《水体和海洋遥感》ppt课件

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1、第十三章 水体和海洋遥感,王力、李朝艳,2019/2/14,重庆交通大学,2,第十三章 水体和海洋遥感,13.1概况 13.2水体遥感原理 13.3海洋卫星及遥感器,2019/2/14,重庆交通大学,3,13.1概况,2019/2/14,重庆交通大学,4,13.1概况,地球表面面积100 地表开放水体74 全球海洋面积71,2019/2/14,重庆交通大学,5,13.1概况,海洋是人类最大的资源宝库。 它蕴藏极为丰富的矿物资源、生物、化学资源和能源， 尤其在人口增长,陆上资源大量消耗的情况下,海洋将日益成为人类获得食品、能源、原材料的基地。,2019/2/14,重庆交通大学,6,13.1概况,

2、研究全球环境,不能脱离了占全球面积71%的海洋。 遥感能提供大尺度、动态的观测，且不受地理位置、天气和认为条件限制，恰好适用于对茫茫大海的观测。 遥感是研究海洋最重要的探测手段之一，所以美国、前苏联、欧洲空间局、日本、加拿大等均先后发射了海洋卫星，我国也发射了自己的海洋卫星。,2019/2/14,重庆交通大学,7, 13.2水体遥感原理,13.2.1水体光谱特征 1.水体界限的确定 2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系 4.水体光谱特征与水深的关系 5.水体光谱特征与水温的关系 6.水体光谱特征与水体污染物的关系 13.2.2水体的微波辐射特征,2019

3、/2/14,重庆交通大学,8,13.2.1水体光谱特征,对水体来说，水的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，同时又受到各种水状态的影响。,0.76,可见光波段,近红外、短波红外,可见光波段,可见光波段,3%10%,5%,蓝 青 绿 黄 橙 红,对于清水，在蓝绿波段反射率4%5%, 0.6m以下的红光部分反射率降到2%3%,0.8?,2019/2/14,重庆交通大学,9,13.2.1水体光谱特征,图13.2反映了水的光谱递减规律，由于水在红外波段的强吸收，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。它包括界面的反射、折射、吸收、水中悬浮物质的多次散射（体散射特征）等。 这些过程及水体

4、“最终”表现出的光谱特征又是由以下因素决定的：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等。,2019/2/14,重庆交通大学,10,13.2.1水体光谱特征,2019/2/14,重庆交通大学,11,13.2.1水体光谱特征,L(接收)=Lw(水中光)+Ls水面反射光)+Lp(天空散射光) 它们是波长、高度、入射角、观测角的函数 其中前两部分包含有水的信息，因而可以通过高空遥感手段探测水中光和水面反射光，以获取水色、水温、水面形态等信息，并由此推测有关浮游生物、浑浊水、污水等的质量和数量以及水面风、浪等有关信息。,2019

5、/2/14,重庆交通大学,12,13.2.1水体光谱特征,说明1：上述的水体的散射和反射主要出现在一定深度的水体中，称之为“体散射”。 水体的光谱特性主要是通过透射率,而不仅是通过表面特征确定的，它包含了一定深度水体的信息，且这个深度及反映的光谱特性是随时空而变化的。 水色(水体的光谱特性)主要决定于水体中浮游生物含量(叶绿素浓度)、悬浮泥沙含量（混浊度）、营养盐含量（黄色物质、溶解有机物质、盐度指标）以及其他污染物、底部形态（水下地形）、水深等因素。,2019/2/14,重庆交通大学,13,13.2.1水体光谱特征,大量研究表明,叶绿素、悬浮泥沙等主要水色要素的垂直分布并非均匀的(见图13.

