水环境遥感应用在不同环境

1、LOGO水环境遥感应用水环境遥感应用n班班级级：环环境工程境工程n学学生：生：谭谭林林n学号学号：1075515013721.遥感技术概述遥感技术概述2.水环境概述水环境概述3.水环境遥感原理水环境遥感原理4.水环境遥感应用水环境遥感应用5.水环境遥感发展趋势水环境遥感发展趋势1.1遥感技术的定义遥感技术的定义u遥感技术：广义：泛指遥感技术：广义：泛指一切无接触的远距离探测一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。狭义：指应用探测仪器，不与探测目标相的探测。狭义：指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的接触

2、，从远处把目标的电磁波特性电磁波特性记录下来，通过记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。测技术。u现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。遥感系统，处理等环节。遥感系统，由传感器、遥感平台、信由传感器、遥感平台、信息传输设备、接收装置以及图像处理设备息传输设备、接收装置以及图像处理设备等组成，等组成，其核心组成部分是获取信息的传感器。其核心组成部分是获取信息的传感器。1.2遥感技术基本原理遥感技术基本原理u基本原理：基本原理：任何物体都具有光谱特性任何物体都具有光

3、谱特性，具，具体地说，它们都具有不同的吸收、反射、体地说，它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别反映也有明显差别。即使是同一物体，在。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同。1.3遥感技术特点遥感技术特点u获取信息手段多获取信息手段多,信息量大。（不同波段，不同数据源）信息量大。（不同波段，不同数据源）u动态反映事物的变化。

4、（不同时相）动态反映事物的变化。（不同时相）u探测范围大探测范围大,具有宏观性。（覆盖面积）具有宏观性。（覆盖面积）u获取信息的限制条件少。（人类不能到达的地方）获取信息的限制条件少。（人类不能到达的地方）2.1水环境水环境u水环境是指自然界中水的水环境是指自然界中水的形成、分布和转化形成、分布和转化所处所处空间的环境。是指围绕人群空间及可直接或间接空间的环境。是指围绕人群空间及可直接或间接影响人类生活和发展的水体，其正常功能的各种影响人类生活和发展的水体，其正常功能的各种自然因素和有关的社会因素的总体。也有的指自然因素和有关的社会因素的总体。也有的指相相对稳定的、以陆地为边界的对稳定的、以陆

5、地为边界的天然水域所处空间的天然水域所处空间的环境。环境。u水环境主要由水环境主要由地表水环境和地下水环境地表水环境和地下水环境两部分组两部分组成。地表水环境包括河流、湖泊、水库、海洋、成。地表水环境包括河流、湖泊、水库、海洋、池塘、沼泽、冰川等，地下水环境包括泉水、浅池塘、沼泽、冰川等，地下水环境包括泉水、浅层地下水、深层地下水等。水环境是层地下水、深层地下水等。水环境是构成环境的构成环境的基本要素之一，是人类社会赖以生存和发展的重基本要素之一，是人类社会赖以生存和发展的重要场所，也是受人类干扰和破坏最严重的领域。要场所，也是受人类干扰和破坏最严重的领域。水环境的污染和破坏已成为当今世界主要

6、的环境水环境的污染和破坏已成为当今世界主要的环境问题之一。问题之一。2.2水体水体水体有两层含义：水体有两层含义：u一般指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的一般指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称；总称；u在环境学领域中，水体包括水中的在环境学领域中，水体包括水中的悬浮物、溶解有悬浮物、溶解有机物质、底泥和水生生物机物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完整等完整的生态系统或完整的综合自然体。的综合自然体。u水环境污染研究中，水环境污染研究中， “水水”与与“水体水体”的概念区的概念区分十分重要。例如，重金属污染物易从水转移到底分十分重要。例如，重金属污染物易从水转移到底泥中，着眼

7、于水，似乎未受污染，但从水体看，则泥中，着眼于水，似乎未受污染，但从水体看，则受到较严重的污染，成为长期的次生污染源。受到较严重的污染，成为长期的次生污染源。3.1水环境遥感原理水环境遥感原理-水体的光谱特征水体的光谱特征 作为环境独立因子的水体，与其他环境因子作为环境独立因子的水体，与其他环境因子相比，具有较为明显的辐射特征，其主要表现为：相比，具有较为明显的辐射特征，其主要表现为：天然水体对天然水体对0.40.41.1m1.1m电磁波的反射率明显低电磁波的反射率明显低于其他地物，即总辐射水平低于其他地物，在遥于其他地物，即总辐射水平低于其他地物，在遥感图像上常常表现为暗色调；感图像上常常表

8、现为暗色调；近红外波段的反射比可见光波段更低；近红外波段的反射比可见光波段更低；对于不同的水体，在可见光波段，其反射率有对于不同的水体，在可见光波段，其反射率有较为明显的不同，如随泥沙含量的增加而增强。较为明显的不同，如随泥沙含量的增加而增强。 3.1水体的光谱特征水体的光谱特征 对水体来说，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。0.76可见光波段近红外、短波红外可见光波段3%10%5% 蓝 青 绿 黄 橙 红对于清水，在蓝绿波段反射率4%5%,0.6m以下的红光部分反射率降到2%3%水的吸收少反射率较低大量透射可见光反射包含：水表面反射、水体底部物质反射、水中

