第3章 水体遥感 （海洋遥感） （一 ）概况（二） 水体遥感原理一、水体光谱特征1. 水体光谱特性与水中叶绿素含量的关系2. 水体光谱特性与悬浮泥沙含量的关系3. 水体光谱特性与水深的关系4. 水体热特征与水温的关系二、水体的微波辐射特征（三）应用研究（海洋遥感）水体遥感 --- 概 况 地球表面开放水体约占全球面积的74％，其中海洋面积最大，约 占 95％，约占水体体积的 97%淡水中，有 77%以固态形式分布在 南、北极；包括地下水在内的河流和湖泊等，人类可利用的主要水资 源仅占地球水体面积的 0.4％，占水体体积的 0 .62％ （附表）地球的水体占水体面积 ％占水体体积 ％海 洋94.9097.1河流和湖泊0.400.02地下水—0.60固定的冰盖4.692.20地球大气层—0.001地球水体的组成 研究全球环境，脱离了占71％的海洋，显然不行海洋是由不断 运动着的海水所组成的一个庞大的、完整的动力系统，并具有相当 的深度；海洋现象具有范围广、幅度大、变化速度快，且变化具有 随机性的特点海洋遥感是研究海洋最重要的探测手段全 球 水 循 环 过 程上图说明全球水循环过程（包括固态、液态、气态形式的水）。
大气降水 、降雪到达地面，部分转为地表、地下径流水，流入海洋，并蒸发返回大气 ；部分被植物、土壤吸收，并蒸发、蒸腾返回大气；大气层的水---凝聚为云 和大气中水汽，构成全球水循环一、水体光谱特征 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 各种水状态的影响在可见光波段 0.6μm 之前，水的吸收少、 反射率较低、大量透射对于清水，在兰－绿光波段反射率 4－ 5％,并随着太阳高度角的变化呈3－10％不等的变化 ；0.6μm以 下的红光部分反射率降到 2－3％； 0.75μm以上的近红外、中红外部 分几乎吸收全部的入射能量，因 此水体在这两个波段的反射能量 很小这一特征与植被和土壤光 谱形成十分明显的差异，因而在 红外波段识别水体是较容易的①到达水面的入射光（主要为VIS）约3.5％被水面直接反射返回大气，形成水面散射光它的强度与水面性质有关，（如表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰层、泡沫带等）； ② 其余的光经折射、透射进入水中，大部分被水分子所吸收和散射，以及被水中悬浮物质、浮游生物等所散射形成水中散射光，它的强度与水的混浊度呈正相关； ③ 衰减后的水中散射光，部分到达水体底部形成底部反射光，它的强度与水深呈负相关，且随着水体混浊度的增大而减小。
水中散射光的向上部分及浅海条 件下的底部反射光共同组成水中光 水中光、水面反射光、天空散射光 共同被空中探测器所接收（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(水色、水温、海面形态等信息)，因而可 通过高空遥感手段加以探测 电磁波与水体的相互作用水体的光谱特性（即水色）主 要表现为体散射（通过透射率来体 现），即不仅反映一定的表面特征 ，且包含了一定厚度水体的信息 （与陆地特征不同），且这个厚度 及反映的光谱特性是随时空而变 化的水色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（混浊度大小）、营养盐含量 （黄色物质、溶解有机物质、盐度指 标）以及其它污染物、底部形态（ 水下地形）、水深等因素大量研究表明，叶绿素、悬浮 泥沙等主要水色要素的垂直分布 并非均匀[4] 水的光谱衰减特性水面入射光谱中，仅有可见 光（0.4～0.76μm）才透射入水， 其他波段的入射光或被大气吸收 或被水体表层吸收 对清水而言，光的最大透射 率出现 在 0.45－0.55μm，峰值 约 0.48μm入水的透射光，对水中微粒（ 水分子和溶解性物质）产生瑞利 散射，峰值位于兰波段；对较大 悬浮物质颗粒产生米氏散射，峰 值位于黄橙波段；水中物质分子 吸收光--再发射（日光下水中叶绿 素经光合作用所发出的荧光），峰 值位于橙红波段；海底（浅海） 反射，峰值为兰绿波段。
