第四章 水体遥感

1、城市与环境学院城市与环境学院王细元王细元xiyuan80_http:/ 遥遥感地学分析，黄家柱教授感地学分析，黄家柱教授遥 感 地 学 分 析遥 感 地 学 分 析王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing内容提要内容提要v4.1 4.1 水体的光谱特性水体的光谱特性v4.2 4.2 水资源遥感水资源遥感v4.3 4.3 水体污染监测水体污染监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing4.1 水体的光谱特性水体的光谱特性王细元 城市与环境学院

2、遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv由于水体的透光性和水面的反射性，由传感器接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、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。号。水体遥感是复杂的。4.1 水体的光谱特性水体的光谱特

3、性王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv在可见光范围内，水体反射率总体上比较低，在可见光范围内，水体反射率总体上比较低，不超过不超过10%10%，一般为，一般为4%5%4%5%，并随着波长的增大，并随着波长的增大逐渐降低，水体的反射主要集中在蓝绿光波段逐渐降低，水体的反射主要集中在蓝绿光波段（0.450.520.450.52m m 、0.520.60 0.520.60 m m ），其他），其他波段反射率均较低，特别是近红外波段，水体波段反射率均较低，特别是近红外波段，水体对该波段几乎完全吸收。对该波段几乎完全吸收

4、。王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing不同叶绿素含量水体的反射光谱曲线 4.1 水体的光谱特性水体的光谱特性王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing不同泥沙含量水体的反射光谱曲线 4.1 水体的光谱特性水体的光谱特性王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote S

5、ensing王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 遥感在水文水资源方面的应用，包括水资源遥感在水文水资源方面的应用，包括水资源的调查、流域规划、水域面积分布及变化、径流的调查、流域规划、水域面积分布及变化、径流估算、水深、水温、河口海岸带及浅海地形调查、估算、水深、水温、河口海岸带及浅海地形调查、海洋调查研究等方面。特别是在人类足迹难以到海洋调查研究等方面。特别是在人类足迹难以到达的荒凉地区，遥感技术可成为水文、水资源调达的荒凉地区，遥感技术可成为水文、水资源调查的有效手段。查的有效手段。 4.2 水资源遥感水资

6、源遥感王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 利用遥感图像可进行海岸带岸线测量、河口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。遥感及近岸悬浮泥沙迁移，以及海洋环境监测。遥感图像可提供大尺度、现实性强、多层次、全天候、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。业生产提供了基础。 4.2 水资源遥感水资源遥感王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analys

7、is for Remote Sensingv水文要素遥感研究水文要素遥感研究 （1）水资源分布）水资源分布 （2）水深探测）水深探测 （3）水温探测）水温探测 （4）水域变化监测）水域变化监测4.2 水资源遥感水资源遥感王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（1）水资源分布）水资源分布v监督分类监督分类v非监督分类非监督分类v阈值法阈值法v水体指数法水体指数法v谱间关系方法谱间关系方法王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing监督分类监督分

8、类王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing非监督分类非监督分类王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing水体信息提取方法水体信息提取方法v阈值法：利用某种地物与背景地物在某一波段阈值法：利用某种地物与背景地物在某一波段上的反射率（或像元灰度值）的差异，确定某上的反射率（或像元灰度值）的差异，确定某一数值为区分该地物和背景地物的方法。一数值为区分该地物和背景地物的方法。v水体信息提取阈值法：利用水体在近红外波段水体信息提取阈值法：利用水体在近红

9、外波段反射率非常低为依据，区别水体与其他地物。反射率非常低为依据，区别水体与其他地物。v缺点：不易区分阴影和水体。缺点：不易区分阴影和水体。王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing阈值为阈值为26王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv水体指数法：利用平原地区陆地水在水体指数法：利用平原地区陆地水在TM2比比TM5的反射率高，而其他地物不具备这一特的反射率高，而其他地物不具备这一特性而进行水体信息提取。性而进行水体信息提取。水体指数（水体