9、悬浮物质反射3个方面。几乎吸收全部入射能量水体在近红外、短波红外这两个波段的反射能量很小。这一特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。0.8?3.2水体与电磁波作用过程水体与电磁波作用过程到达水面的入射光到达水面的入射光（太阳光和天空光）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%水面散射光水面散射光Ls少量水体本身信息其余的光经折射、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混浊度成正相关，与水的深度深度成正相关。部分衰减后的水中散射光到达水体底部形成底部反射

10、光它的强度与水的混浊度混浊度成正相关，与水的深度深度成负相关水中散射光的向上向上部分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。天空散射光Lp遥感器接收L=Lw+Ls+Lp4.1水环境遥感的应用水环境遥感的应用-水资源遥感水资源遥感u在水资源监测中，在水资源监测中，实测数据实测数据必不可少。但是，仅通过必不可少。但是，仅通过这些水文观测点得到的数据这些水文观测点得到的数据并不能得并不能得到我们所需要的到我们所需要的区域水资源分布图。实际上，利用个别点的观测信息区域水资源分布图。实际上，利用个别点的观测信息很难得到水资源的空间分布信息。很难得到水资源的空间分布信息。u遥感以其

11、遥感以其实时、高效、数据量大、观测范围广实时、高效、数据量大、观测范围广的优点的优点在水资源监测中发挥了重要的作用。随着多传感器、在水资源监测中发挥了重要的作用。随着多传感器、多光谱遥感的发展和应用，结合地面实测数据，遥感多光谱遥感的发展和应用，结合地面实测数据，遥感会在河流湖泊会在河流湖泊动态监测动态监测、冰雪覆盖、冰雪覆盖、水温水温、水深水深、径、径流估算等水资源监测方面发挥巨大作用，成为研究水流估算等水资源监测方面发挥巨大作用，成为研究水文循环、进行水资源有效监测和管理的重要手段。文循环、进行水资源有效监测和管理的重要手段。4.1.1水深探测水深探测u水深探测是指利用水深探测是指利用光波

12、对水的穿透能力光波对水的穿透能力，即水体，即水体的透光性能进行水深测量。穿透能力由衰减长度的透光性能进行水深测量。穿透能力由衰减长度来衡量，衰减长度是表示水中能见度的一个度量来衡量，衰减长度是表示水中能见度的一个度量单位，一个衰减长度被定义为向下辐照度等于表单位，一个衰减长度被定义为向下辐照度等于表面辐照度的面辐照度的1/e(或或37%)的长度。的长度。4.1.1水深探测水深探测 左图显示清澈水体随水深的增加(0、0.2、2、20m)，其光谱特征的变化，即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，由于水体对红外波段光的有

13、效吸收，近红外波段的能量已几乎不存在，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4.1.2水温探测水温探测 传感器通过探测传感器通过探测热热红外红外辐射强度而得的辐射强度而得的是水体亮度温度是水体亮度温度(辐射辐射温度温度)，本应考虑水的，本应考虑水的比辐射率，方可得到比辐射率，方可得到水体真实温度水体真实温度(物理温物理温度度)。但实际中，由于。但实际中，由于水的水的比辐射率比辐射率接近于接近于1(近似黑体近似黑体)，在波长，在波长614m 段尤为如此段尤为如此，因此往往用，因此往往用所测亮所测亮温表示水体温度温表示水体温度。4.1.3水域变化监测水域变化监测u 由于河

14、流、湖泊、海岸等均有其特定的发生发展规律，由于河流、湖泊、海岸等均有其特定的发生发展规律，有其区别于其他地物的特性，因此尽管经历了漫长的自有其区别于其他地物的特性，因此尽管经历了漫长的自然历史过程，发生了很大的变化，仍有不少特征通过地然历史过程，发生了很大的变化，仍有不少特征通过地表水分条件、植物生长状况、土地利用方式、地貌结构表水分条件、植物生长状况、土地利用方式、地貌结构和组合关系等得以不同程度的保留。和组合关系等得以不同程度的保留。u 在遥感图像上，它们在遥感图像上，它们以色调、阴影、形态、大小、纹以色调、阴影、形态、大小、纹理理等差异反映出来，由此可勾绘出它们的变迁轨迹。通等差异反映出

15、来，由此可勾绘出它们的变迁轨迹。通过寻找图像标志及其与周围环境因子的不同之处，可以过寻找图像标志及其与周围环境因子的不同之处，可以追索它们的分布、变化范围和演变规律，结合其时空变追索它们的分布、变化范围和演变规律，结合其时空变化规律，从宏观上恢复当时的古地理环境。这种水域历化规律，从宏观上恢复当时的古地理环境。这种水域历史变迁史变迁“痕迹痕迹”的识别，往往在大范围内才能奏效。的识别，往往在大范围内才能奏效。2001年年1月月15日海冰日海冰2001年年2月月15日海冰日海冰4.2水体富营养化水体富营养化u当大量的营养盐进人水体后，在一定条件下会引当大量的营养盐进人水体后，在一定条件下会引起藻类