因此水色是复杂的1. 水体光谱特性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 和富营养化作用的最基本的指标它与浮游植物光合作用的环境因素 （营养盐、温度、透明度、水动力等）有关不同叶绿素含量水面光谱曲线一般说来，随着叶绿素含量的不同， 在0.43-0.70μm会有选择地出现较明显 的差异右图：在0.44μm处有个吸收峰；0.4 －0.48μm处反射随叶绿素浓度加大而降 低；在0.52μm处出现“节点”（即该处的反射值不随叶绿素含量而变化）；在 0.55μm处出现反射辐射峰，并随着叶绿 素含量增加，反射辐射上升；在波长 0.685μm附近有明显的荧光峰不同叶绿素含量水面光谱荧光峰图中显示在0.685μm附近有个较窄的荧光 峰，要获取此信息，需选择的波段间隔最 好≤±5nm航空遥感所测的海水的光谱响应右图：叶绿素浓度增加，兰光反射率 明显下降，绿光反射率上升，0.52μm处 “ 节点”明显；且随着海水中悬浮物质浓 度的增加，此 “节点” 向长波方向移动 则沿岸水（悬浮物质浓度较高）随水中叶 绿素浓度的增加，TM4（0.76-0.90 μm ）的 光谱值相应增高。
因此近红外波段也可 作为提取沿岸流叶绿素浓度的重要信息 源 利用叶绿素浓度与光谱响应间的这些明显特征，可采用不同波段比 值法，来扩大叶绿素吸收（0.44μm附近）与叶绿素反射峰（0.55μm附近 ）或荧光峰（0.685μm附近）间的差异，提取叶绿素浓度信息，以监测 水体的初级生产力水平如TM3／TM1，TM2／TM1；或建立比值回 归方程：式中，C为叶绿素相对浓度；a、b为相关系数，可通过同步观测求得式中， 、 为回归系数国内外学者们建立了不少遥感数据与不同叶绿素浓度的水体光谱间的数学模型；但由于水中叶绿素的光谱信号相对较弱，加上水中 悬浮泥沙含量的影响，目前遥感估算水中叶绿素含量的精度不高、 平均相对误差约 20－30％研究表明，水体叶绿素浓度 C 与 水面温度 t 之间存性相关： CZCS color composites: the left one emphasizes chlorophyll- enrichment (in reds) in the Georges Bank off the New England coast (BGR = bands 3,2,1) 全 球 生 物 圈2. 水体光谱特性与悬浮泥沙含量的关系从理论上讲，水体的光谱特性（水色） ，包含了水中向上的散射光（水中光），它是入水的透射光与水中悬浮物质相互作用的结果，与水 中悬浮泥沙含量直接相关。
水色成为泥沙含量的较精确的一种指标随着水中泥沙含量的增加，水体的可见光反射增加，水体由暗变 得越来越亮；反射峰值波长向长波方向移动，即从兰→绿→更长波段 （0.5 μm以上）移动； 反射峰值本身形态变得 更宽当水中泥沙含量 近于饱和时，水色也接 近于泥沙本身的光谱图14.8 清水与浊水的反射光谱特征[4]清水与浊水的反射光谱特征 水库中不同泥沙浓度水体的反射率下图为长春遥感试验对水库中7种不同悬浮泥沙浓度水体进行反射 率测定的结果图中随着水中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，且受到0.93μm、1.13μm 强吸收的影响，反射峰值在0.8μm终止（可能有系统误差）对可见光而言，0.43-0.65μm为测量水中叶绿素含量的最佳 波段； 0.58-0.68μm 对水中不同泥沙浓度反映最敏感，是遥 感监测水体混浊度的最佳波段 因此水色调查中，多选用0.45 -0.68μm 谱段水中悬浮泥沙信息提取遥感定量反演悬浮泥沙含量，多采用基于统计相关分析的半经验 模型或基于灰色系统理论的模型前者，是通过遥感数据（L）与同步实测样点数据（S）间的统计 相关分析，确定两者间的相关系数，建立各种相关模型，如：线性关系式 L＝ A＋BS，关系简单，误差较大；对数关系式 L＝ A＋B logS，当悬浮泥沙浓度不高时，精度较高；指数关系式 ，R为反射率， A、B、C、D为系数。
