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1、第二章第二章 水环境遥感水环境遥感第一节第一节 水环境概述水环境概述水环境是由地球表层水圈所构成的环境，它包括在水环境是由地球表层水圈所构成的环境，它包括在 一定时间一定时间内水的数量、空间分布、运动状态、化学内水的数量、空间分布、运动状态、化学 组成、生物种群和水体的物理性质组成、生物种群和水体的物理性质。水环境是一个。水环境是一个 开放系统，它与土壤岩石圈、大气圈、生物圈乃开放系统，它与土壤岩石圈、大气圈、生物圈乃 至宇宙空间之间存在着物质和能量的交换关系。至宇宙空间之间存在着物质和能量的交换关系。水环境特点水环境特点水体状态的可变性水体状态的可变性水体物质组成的差异性水体物质组成的差异性
2、水体时空分布的不均一性水体时空分布的不均一性水的可循环性水的可循环性水体污染和重要污染物水体污染和重要污染物由于人类活动排放的污染物进入河流、湖由于人类活动排放的污染物进入河流、湖 泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底 泥的物理、化学性质或生物群落组成发生泥的物理、化学性质或生物群落组成发生 变化，从而降低了水体的使用价值，这种变化，从而降低了水体的使用价值，这种 现象称为水体污染。现象称为水体污染。水体污染类型水体污染类型感官性状污染感官性状污染需氧物质污染需氧物质污染无机污染无机污染植物营养物质污染植物营养物质污染有毒化学物质污染有毒化学物质污染油污染油
3、污染病原体污染病原体污染放射性污染放射性污染热污染热污染水质指标水质指标物理性水质指标物理性水质指标化学性水质指标化学性水质指标生物学水质指标生物学水质指标水体污染源水体污染源点源点源：点状形式排放而使水体造成污染的：点状形式排放而使水体造成污染的 发生源。工业废水、城市生活污水发生源。工业废水、城市生活污水非点源非点源：又称水污染面源，以面积形式分：又称水污染面源，以面积形式分 布和排放的污染物造成的水体污染发生源布和排放的污染物造成的水体污染发生源 。第二节第二节 水环境遥感原理水环境遥感原理水环境的遥感监测多是对水环境的遥感监测多是对地表地表 各种水体进行空间识别、定位各种水体进行空间识
4、别、定位 、及定量计算面积、体积或模、及定量计算面积、体积或模 拟水体动态变化拟水体动态变化。随着遥感基础研究的进展，对随着遥感基础研究的进展，对 水体本身的光谱特性有了深入水体本身的光谱特性有了深入 研究，同时进行许多研究，同时进行许多水质光谱水质光谱 数据测试数据测试。对水体的遥测也转。对水体的遥测也转 换到水体属性特征参数的定量换到水体属性特征参数的定量 测定，如水深的控制、悬浮泥测定，如水深的控制、悬浮泥 沙浓度的测定、和绿素含量的沙浓度的测定、和绿素含量的 测定，以及污染状况的监测等测定，以及污染状况的监测等 。一、水体的光谱特征一、水体的光谱特征天然水体对天然水体对0.4-1.10
5、.4-1.1 mm反射率低于其他物体，总辐反射率低于其他物体，总辐 射水平明显低于其他地物，在遥感图像上往往表现射水平明显低于其他地物，在遥感图像上往往表现 为暗色调为暗色调在近红外波段反射率比可见光波段更低在近红外波段反射率比可见光波段更低对不同的水体，对不同的水体， 在可见光波段，在可见光波段， 其反射率有较为其反射率有较为 明显的不同，如明显的不同，如 随泥沙的含量增随泥沙的含量增 加而加强加而加强水体的光谱特征水体的光谱特征在可见光波段在可见光波段0.6m0.6m之前，水的吸收少，反射率之前，水的吸收少，反射率 较低，大量透射较低，大量透射水体的反射主要在蓝光波段，其他波段吸收都很水体
