第_6_章_水环境遥感1

3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系

如下图所示，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(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。

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。

说明3：水面入射光谱中，仅 有可见光（0.4～0.76 μm)才 透射入水，其他波段的入射 光或被大气吸收或被水体表 面吸收，如图所示。 该图中还显示蓝光(0.4～0.5 μm)水的透射性最好，对于清 洁水可达几十米。
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)。 (2)基于灰度系统理论为基础的模型(略)。
5.水体光谱特征与水温的关系


尽管，由于水体(这里主指海洋)中叶绿素、混 浊度、表面形态、表面热特征不一，使水体具 有不同的光谱特征；尽管不同波谱段对水体有 不同穿透能力，同一谱段对不同类型水体有不 同穿透能力等，造成水体光谱特征的差异。 但是，水体整体反射率低(<10%)，相互之间 的光谱差异小，与陆地上地物光谱特征间差异 相比要小得多，因而所得的海洋遥感图像反差 很低，可以获得的信息十分有限。


对于清水，光的最大透射波长为0.45～0.55μm，其 峰值波长约0.48 μm，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。
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0.43μm～ 0.65μm为测量水中叶绿素含量的最佳波段；0.58 μm ～0.68μm 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 μm ～0.65μm 谱段。
第6章 水环境遥感

6.1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
6.1 水体的光谱特性
从水体中得到的遥感光谱信号是多种信号的复合体， 它包括了大气散射及水面、水底的反射以及水体中多种 综合因素的散射辐射。波长为的遥感光谱信号的传播过 程如下图所示 ：


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。

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 μm附近蓝光波段)与叶绿素反 射峰(0.55 μm附近绿光波段)或荧光峰(0.685 μm附 近的红光波段)间的差异，提取叶绿素浓度信息， 以指示遥感监测水体(海洋)的初级生产力水平。
全 球 海 洋 叶 绿 素 浓 度 图
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 μm处约 2%～3%，过了0.75 μm，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。
5.水体光谱特征与水温的关系


另外，由于水体热容量大、热惯量大、昼夜温差 小，且水体内部以热对流方式传输热量，所以水 体表面温度较为均一，空间变化小；但是大气效 应，特别是大气中水汽含量，对水温测算精度影 响较大，因此，遥感估算水温时，必须进行大气 纠正。 水面遥感测温及水面大气纠正均比陆地表面的简 单和成熟。
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。左图 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。
4.水体光谱特征与水深的关系

对水体来说，水的光谱特征主要是由水本身的物 水体在近红外、短波 红外这两个波段的反 可见光反射包 质组成决定，同时又受到各种水状态的影响。 射能量很小。这一特 含：水表面反
射、水体底部 物质反射、水 中悬浮物质反 射3个方面。
3%～10% 5%
对于清水，在蓝—绿波段反射率4%～5%, 0.6μm以下的红光部分反射率降到2%～3%
遥感器接收L=Lw+Ls+Lp
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Lw水中光或 称离水反射辐射。 到达水面的入射光
天空散射光Lp
它的强度与水面性 质有关：表面粗糙 度、水面浮游生物 、水面冰层、泡沫 带等。 3.5%水面散射光Ls
少量水体本身信息
（太阳光和天空光）
部分衰减后的水中 散射光到达水体底 部形成底部反射光 它的强度与水的混浊度成正 相关，与水的深度成负相关
地中海叶绿素浓度图
3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系


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(0.5μm以上)移动，而且反射峰值本身形 态变得更宽。
征与植被和土壤光谱 有十分明显的差异， 因而在红外波段识别 水体是较容易的。
水的吸收少 反射率较低 大量透射
蓝
青
绿
黄
橙
红
0.8? 0.76 近红外、短波红外
几乎吸收全 部入射能量
可见光波段
可见光波段


上图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“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。
4.水体光谱特征与水深的关系


比如：一般蓝绿波段穿透深度约10～20m，则水 体对应的像元可能反映约10～20m厚度水体的综 合光谱特性(清水则可能穿深30m)；而红波段穿 透深度约2m，则可能反映约2m厚度水体的综合 光谱信息。 正如前述，水体的光谱特性主要是通过体散射， 而不仅是表面反射测定的，这与陆地截然不同。
其余的光经折射、透射进 入水中，大部分被水分子 吸收和散射，以及被水中 悬浮物质所散射、反射、 衍射成水中散射光。
它的强度与水的混浊度成正 相关，与水的深度成正相关。
6.1 水体的光谱特性

上图和上式可以看出，由于水体的透光性和水面的 反射性，由传感器接受到的水体遥感光谱信号包含了来 自大气、水面、水体以及水底各个不同层次的光谱信号， 是一个经过了叠加的综合信号。包括了水体中叶绿素的 光谱信号、悬浮泥沙、污染物、流场等的光谱信号。水 体遥感是复杂的。
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，在 0.43～0.70μm光谱段 会有选择地出现较明 显差异。 左图显示不同叶绿索 含量水面光谱曲线。
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 μm处有 个吸收峰。 0.4～0.48 μm(蓝光)反射辐射随叶 绿索浓度加大而降低； 在波长0.52 μm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 μm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 μm附近有明显的荧光 峰。
2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系


左图反映航空遥感所测的 不同叶绿素浓度的海水的 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。
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


左图为长春遥感试验对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 μm、 1.13μm红外强吸收的影响， 反射峰值移到0.8μm终止 (可能有系统误差)。