第二章 水环境遥感

2.2 水资源遥感
水文要素遥感研究 遥感技术能观测地球表面信息，而不是传统上某点 的观测值，并可观测一些传统方法观测不到的水文变 量。近年遥感技术的发展和应用，对水文科学的进展 起重大的推动作用。 （1）水位-面积和流域界定 （2）水深探测 （3）水温探测 （4）径流估算
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2.1 水体的光谱特性
纯水在 400～ 1100 nm之间的吸收和散射特 性
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2.1 水体的光谱特性
上图为纯水在400-1100nm之间分辨率为1nm的吸收和 散射特性。 然而,就多种传感器的表面水质监测而言,还必须知 道波谱段探测信号的反演能力。因为适当的波段划分,选 择和组合会带来许多优点:减少数据的选择过程,优化波 段组合算法,并减少多波段组合引起的噪声影响等。 水中某些成分对波谱信号的散射远远大于水分子本 身对波谱信号的散射。不同水质呈现出不同的光谱特性。
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2.3 水体污染监测
2.4Water pollution of the Taihu Lake The composed landsat TM 4(R),3(G),and (B) image shown an disaster event which algae blooming in the Taihu lake in Augest,1998. It is clear that a blue green algae belt ,about 20 km long and 2-3 km wide ,stretched along the northwestern part of the lake. Through the water pollution monitoring using satellite remote sensing , the pollution event containing its location, affecting area and scale was clearly discovered in real time. It was shown that there have a lot of work to do for solving the eutrophication problem and managing the water environment in the Taihu Lake.
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2.2 水资源遥感
水体遥感原理 水既可以吸收也可以散射通过水汽界面的波谱辐射 能量 (Ed)，但水的散射会增加天空辐射能量(Eu)，而水 的吸收则会同时减少 Ed和 Eu。遥感探测的波谱信息就 是这种吸收和散射过程综合作用的结果。
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2.2 水资源遥感
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2.1 水体的光谱特性
不同叶绿素含量水体的反射光谱曲线
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2.1 水体的光谱特性
不同泥沙含量水体的反射光谱曲线
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2.2 水资源遥感
水体遥感原理 水既可以吸收也可以散射通过水汽界面的波谱辐射 能量 (Ed)，但水的散射会增加天空辐射能量(Eu)，而水 的吸收则会同时减少 Ed和 Eu。遥感探测的波谱信息就 是这种吸收和散射过程综合作用的结果。
利用遥感图像可进行海岸带岸线测量、河口及近岸 悬浮泥沙迁移，以及海洋环境监测，诸如海水温度、盐 度、水深、洋流、波浪、潮沙等海洋诸要素的测量，对 海洋的开发具有重要意义。遥感图像可提供大尺度、现 实性强、多层次、全天候、客观逼真的丰富信息，为海 洋研究及指导海洋渔业生产提供了基础。
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2.3 水体污染监测
从原理上说，遥感传感器记录的是地表物体的电磁 波辐射特性（强弱变化及空间变化），因此只有在较大 程度上直接或间接影响水体的电磁波辐射性质的水环境 化学物质才有可能通过遥感技术加以探测，并非所有水 环境化学研究的内容都可以辅以遥感手段。
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石油污染
—— 0.15 （0.15） 0.15 （0.15） 温度分辨率 ±0.2°C (±1°C) 0.05 （0.15） 0.015 （0.015）
2-4小时 （1天） 2小时 （1天） 5小时 （10天） 2小时 （10天） 2天 （14天） 5小时 （2天）
注意光晕 0°-+15° （-5°-+30°） 0°- +15° （-5°-+30°）
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λ的遥感光谱信号的传播过 程如下图所示 ：
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2.1 水体的光谱特性
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2.1 水体的光谱特性
由高度为Z的传感器接受到的遥感光谱信号L可用下式表 示：
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2.3 水体污染监测
可以用以下简单模型近似描述各种物质对内陆水体 光谱反射率ＲW 的影响:
ＲW =(ｂW +ｂS+ｂP) / (ａW+ａS+ａP+ａY)；
式中ＲW 为内陆水体反射率，ｂW 、ｂS、ｂP 分别 是水、悬浮物和浮游植物的后向散射系数，ａW、ａS、 ａP、ａY分别是水、悬浮物、浮游植物和黄色物质的吸 收系数。
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2.3 水体污染监测
在江河湖海各种水体中，污染物种类繁多。为了便 于用遥感方法研究各种水污染，习惯上将其分为富营养 化、悬浮泥沙、石油污染、废水污染、热污染和固体漂 浮物等几种类型。
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2.3 水体污染监测