统计相关模型，要求样本数据量大，且数据分布典型这对浩瀚 、多变的大海是难以满足的，而若样本不足或不典型，则误差较大 后者，可用灰色系统理论中的关联度分析法（即对事态变化趋势的量 化分析，其实质是对由遥感数据计算的含沙量曲线与实测的含沙量曲线间 几何形状贴近程度的分析比较），确定关联变换系数后，通过少量样本 进行遥感图象数据的外推计算它较统计法反映的规律性更明显，结 果稳定 NOAA 监测黄河、长江口泥沙流渤海、黄河口 CH1 长江口 CH4、2、1 （BGR）（1985.1.7）3. 水体光谱特性与水深的关系 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 量的一个衰减长度 l 被定义为向下辐照度等于表面辐照度的 1／e （或37%）的长度（它是水中能见度的量度，单位为米）衰减系数α指随着深度增加，光变得暗 淡的速率 ，也可用“透射率”或“透明度” 表示它们均可表征 水中能见度水体本身的光谱特性是与水深相关的 清水不同深度的光谱特征变化右图显示清澈水体，随水深的增加， 光谱特征的变化。
清水近水面的光谱曲 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20米处，因水体对近红外光的 强吸收，仅保留了兰、绿波段能量可 见，兰绿波段对研究水深和水底特征是 有效的光对水的穿深能力，除了受波长的影响外，还受到水体混浊度的 影响随着水中悬浮物质含量（混浊度）的增加，反射率明显增大， 衰减系数增大，最大透射波长向长波方向移动清水，光的最大透射波长为0.45-0.55μm（兰、绿光区）此处水体 衰减系数最小、穿深能力最强（一般穿深约10－20m，清水则可能穿深 30m），记录水体底部特征的可能性最大；在红光区，由于水的吸收 作用较大，透射相应减小，仅能探测 水体浅部特征（一般穿深约2m ）；在 近红外区，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”的概念不同浊度水体的光谱衰减特征实际上影响遥感入水深度的因素很多除波长、水体混浊度外， 还与水面太阳辐照度 ——是太阳入射方向 、 的函数，水 体衰减系数 、水体底质的反射率 、海况、大气效应等有 关。
Polcyn 空间尺度: 4－5 km为宜，但对于海岸带环境研究则需1km 或更小；波段选择:水色信息提取至少应包含叶绿素吸收峰（0.44μm）、 叶绿素反射峰（0.55μm），以及对悬浮泥沙含量敏感的波长（0.62- 0.68μm ），带宽以20nm为宜；含泥沙水体中叶绿素的提取，最好应有荧光峰（ 0.68μm），以区别于其它物质对吸收和散射的影响；黄色物质提取，可加 黄色物质的吸收峰（0.41μm）；而对于大气纠正（特别是对气溶胶散射的 纠正），一般应避开水汽和臭氧吸收带，而至少选用0.704-0.713μm及0.855 -0.89 μm 两个波段我国海洋一号卫星（ HY-1 ）遥感器的波段与应用领域 COCTS 海洋水色扫描仪 CCD成像仪波段（μm） 主要应用领域波段（μm ）主要应用领域0.402～0.422黄色物质、水体污染0.42～0.50污染、植被、水色、冰、水下地 形 0.433～0.453叶绿素吸收0.52～0.60悬浮泥沙、潮间带、污染、冰、 滩涂、植被 0.480～0。