6、的反射主要在蓝光波段，其他波段吸收都很 强，特别在近红外以后水体便成为一个吸收体。强，特别在近红外以后水体便成为一个吸收体。 光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献：水的光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献：水的 表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质 的反射。的反射。 光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关 ，而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质，而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质 有机物和无机物的影响。有机物和无机物的影响。 泥沙含量很高的混浊水，在可见光的反射率明显提泥沙含量很高的混浊水，
7、在可见光的反射率明显提 高了，提高的幅度随悬浮泥沙的浓度与粒径而增加高了，提高的幅度随悬浮泥沙的浓度与粒径而增加 。从上图可以看比，随着泥沙含量的增高，水体反。从上图可以看比，随着泥沙含量的增高，水体反 射率急剧增其最高反射率则有黄绿光区向红光和近射率急剧增其最高反射率则有黄绿光区向红光和近 红外区移动的趋势。因此，红外区移动的趋势。因此，0.6m0.7m0.6m0.7m左右左右 是定量分析悬浮泥沙的最佳波段之一。是定量分析悬浮泥沙的最佳波段之一。一般清水的反射率在可一般清水的反射率在可 见光区都很低（仅蓝光见光区都很低（仅蓝光 波段稍高），以后随波波段稍高），以后随波 长增加而进一步降低，长
8、增加而进一步降低， 至至0.75m0.75m以后的红外以后的红外 波段水几乎成了全吸收波段水几乎成了全吸收 体。体。在清澈的水体中，水底的反射光和水中的散射光在清澈的水体中，水底的反射光和水中的散射光强度，与水的深度呈良好的负相关。据测定，清强度，与水的深度呈良好的负相关。据测定，清洁水对洁水对0.47m0.55m0.47m0.55m左右的光谱散射作用最左右的光谱散射作用最弱，消散系数最小，即穿透能力最强，故可以认弱，消散系数最小，即穿透能力最强，故可以认为为0.47m0.55m0.47m0.55m是遥感探测清洁水深的最佳是遥感探测清洁水深的最佳波段。波段。 近年我国部分水域遭近年我国部分水域
9、遭 受不问程度的污染，受不问程度的污染， 其中最普遍的是其中最普遍的是水体水体 富营养化富营养化，促使藻类，促使藻类 等水生生物大量繁殖等水生生物大量繁殖 。水生生物体中的叶。水生生物体中的叶 绿素与藻胆素等会改绿素与藻胆素等会改 变纯水在近红外波段变纯水在近红外波段 的强吸收性，使曲线的强吸收性，使曲线 多少显示出近红外的多少显示出近红外的“ “ 陡坡陡坡” ”效应效应, ,其程度则取其程度则取 决于水生生物量的多决于水生生物量的多 寡。由此提供了遥感寡。由此提供了遥感 监测海洋赤潮和湖泊监测海洋赤潮和湖泊 富营养化暴发水华的富营养化暴发水华的 依据。依据。 三、水体在不同传感器上的表现三、
10、水体在不同传感器上的表现地物光谱数据测试在地面高度进行的室内或室外地物光谱数据测试在地面高度进行的室内或室外 光谱实验，而现代遥感数据，主要利用具体传感光谱实验，而现代遥感数据，主要利用具体传感 器从地球轨道高度探测到的地面物体的光谱响应器从地球轨道高度探测到的地面物体的光谱响应不同传感器，由于波段范围不同，及受时间、空不同传感器，由于波段范围不同，及受时间、空 间分辨率的限制，以及大气衰减作用，使得水体间分辨率的限制，以及大气衰减作用，使得水体 在不同传感器有不同的表现。在不同传感器有不同的表现。1.TM1.TMTM1TM1（0.45-0.52m0.45-0.52m ，蓝光波段），对水体，蓝
11、光波段），对水体 的穿透力强，对叶绿素的穿透力强，对叶绿素 与叶红素浓度反映敏感与叶红素浓度反映敏感 。有助于判别水深、水。有助于判别水深、水 中叶绿素分布、沿岸水中叶绿素分布、沿岸水 和进行近海水域制图和进行近海水域制图TM4TM4（ 0.76-0.90 0.76-0.90 mm，近红外波段，近红外波段 ），）， 探测水陆边界探测水陆边界2.SPOT(HRV)2.SPOT(HRV)可以穿透水体可以穿透水体 探测，能较精探测，能较精 确的反映水体确的反映水体 的边界和形状的边界和形状3.NOAA(AVHRR)3.NOAA(AVHRR)CH2CH2波段（波段（ 0.725-1.15m0.725-
