第_6_章_水环境遥感1

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
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。


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

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。
4.水体光谱特征与水深的关系

实际上影响遥感入水深度的因素很多。 除了波长、水体混浊度外，还与水面太阳辐照度 E(λ) —是太阳天顶角θ 、太阳方位角ϕ的函数， 水体的衰减系数α (λ) 、水体底质的反射率ρ (λ) 、 海况、大气效应等有关。
5.水体光谱特征与水温的关系

遥感器所探测的热红外辐 射强度得到的水体温度是 水体的亮度温度(辐射温 度)，本应考虑水的比辐 射率，方可得到水体的真 实温度(物理温度)。但在 实际观测中由于水的比辐 射率接近于1(近似黑体)， 在波长6～14μm段尤为如 此(左图)。因此往往用所 测的亮度温度表示水体温 度。
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。

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
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。
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。


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。
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。

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
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。
4.水体光谱特征与水深的关系


左图显示，清澈水体随水 深的增加(0～0.2m～2m～ 20m)，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 研究水深和水底特征是有 效的。
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

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%
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；
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。
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)。
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 ：



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

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

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。
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)。
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。
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。 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0.45～0.55 μm，其峰值波 长约为0.48 μm。
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。
5.水体光谱wenku.baidu.com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。