污染类型 生态环境变化 遥感影像特征 在彩色红外图像上呈红褐色或紫红色, 在MSS7图像上呈浅色调 在MSS5像片上呈浅色调,在彩色红外片上呈淡蓝、 灰白色调,浑浊水流与清水交界处形成羽状水舌 在紫外、可见光、近红外、微波图像上呈浅色调, 在热红外图像上呈深色调,为不规则斑块状 单一性质的工业废水随所含物质的不同色调有差异, 城市污水及各种混合废水在彩色红外像片上呈黑色 在白天的热红外图像上呈白色 或白色羽毛状,也称羽状水流 各种图像上均有漂浮物的形态 富营养化 浮游生物含量高
遥感地学分析
Geography Analysis for Remote Sensing
第2章 水环境遥感
《遥感地学分析》课程小组编写 遥感地学分析》
内容提要
2.1 水体的光谱特性 2.2 水资源遥感 2.3 水体污染监测
2.3.1 内陆水体污染遥感监测 2.3.2 海洋污染遥感监测
2.1 水体的光谱特性
2.3 水体污染监测
利用遥感技术研究水环境化学包括定性和定量两种 方法。定性遥感方法是通过分析遥感图像的色调（或颜 色）特征或异常对水环境化学现象进行分析评价的，这 往往需要了解水环境化学现象与遥感图像的色调（或颜 色）之间的关系，建立图像解译标志。定量遥感方法建 立在定性方法的基础之上，为了消除随机因素的影响， 通常需要获得与遥感成像同步（或准同步）的实测数据， 以标定定量数学模型。
悬浮泥沙
水体浑浊
石油污染
油膜覆盖水面
废水污染
水色水质发生变化
热污染 固体漂浮物
水温升高
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2.3 水体污染监测
水质遥感对影像的要求
遥感参数 测定项目 地面分辨 率(m) 10-30* （300） 20 （500） 10 （200） 30 （500） 100 （2000） 30 （2000） 光谱分辨率 (µm) 波长范 围(nm) 紫外、 可见、 微波 350-800 400-700 350-800 400-700 10-20µm (1014µm) 400-700 400-700 摄影周期 视场角(离铅直 方向的角度) 摄影范围 (km×km) 200×200 （20×20） 350×100 （10×10） 35×35 （10×10） 35×35 （10×10） 350×350 （35×35） 350×350 （20×100）
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2.3 水体污染监测
王学军等（2000）利用遥感信息和有限的实地监测 数据建立了太湖水质参数预测模型。根据太湖的主要污 染体现在水体的富营养化方面这一污染特征 ,并参考监 测站的监测参数 ,主要选取 SS(悬浮固体颗粒物)、 SD(透明度)、DO(溶解氧)、CODMn(高锰酸盐指数)、 BOD5(5日生化需氧量)、TN(总氮)、TP(总磷) 7个监测参 数进行分析。
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2.3 水体污染监测
目前一些学者尝试用航天遥感来监测水污染参数 。 励惠国等通过分析 TM影像上不同水质水体的视反射 率特征 ，发现 1-4波段的视反射率 （R1、R2、R3和 R4） 对不同的水质比较敏感。利用 R2 / R1 >1可以区分出较 高悬浮泥沙区域 ，R4/ R3可以作为水体有机污染的指标。 以黄河三角洲地区的小清河口为例 ，利用不同时相的 TM影像 ，对水污染的遥感提取进行了尝试 ，得到了小 清河口的水污染分布。
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2001年1月15日FY-1C观测到的渤海海域海冰监测图像
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2001年2月15日FY- 1C观测到的渤海海域海冰监测图像
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2.3 水体污染监测
利用遥感技术能迅速、同步地监测大范围水环境质 量状况及其动态变化，在这些方面弥补了常规监测手段 的不足，因此引起许多环境科学工作者的重视。就精度 而言，遥感方法通常低于常规监测方法，但遥感技术正 是通过这种精度上的损失，换取了水环境研究的区域性、 动态性和同步性，这正是把遥感技术应用于水环境研究 的意义所在。
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2.3 水体污染监测
The enlarged northern part near the city of W . It is shown from the uxi belt-shaped pink imagery on the landsat TM image that the algae come from the city river to the T Lake and extend along the east bank of aihu the M ei-liang Lake, reflecting the domestic sewage of W city is the uxi main pollution source of the T Lake. aihu
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2.1 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。
2.2 水资源遥感
水域变化监测 遥感研究自然历史变迁，尤以研究水域的演 变 最为突出，效果明显。这是因为，一是水域面积大，变 化快，形态独特；二是水在各波段具有明显的特性；三 是水域演变后多能在原地保留一定湿度和形态， 即“痕 迹”较为明显。因而，在遥感图像上图斑清晰，信息丰 富，较易辨别。 （1）河流、水系变化 （2）湖泊演变 （3）河口三角洲演变 （4）海岸带演变
悬浮泥沙 固体废物
热污染
——
富营养化 赤潮
0°- +15° （0°- +30°） 0°- +15° （-5°- +30°）
注：表内数字是指理想值，括弧内的数字是最低限度允许值。
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2.3 水体污染监测
2.3.1 内陆水体污染遥感监测 内陆水体中决定光谱反射率的污染物质主要有三类： （1）浮游植物，主要是藻类 （2）由浮游植物死亡而产生的有机碎屑以及陆生或湖体 底泥经再悬浮而产生的无机悬浮颗粒，总称为非色素悬 浮物（以下简称悬浮物） （3）由黄腐酸、腐殖酸组 成的溶解性有机物，通常称为黄色物质
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2.3 水体污染监测
预测结果：太湖 TP分布等值线图
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2.3 水体污染监测
从上图可以看出，太湖水域 TP浓度总体上很高，但 分布区域变化很大，东太湖地区的含量值明显偏高，是 富营养化严重的地区。靠近无锡和苏州的太湖东北部地 区的含量也较高，体现较强的富营养化趋势 。