遥感水质监测概述

质反演方法为经验和半经验方法，即通过建立水质变量与
遥感数据之间的统计关系，估测水质变量指标。
理论方法：基于大气辐射传输理论及其模型、利用遥感测
量得到的反射率或辐射值来计算水实际吸收系数与后向散 射系数的比值，与水中各组分的特征吸收系数、后向散射 系数相联系，就可以得到各组分的含量。
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经验方法：建立遥感数据与地面实测水质变量数据之间的
基本水质指标中,只有部分指标可以用遥感技术监测,而在 研究和应用中比较成熟的仅有叶绿素a和悬浮物。
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叶绿素a是最重要的水质参数之一。它能反映水中浮游生物和初级生
产力的分布,其含量变化可以反映水体富营养化程度。

叶绿素a吸收的蓝光和红光较多，而绿光较少，因此随叶绿素浓度增 加，海水的后向散射光谱即海水的颜色从深蓝逐渐转变为绿色。
浮固体的含量。
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黄色物质：由黄腐酸、腐殖酸组成的溶解性有机物,又称有色溶解性 有机物 (DoM) 。国内外对黄色物质的研究都是从海洋开始的。自
Kall(c9l49)最先利用紫外线照射海水发现水体中存在黄色物质,很多
研究表明了对黄色物质进行遥感监测的可能性。

有机物含量：水体中有机物种类繁多 ,成分复杂 ,难以分别对其进行 定量分析。因此,一般不对它们进行单项定量测定,而是利用其共性, 用某种指标间接地反映其总量或分类含量。在实际工作中,常用下列
指标来表示水中有机物的含量 , 即化学需氧量 (COD) 、生化需氧量
(BOD)、总有机碳(TOC)和总需氧量(TOD)。
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水温（工业废水）：实际观测中由于水的比辐射率接近于1( 近似黑体),因此往往用所测的亮度温度表示水体温度。遥感 估算水温时,由于水体热容量大、热惯量大、昼夜温差小,且水
的光谱信息非常丰富，重访周期、幅宽等也可满足内陆湖泊水质遥感需求，加 上能与同星搭载的多光谱传感器同步获取数据，因此 HSI 数据应用于水质遥感 监测具有独特的优势。但是HSI 影像的处理方法尚不完善，在广泛应用于水质 遥感前对其进行质量研究和评价非常必要。
⑥GF-1卫星：不仅可以用于精细探测局部的环境污染状况，还可用于水环境、
校正、大气校正以及几何校正等；
④对遥感数据和实测水样数据进行相关性分析，找出与
各水质变相相关性最为密切的遥感波段或波段组合；
⑤利用水质实测数据和遥感数据构建水质遥感反演模型
与评价模型。
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目前，利用遥感数据进行水质定量反演的方法主要有三种
：理论方法，经验方法和半经验方法。其中最为常见的水
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新 型 卫 星 遥 感 数 据 ： landsatETM+ 、 EO-1 ALI 、 MODIS 、 ENVISAT MERIS等多光谱数和EO-1 Hyperion高光谱数据。
④MODIS: 它具有从可见光到热红外的 36个波段的扫描成像辐计 ,分布在0.4一
14μ m电磁波谱范围内, 波段l一2的地面分辨率为250米,波段3一7的地面分辨
Water Quality Monitoring by Remote Sensing
定义：利用遥感技术所具有的大范围、连 续观测、以及多平台、多波段、多分辨率 的特点， 对水的物理、化学性质进行周期 性测定，以评估和确定水体质量状况 。
by Liu Suhua
研究意义 理论基础 监测指标 数据来源 研究流程 研究方法
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水深：主要依据可见光波段，原理是基于光线对水体的透 射。可见光在水体中的衰减系数越小，则其对水体的穿透
性就越好。衰减系数和遥感‘可视’水深之间有一定的关
系。有效波段在蓝色至黄色之间。
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多光谱遥感数据：包括landast MSS、TM、SPOT、HRV、IRS一IC、 NOAA/AVHRR等数据。由于多光谱遥感数据光谱分辨率较低,不能在理 论上针对地物光谱特征解决问题。
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传感器上
接收到的
总辐射亮
大气散射
水表面的方向反射 水体的后向散射光和水底的反射
水体后向散射光和水体的反射光， 这一部分含有水色信息，是可以用 来监测水质的部分，称为离水辐亮 度。
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如图所示
有三部分
组成。
在地表水环境质量标准 (GB3838 一 2002) 中规定的 24 个
② EO-1 Hyperion光谱范围在0.4一2.5pm之间,地面分辨率为30米，不是专门 用来监测水质的传感器,但其较高的光谱分辨率和地面分辨率,对湖泊的水质遥 感监测有着巨大的价值。 ③MERIS是专门针对水色遥感的传感器 ,波谱范围412一1050mn。数据在星下 点的分辨率为 300m; 在开阔的海洋上 , 收集的数据分辨率有所降低 , 分辨率为 1200m。MERIS,重复观测周期2一3天,并且能够在15个波段上收集数据。设 置的三个近红外波段可以用来完成精确的大气校正 ,这就大大的提高了水质参 数的反演精度。