12、1.15m ）对水体反映敏）对水体反映敏 感感空间分辨率低，空间分辨率低， 不适宜水资源监不适宜水资源监 测测时间分辨率高，时间分辨率高， 可进行大范围洪可进行大范围洪 水监测水监测4.EOS-MODIS4.EOS-MODISMODIS (Moderate Resolution Imaging MODIS (Moderate Resolution Imaging SpectroradiometerSpectroradiometer，中分辨率成像光谱辐射计，中分辨率成像光谱辐射计 ) )是搭载于美国是搭载于美国EOSEOS系列卫星之上的一个重要遥感系列卫星之上的一个重要遥感 传感器。传感器。 M
13、ODISMODIS具有具有3636个可见光个可见光- -红外的光谱波红外的光谱波 段，空间分辨率为段，空间分辨率为250-1000m250-1000m。MODISMODIS遥感数遥感数 据是新一代的卫星遥感信息源，在生态学研究、据是新一代的卫星遥感信息源，在生态学研究、 环境监测、全球气候变化以及农业资源调查等诸环境监测、全球气候变化以及农业资源调查等诸 多研究中具有广泛的应用前景。多研究中具有广泛的应用前景。5.ERS5.ERS和和JERS(SAR)JERS(SAR)水体在水体在SARSAR图像表现为暗色或黑色调，水图像表现为暗色或黑色调，水 陆分界明显陆分界明显水位越深，颜色越暗水位越深，
14、颜色越暗第三节第三节 水资源遥感监测水资源遥感监测遥感在水文水资源方面的应用，包括遥感在水文水资源方面的应用，包括水资源的调水资源的调查、流域规划、水域面积分布及变化、径流估算查、流域规划、水域面积分布及变化、径流估算、水深、水温、冰雪覆盖、土壤水分监测、冰雪、水深、水温、冰雪覆盖、土壤水分监测、冰雪监测、河口海岸带及浅海地形调查、海洋调查研监测、河口海岸带及浅海地形调查、海洋调查研究究等方面。特别是在人类足迹难以到达的荒凉地等方面。特别是在人类足迹难以到达的荒凉地区，遥感技术可成为水文、水资源调查的有效手区，遥感技术可成为水文、水资源调查的有效手段段 应用实例应用实例青藏高原湖泊调查：青藏高
15、原湖泊调查：300300多年多年150150多次考察曾查多次考察曾查 出出500500多个湖泊，而近年来采用航空像片、卫星多个湖泊，而近年来采用航空像片、卫星 图像判读，不仅对这些湖泊的面积、形状进行了图像判读，不仅对这些湖泊的面积、形状进行了 修正定位，而且还补充了地面考察或地图上未标修正定位，而且还补充了地面考察或地图上未标 明的明的300300多个湖泊。多个湖泊。地下淡水：美国在夏威夷群岛，利用红外遥感发地下淡水：美国在夏威夷群岛，利用红外遥感发 现了现了200200多处地下淡水出露点，从而解决了该岛多处地下淡水出露点，从而解决了该岛 对淡水的需求。对淡水的需求。 利用遥感图像可进行利用
16、遥感图像可进行海岸带岸线测量、河口及近海岸带岸线测量、河口及近岸悬浮泥沙迁移，以及海洋环境监测，诸如海水岸悬浮泥沙迁移，以及海洋环境监测，诸如海水温度、盐度、水深、洋流、波浪、潮沙等海洋诸温度、盐度、水深、洋流、波浪、潮沙等海洋诸要素要素的测量，对海洋的开发具有重要意义。遥感的测量，对海洋的开发具有重要意义。遥感图像可提供大尺度、现实性强、多层次、全天候图像可提供大尺度、现实性强、多层次、全天候、客观逼真的丰富信息，为海洋研究及指导海洋、客观逼真的丰富信息，为海洋研究及指导海洋渔业生产提供了基础。渔业生产提供了基础。海洋应用海洋应用一、水文要素遥感研究一、水文要素遥感研究遥感技术能观测地球表面信息，而不是传统上某遥感技术能观测地球表面信息，而不是传统上某点的观测值，并可观测一些传统方法观测不到的点的观测值，并可观测一些