6、4)。 水体中的水分子和细小悬浮质(粒径波长)造成大部分短波光的瑞利散射(散射系数与波长的4次方成反比,波长越短,散射越强)，因此较清的水或深水体呈蓝或蓝绿色(清水光的最大透射率出现在0.450.55 m，其峰值波长约为0.48 m。,2019/2/14,重庆交通大学,14,13.2.1水体光谱特征,说明2：离开水面的辐射部分(即水中光经折射出水面的部分)，除了水中散射的向上部分外，还包含在日光激励下水中叶绿素经光合作用所发出的的荧光。,2019/2/14,重庆交通大学,15,13.2.1水体光谱特征,说明3：水面入射光谱中，仅有可见光（0.40.76 m才透射入水，其他波段的入射光或被大气吸

7、收或被水体表面吸收，如图13.5所示。 该图中还显示蓝光(0.40.5 m)水的透射性最好，对于清洁水可达几十米。,2019/2/14,重庆交通大学,16,13.2.1水体光谱特征,13.2.1水体光谱特征 1.水体界限的确定 2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系 4.水体光谱特征与水深的关系 5.水体光谱特征与水温的关系 6.水体光谱特征与水体污染物的关系,2019/2/14,重庆交通大学,17,1.水体界限的确定,在可见光范围内,水体的反射率总体上比较低,不超过10%，一般为4%5%,并随波长的增大逐渐降低,到0.6 m处约2%3%，过了0.75 m

8、，水体几乎成为全吸收体。因此，在近红外的遥感影像上，清澈的水体呈黑色。为区分水陆界线，确定地面上有无水体覆盖，应选择近红外波段影像。,2019/2/14,重庆交通大学,18,2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系,水中叶绿素浓度是浮游生物分布的指标,是衡量水体初级生产力(水生植物的生物量)和富营养化作用的最基本的指标。它与水体光谱响应间关系的研究是十分重要的。 当然，这种指示作用的有效性海域还与浮游植物光合作用的环境因素(如营养盐、温度、透明度等)以及叶绿素含量变化的制约条件有关。,2019/2/14,重庆交通大学,19,2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系,一般说来，随着叶绿索含量的不同，

9、在0.430.70m光谱段会有选择地出现较明显差异。 图13.6显示不同叶绿索含量水面光谱曲线。,2019/2/14,重庆交通大学,20,2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系,从图中可见，在波长0.44 m处有个吸收峰。 0.40.48 m(蓝光)反射辐射随叶绿索浓度加大而降低； 在波长0.52 m处出现“节点”，即该处的辐射值不随叶绿素含量而变化；在波长0.55 m处出现反射辐射峰，并随叶绿素含量增加，反射辐射上升； 在波长0.685 m附近有明显的荧光峰(图13.7)。,2019/2/14,重庆交通大学,21,2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系,图13.8反映航空遥感所测的不同叶绿素

10、浓度的海水的光谱响应差异。 从图中可见，当叶绿素浓度增加时，可见光的蓝光部分的光谱反射率明显下降，但绿光部分的反射率则上升。,2019/2/14,重庆交通大学,22,2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系,利用叶绿素浓度与光谱响应间的这些明显特征，人们采用不同波段比值法或比值回归法等，以扩大叶绿素吸收(0.44 m附近蓝光波段)与叶绿素反射峰(0.55 m附近绿光波段)或荧光峰(0.685 m附近的红光波段)间的差异，提取叶绿素浓度信息，以指示并遥感监测水体(海洋)的初级生产力水平。 以Landsat/TM为例(略)。 P418,2019/2/14,重庆交通大学,23,3.水体光谱特征与悬浮泥

11、沙含量的关系,自然因素和人类活动造成水土流失、河流侵蚀，河流带走了大量泥沙入湖入海，是水中悬浮泥沙物质的主要来源。这些泥沙物质进入水体，引起水体的光谱特性发生变化。 水体反射率与水体混浊度之间存在着密切的相关关系(正相关) 。随着水中悬浮泥沙浓度增加，即水的混浊度增加， 水体在整个可见光谱段的反射亮度增加，同时反射峰值波长向长波方向移动（“红移”） ，即从蓝(B) 绿(G) 更长波段(0.5m以上)移动，而且反射峰值本身形态变得更宽。,2019/2/14,重庆交通大学,24,3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系,如图13.2所示，自然环境下测量的清水(清澈湖水，悬浮泥沙含量10mg/L)和浊水