不同浓度浮游植物光谱曲线在440nm处出现明显的吸收峰，在 502nm处出现独立于叶绿素浓度的“节点”。在“节点”处，海面 反射率随叶绿素浓度变化不大。在550mn附近，普遍出现反射峰值 。随水体叶绿素浓度越高，其辐射峰值也越高。这是叶绿素遥感的 波谱基础。
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悬浮固体：指悬浮在水中的微小固体物质 , 其直径一般在 2mm 以下,包括粘土、淤泥、粉砂、有机物和微生物等，是形成水体 浑浊的主要原因，也是农药、可溶解N和P、重金属和其他污染 物的载体。
其应用。
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高光谱遥感数据：包括成像光谱仪和非成像光谱仪。
①成像光谱仪：可以为每个像元提供数十至数百个窄波段 (通常波段 宽度<l0nm)光谱信息,能产生一条完整而连续的光谱曲线。国内外 的学者利用美国的 AVIRSI 数据、加拿大的 CASI 数据以及芬兰的 AISA数据进行了湖泊水质参数研究 ,如叶绿素浓度、水体混浊度、 悬浮物浓度的估测。 ②非成像光谱仪：地面非成像光谱仪在湖泊水质监测中主要用来在野 外或实验室测量水体的光谱反射曲线,同时也用于机载成像光谱仪量 测水质参数的表面校准。机载高光谱分辨率数据是解决星载多光谱 数据光谱分辨率低的一个有效途径,提高了水质遥感监测精度,
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新 型 卫 星 遥 感 数 据 ： landsatETM+ 、 EO-1 ALI 、 MODIS 、 ENVISAT MERIS等多光谱数和EO-1 Hyperion高光谱数据。
① landsatETM+突出优势在于提高了多光谱波段的空间分辨率 ,增加了一个分
辨率为15m的全色波段,丰富了数据的信息量。

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近海水质日趋恶化，掌握水质状况对行政部门实施海洋
综合管理，合理开发以及保护具有指导作用；
常规的水质监测耗时耗力 ,并且很难反映近海海域的整体
水质状况；

遥感技术可快速、及时提供整个近海海域的水质状况，
具有监测范围广、成本低和便于进行长期动态监测的优
势，在近海水质监测中有巨大的应用潜力。
统计关系来反演水质变量值。容易理解，但是由于水质变
量与遥感数据之间的相关性关系得不到保证，因此水质变
量反演结果精度较低，且该方法受到时间和空间的限制。
半经验方法：将已知的水质变量光谱特征与统计分析模型
（或其他数学模型，如线性光谱分析模型）相结合，选择 最佳的波段或者波段组合作为相关变量估算水质变量值的 方法，具有一定的物理意义。也是目前最常用的方法。
① landsat MSS：研究表明，湖泊中的叶绿素a浓度、悬浮物浓度可以通过
MSS数据监测。但是由于波段太宽,MSS数据不能用于监测悬浮物含量很 高的湖泊，也会掩盖浮游植物水体出现在狭窄波带处的光谱特征信号。
② landsat TM：由于波段较宽,波段设置相对水质遥感来说不尽合理,一些
水质参数的特征光谱并不能在TM数据上反映出来。因此,TM数据并不是 理想的遥感水质监测数据。 ③SPOT：高空间分辨率非常适合于湖泊的水质遥感监测,但PSOT数据仅具 有4个光谱波段(3个可见光波段、1个近红外波段),而且数据费用昂贵,限制

