgC 傅克忖 陈楚群,二、叶绿素浓度计算应用 2019年10月30日SeaWiFS数据，采用经验模型、神经网络模型和光谱混合分析三种方法计算台湾海峡叶绿素浓度，并对这三种方法的结果进行了比较（许捃，2000） 1.数据源分析： SeaWiFS数据特征；SeaBAM数据；历史统计资料。 2.数据预处理 3.用经验模型计算叶绿素浓度 4.用神经网络模型计算叶绿素浓度 5.用光谱混合分析法计算叶绿素浓度 6.三种方法比较,OReilly et al(2019)用来自SeaBAM919个站点浓度范围在0.01932.19g/L的观测

9、数据，对15种经验算法和2种半分析算法进行评价，计算结果与实测数据吻合。 C=10(a0+a1*R+a2*R2+a3*R3)+a4 式中：R=lgRrs (1 )/Rrs(2 ); a0、a1、a2、a3、a4为常数,2）神经网络模型法 Keiner和Brown采用SeaWiFS数据的可见光波段（412nm,443nm,490nm,510nm和550nm），用神经网络计算方法估算了海洋叶绿素浓度，提高了计算精度。 3）光谱混合分析法 是与主成分分析类似的影像分析方法，主要的不同是光谱混合分析定义一个确切的在空间上和时间上都恒定的参照物（纯净像元），而主成分变化完全依靠场景变换。另外，主成分变换

10、分离正交因子，而光谱混合分析仅仅根据纯净像元来计算。,三、悬浮固体遥感监测 1、水体光谱特征与悬浮固体含量的关系 随着水中悬浮固体浓度的增加，水体在整个可见光谱段的反射亮度增加，水体由暗变得越来越亮，同时反射峰值波长向长波方向移动，而且反射峰值本身形态变得更宽。 在可见光波段，0.58-0.68微米是遥感监测水体混浊度的最佳波段。,1）基于统计分析的半经验模型 即通过遥感数据与同步实测样点数据间的统计相关分析，确定两者间的相关系数，建立相关模型 线性关系式：L=A+BS 对数关系式：L=A+BlgS或S=A+BlgL Gordon关系式： R=C+s/(A+BS)或1/(R-C)=B+A/S

11、此式根据准单散射近似公式得到 R=A+B（1-e-DS),统一关系式: L=Gordon(S)*Index(S)=A+BS/G+S)+CS/G+S)e-DS,2)基于灰色系统理论的模型 2、悬浮固体遥感监测的可行性 定量解译悬浮固体浓度的最佳谱段应在0.65-0.85微米之间。 水体中固体悬浮物含量最初多用影像灰度定性地解释。定量解释是基于同步收集遥感数据、地面反射数据和实测数据，直接计算光谱和悬浮物之间的多项式几何校正曲线。,卫星传感器接收到的辐射亮度与水体反射率的关系如下： N=Np+E/*RT 应用遥感方法测定水体悬浮物的关键问题是建立遥感数据与悬浮物含量之间的定量关系，即 S=f(R)

12、或R=f(S),理论模式 Gordon用Monte Carlo方程，得到类似于幂级数的关系式： Gordon简化模式： R=(C+S)/(A+BS),国家海洋局第二海洋研究所模型： R=C+A0/2B0lg(2B0B1S+B02) A+BlgS 华东师大模型: S=R/(a0-b0Rd,3.悬浮固体信息提取方法 1）回归方法 用遥感辐射亮度估算悬浮固体浓度大体有以下5个步骤： （1）同步测量悬浮固体浓度（SSC）和水体上行辐射率L() （2)对第一步中的环境影响进行校正 （3）用所选样点数据得到校正后SSC和 L()的经验 关系模型 （4）用第三步所得的经验关系模型和校正后的遥感影像辐射率L(

13、)估算SSC （5）用测试样点的SSC数据检验计算结果,2）色度模型和主成分分析 在不同大气条件下，用MSS4,5波段与MSS4，5，6波段的比值，分别求出绿色系数和红色系数。用这些色度参数与同时相的芬兰湾实测悬浮物浓度得出色度参数与悬浮固体浓度的相关模型。 3）光谱混合分析法,四、水体悬浮固体浓度提取应用实例 许郡（2000）以福建省福清市海岸带为例，采用TM数据对近岸水体的悬浮固体浓度进行了提取。,模型 数据预处理 悬浮固体浓度计算流程,原 始 数 据,大气参数,大 气 校 正,光谱特征,水 体 提 取,DEM,水 深 校 正,悬 浮 固 体 浓 度,潮时、潮差,1、大气校正 最简单的大气

14、校正方法是暗像元的减法校正。 Smith等于1990年提出一种基于光谱混合分析的仪器和大气校正方法。用大气校正模型进行大气校正。 通常有三种大气校正模型，复杂程度各不相同。,2、水体提取 国内外的研究证明，近红外波段的遥感信息是确定水体的一种可信的和有效的技术。 3、水体及背景地物的光谱特征分析,典型地物的光谱亮度值,4、水深校正 在进行海岸带水色遥感时，由于水深较浅，难免受到海洋底质光谱反射率的影响，使得影像的光谱信息中包含了海洋底质的光谱特征，因此要进行水深校正，消除海洋底质的影响。 对于近岸悬浮固体浓度在100mg/L左右，水深大于2030米的水体，水体上行辐射率L()不受底部反射率的影

15、响。对于任何可见光波段的传感器，其接收到的90的辐射亮度来自于水体表层1/K的深度内，K是水中的漫射衰减系数。),据Whitlack研究，悬浮固体物含量超过10mg/L后，穿透深度的变化就很小了，可视为常数。,5、用线性光谱混合法计算悬浮固体浓度 用光谱混合分析法计算悬浮固体浓度，首先要获取不同悬浮固体浓度水体的光谱特征,对数校正曲线 fhigh= -0.972=0.298ln(0.3S+21.5540,光谱混合分析法计算结果评价,6、结果与讨论,五、石油污染遥感监测 六、废水污染遥感监测 七、热污染遥感监测,第五节 海洋水色遥感研究 一、海洋水色遥感概述 二、海洋水色遥感基础研究 1、海水光

16、学特性 2、大气辐射校正 1）经验的Gordon大气校正方法 Lt=Lwt+L* 2）Gordon传统大气校正方法的改进 Lt()=Lr()+La()+tLw(,C),三、海洋水色要素信息提取 1、海洋水色要素提取技术进展 1）浮游植物色素浓度年季变化研究 2）CZCS遥感资料在浮游植物色素浓度年季变量中的研究 3）CZCS遥感资料在渔业研究上的应用 4）CZCS遥感资料在近岸油气勘探与生产中应用研究 5）CZCS遥感资料在海上船舶航行中的应用研究 6）CZCS遥感图像在海洋动力环境监测中的应用,2、海洋水色要素信息提取存在的问题 1）水色要素信息提取算法模式的不完善性 2）大气校正方法研究中存在的问题 3）季节性大气中悬浮沙尘对大气校正的影响,3、叶绿素浓度反演 1）解析算法 2）经验算法 叶绿素浓度C对光谱辐射亮度比率经验关系式中最普通的形式为： lgC=lgA+lglw(i)/Lw (j) 4、悬浮固体含量反演,四、海洋水色要素应用研究 1、污染物质与黄色物质监测应