12、(混浊泥水，悬浮泥沙含量达99mg/L)的反射光谱曲线有着明显的差异，浊水的反射率比清水高得多，且与清水相比浊水的反射峰值都出现在更长的波段。 正因为水色与泥沙含量关系密切，水色成为泥沙含量的较精确的一种指标。水色随混浊度的增加，由蓝绿黄，当水中泥沙含量近于饱和时，水色也接近泥沙本身的光谱。,2019/2/14,重庆交通大学,25,3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系,图13.9为长春遥感试验对7种不同悬浮泥沙浓度的水库进行反射率测定，所得的水体反射光谱曲线与泥沙浓度的关系。 图示，随着水中悬浮泥沙浓度的增加及泥沙粒径的增大，水体的反射率增大，反射峰值向长波方向移动，但由于受到0.93 m、1

13、.13m红外强吸收的影响，反射峰值移到0.8m终止(可能有系统误差)。,2019/2/14,重庆交通大学,26,3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系,一般说来，对可见光遥感而言，波长0.43m0.65m为测量水中叶绿素含量的最佳波段；0.58 m 0.68m 对不同泥沙浓度出现辐射峰值，即对水中泥沙反映最敏感，是遥感监测水体混浊度的最佳波段，被NOAA，风云气象卫星及海洋卫星选择。 因此，调查水色多选用0.45 m 0.65m 谱段。,2019/2/14,重庆交通大学,27,3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系,当然，泥沙含量的多寡具有多谱段响应的特性。因而水中泥沙含量信息的提取除用可见光红波

14、段数据外还多用近红外波段数据(与红波段数据正相反，其光谱反射率较低，且受水体悬浮泥沙含量的影响不大)，利用两波段的明显差异，选用不同组合可以更好地表现出海中悬浮泥沙分布的相对等级。,2019/2/14,重庆交通大学,28,3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系,如何运用遥感获取的水体光谱数据提取出水中悬浮泥沙的专题信息，许多国内外学者对之进行了长期的研究，分别建立起不同的理论或半经验模型，来定量表达悬浮泥沙含量与遥感数据间的关系，反演悬浮泥沙含量，大致可分为： (1)基于统计相关分析为基础的半经验模型(略)。P420 (2)基于灰度系统理论为基础的模型(略)。P420,2019/2/14,重庆交

15、通大学,29,4.水体光谱特征与水深的关系,水深：指水的穿深能力，即水体的透光性能。它是由衰减长度来衡量的。 衰减长度：是表示水中能见度的一个量度单位，一个衰减长度被定义为向下辐照度等于表面辐照度的1/e(或37%)的长度。 水体本身的光谱特征是与水深相关的。,2019/2/14,重庆交通大学,30,4.水体光谱特征与水深的关系,图13.10显示，清澈水体随水深的增加(00.2m2m20m)，其光谱特征的变化。 阳光透入清水的光谱特征，近水面的曲线形态近似于太阳辐射，但随着水深的增大，水体对光谱组成的影响增大。在水深20m处，近红外波段的能量几乎不存在，仅保留了蓝、绿波段能量。所以蓝绿波段对研

16、究水深和水底特征是有效的。,2019/2/14,重庆交通大学,31,4.水体光谱特征与水深的关系,光对水的穿深能力，除了受波长的影响外，还受到水体混浊度的影响。图13.11显示不同混浊度水体的不同光谱衰减特征。图示，随着悬浮物质含量(混浊度)的增加，反射率明显增强，透射率明显下降，衰减系数增大，光对水的穿深能力减弱，最大透射波长向长波方向移动。,2019/2/14,重庆交通大学,32,4.水体光谱特征与水深的关系,对于清水，光的最大透射波长为0.450.55m，其峰值波长约0.48 m，位于蓝绿波段区。水体在此波段，散射最弱，衰减系数最小、穿深能力(即透明度)最强，记录水体底部特征的可能性最大；在红光区，由于水的强吸收作用，仅能反映水陆差异。正因为不同波长的光对水体的透射作用和穿深能力不同，所以水体不同波段的光谱信息中，实际上反映了不同厚度水体的信息特征，包涵了“水深”的概念。,2019/2/14,重庆交通大学,33,4.水体光谱特征与