16、的大量繁殖，而后在藻类死亡分解过程中起藻类的大量繁殖，而后在藻类死亡分解过程中消耗大量溶解氧，从而导致鱼类和贝类的死亡，消耗大量溶解氧，从而导致鱼类和贝类的死亡，这一过程称为这一过程称为水体的富营养化水体的富营养化。水体里浮游植物。水体里浮游植物大量繁生是水质富营养化的显著标志。大量繁生是水质富营养化的显著标志。u水中水中叶绿素浓度叶绿素浓度是浮游生物分布的指标，是衡量是浮游生物分布的指标，是衡量水体初级生产力水体初级生产力(水生植物的生物量水生植物的生物量)和富营养化和富营养化作用的最基本指标。它与水体光谱响应间关系的作用的最基本指标。它与水体光谱响应间关系的研究十分重要。反映水体富营养化程

17、度的最主要研究十分重要。反映水体富营养化程度的最主要因子是因子是叶绿素叶绿素，其中又以叶绿素，其中又以叶绿素a最为突出。最为突出。4.2水体富营养化水体富营养化在波长0.52m处出现“节点”，即该处的辐射值不随叶绿素含量而变化4.3石油污染监测石油污染监测u 海上或港口的海上或港口的石油污染石油污染是一种常见的是一种常见的水体污染水体污染，也是，也是污染数量多、范围广、为害深的一种污染。遥感调查污染数量多、范围广、为害深的一种污染。遥感调查石油污染，不仅能发现己知污染区的范围和估算污染石油污染，不仅能发现己知污染区的范围和估算污染石油的含量，而且可追踪找到污染源。石油的含量，而且可追踪找到污染

18、源。u从大量的遥感油污染监测研究中发现，从大量的遥感油污染监测研究中发现，油膜油膜的海面与的海面与净海面对来自太阳的反射不同，在遥感胶片上的密度净海面对来自太阳的反射不同，在遥感胶片上的密度也不同。如用彩色影片，油污在彩色影片中呈现灰黑也不同。如用彩色影片，油污在彩色影片中呈现灰黑色，用目视判读似乎和清洁海面的色调一样，故容易色，用目视判读似乎和清洁海面的色调一样，故容易造成错判，可采用可见光成像技术，由于其具有较高造成错判，可采用可见光成像技术，由于其具有较高的分辨率，可将油污辨别出来。但是，在黑白影片中的分辨率，可将油污辨别出来。但是，在黑白影片中，由于油斑和净海面的反差很小，必须在一定的

19、太阳，由于油斑和净海面的反差很小，必须在一定的太阳照射下，照射到海面的光线使得油膜的反射增强。这照射下，照射到海面的光线使得油膜的反射增强。这就使得可见光成像技术只局限在晴朗的白天使用。就使得可见光成像技术只局限在晴朗的白天使用。4.4水体悬浮固体水体悬浮固体u悬浮物指水中呈悬浮物指水中呈固体状的不溶解物质固体状的不溶解物质，如水中的，如水中的各类矿物微粒，含铝、铁、硅水合氧化物等无机各类矿物微粒，含铝、铁、硅水合氧化物等无机物质，以及腐殖质、蛋白质等有机大分子物质。物质，以及腐殖质、蛋白质等有机大分子物质。水体中悬浮物浓度是最重要的水质参数之一，其水体中悬浮物浓度是最重要的水质参数之一，其含

20、量直接影响含量直接影响水体透明度、浑浊度、水色水体透明度、浑浊度、水色等光学等光学性质。性质。u水体反射率与水体水体反射率与水体浑浊度浑浊度之间存在着密切的相关之间存在着密切的相关关系。随着水中悬浮固体浓度的增加，即水的浑关系。随着水中悬浮固体浓度的增加，即水的浑浊度的增加，水体在浊度的增加，水体在可见光及近红外可见光及近红外波段范围的波段范围的反射亮度增加，水体由暗变得越来越亮，同时反反射亮度增加，水体由暗变得越来越亮，同时反射峰值波长向长波方向移动（红移现象），反射射峰值波长向长波方向移动（红移现象），反射峰值本身形态变得更宽。峰值本身形态变得更宽。4.4水体悬浮固体水体悬浮固体 随着水中悬浮固体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。受0.93m1.13m红外强吸收的影响，反射峰值移到0.8m终止。5.1水环境遥感发展趋势水环境遥感发展趋势u （1）影像获取技术不断发展。卫星影像向高空间分辨率、高光影像获取技术不断发展。卫星影像向高空间分辨率、高光谱分辨率方向发展。谱分辨率方向发展。 如遥感集市上的国产高分数据，最大精度如遥感集市上的国产高分数据，最大精度可达可达2米，符合水环境监测应用的精度标准。米，符合水环境监测应用的精度标准。u （2）遥感监测水质参数的模型方法不断完善遥感监测水质参数的模型方法不断完善。