在可见光以及近红外波段范围，随着悬浮物含量的增加，水体
的反射率增加，并且随着悬浮物浓度的增大，反射峰向长波方 向移动（Han L.H and Rundquist D.C,1994）。悬浮物质浓度 、颗粒大小和组成是影像光谱反射率的主要因素（ Choubey V.K,1998）。因此根据影像的遥感反射率,可以定量求出水体悬
大气环境和生态环境质量等大范围的宏观监测与评价，但是目前应用于水体 的研究还很少。
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水质遥感监测的步骤包括五个方面
①实地水样的采集以及水质实测数据的时空分析； ②遥感影像数据的选择与申请，需要与实测数据在时间
上保持同步；
③进行实则数据的分析和遥感数据的预处理，包括辐射
体内部以热对流方式传输热量,故水体表面温度较为均一,空间
变化小 。目前世界水体表面温度的反演主要是利用红外遥感 技术来进行,算法主要是红外劈窗算法。对于水体热污染，也 可以通过水流形状判别，在影像上表现为白色或灰白色羽毛 状。羽毛流的影像色调,从羽根到羽尖, 由浅逐渐变深,从羽流
的中轴向外,色调也由浅变深。
率为500米,波段8一36的地面分辨率为1000米。NAAS对MODSI数据实行全 球免费接收的政策， 大大降低了利用MODIS监测水质的费用，且MODIS具
有较高的时间分辨率(一天可以接受两次多光谱数据和多达36个波段的光谱数
据,因此成为内陆较大湖泊水质遥感监测最有潜力的遥感数据源之一。
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对水体的内在光学特性的了解不够深入： 水体的光学特性是决 定水体光谱特征的本质因素，将直接影响水色，只有充分把握了 水体的光学特性才能从遥感数据中发现水体中物质成分的区别， 但目前这方面的研究仍然是比较欠缺的。 遥感监测的水质参数有限：主要集中于悬浮物、叶绿素 a 浓度 、透明度和浊度等，对于水体中重要的物质-黄色物质的研究不 够多，这将直接影响对悬浮物和叶绿素遥感估算的精度，因黄色 物质是影响水体光谱特征的一个重要因素， 对于 BOD5、COD 、DO、TN、TP 等水质参数的可行性分析与定量研究更少。 反演方法的精度不高、适用性差：反演方法主要是以经验、半经 验方法为主，分析方法由于参数获取原因研究较少，但经验、半 经验方法受时空限制较大，推广上受到很大限制，而分析方法是 从机理出发，具有物理意义，适用性强，因此应重视对分析方法 的研究，以提高模型的适应度。

新型卫星遥感数据:中国的卫星高光谱遥感数据
⑤ HJ-1A：环境一号”星座 A 星搭载的“超光谱成像仪( HSI) ”，在工作谱段 0.45-0.95 μ m 之间拥有115 个波段，平均光谱分辨率为5nm，空间分辨率为
100 m，幅宽大于 50 ×50 km2，是目前比较先进的高光谱传感器． 其能获取
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溶解或悬浮于水中的污染成分、浓度等的不同，导致
了水体对不同波长光的吸收和散射也不同，进而引起
水体颜色、密度、透明度等表观参数的差异（水的组
分含量不同，水体的反射光谱差异显著）。因此，通
过遥感系统测量并分析水体吸收和散射太阳辐射而形
成的光谱特征，是水质遥感定量监测的基础。
比如：浮游生物：0.45一0.7μm可显示出来；悬浮泥沙： 0.5一0.8μm悬浮泥沙；水温：红外影像。