10、指数（NDWI）=（TM2-TM5）/(TM2+TM5)v 缺点：不易区别阴影，适用与平原区缺点：不易区别阴影，适用与平原区王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv谱间关系方法：通过反复试验发现，水体具有谱间关系方法：通过反复试验发现，水体具有独特的谱间关系特征，即独特的谱间关系特征

11、，即(TM2+TM3)(TM4+TM5)v较易区别水体与阴影，比单波段方法提取水体较易区别水体与阴影，比单波段方法提取水体更具优势，特别适合山区水体提取。更具优势，特别适合山区水体提取。v缺点：细小河流难以提取。缺点：细小河流难以提取。王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing思考：思考：v用建模的方法实现用建模的方法实现谱间关系方法谱间关系方法，模型应该，模型应该怎样建立？怎样建立？王细元 城市与环境

12、学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing作业：作业：v 思考怎样利用淮安地区的七个波段的思考怎样利用淮安地区的七个波段的TM图像以及淮安图像以及淮安市地图数据，提取淮安市水资源分布图，并绘制详细市地图数据，提取淮安市水资源分布图，并绘制详细的流程图。的流程图。王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（2）水深探测）水深探测清水不同深度的光谱特

13、征清水不同深度的光谱特征浊水不同深度的光谱特征浊水不同深度的光谱特征王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv可见光波段的测深原理主要基于光线对水体的可见光波段的测深原理主要基于光线对水体的透射。可见光在水体中的衰减系数越小透射。可见光在水体中的衰减系数越小, , 则对则对水体的穿透性越好。衰减系数和遥感可视水深水体的穿透性越好。衰减系数和遥感可视水深之间的关系互为倒数之间的关系互为倒数v可见光衰减系数决定了光在水体遥感中的可测可见光衰减系数决定了光在水体遥感中的可测深度。不同的水体深度。不同的水体, ,由于所含物质

14、的不同由于所含物质的不同, ,在可在可见光波段有不同的衰减系数。见光波段有不同的衰减系数。v对水中信息进行透射遥感的最有效波段在蓝色对水中信息进行透射遥感的最有效波段在蓝色( 0.45( 0.45m )m )至黄色至黄色 ( 0.60 ( 0.60 m) m)之间。之间。王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv ( 1) 单波段模型单波段模型: Z=a ln X + b 其中，其中，X=LLs，L为某单一波段的辐射亮度值，为某单一波段的辐射亮度值，Ls 为该波段在深水区的辐射亮度值；为该波段在深水区的辐射亮度值；Z

15、为反演的水深值；为反演的水深值；a、b为待定系数。为待定系数。v ( 2)双波段比值模型双波段比值模型: Z=aln(X1/X2) + b 其中，其中，X1=L1-Ls1；X2=L2-Ls2，L1、L2为单为单一波段的辐射亮度值，一波段的辐射亮度值，Ls1、Ls2为为L1、L2 对应波对应波段在深水区的辐射亮度值；段在深水区的辐射亮度值；Z为反演的水深值；为反演的水深值；a、b为待定系数。为待定系数。王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv (3)多波段组合模型多波段组合模型: Z = a0 +ailnXi，其中，

16、其中，Xi=Li-Lsi，Li为单一波段的辐射亮度值，为单一波段的辐射亮度值，Ls为为Li对对应波段在深水区的辐射亮度值；应波段在深水区的辐射亮度值；Z为反演的水深值；为反演的水深值；a0 、ai为待定系数。为待定系数。王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（2）水深探测）水深探测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（2）水深探测）水深探测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Rem

17、ote Sensing（2）水深探测）水深探测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing全球海面温度分布全球海面温度分布（3）水温探测）水温探测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing全球海面温度分布SST data example from April 1999（3）水温探测）水温探测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing（3）水温探测）水温探测王细元 城市与环

18、境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensingv水域变化监测水域变化监测 遥感研究自然历史变迁，尤以研究水域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，原地保留一定湿度和形态， 即即“痕迹痕迹”较为较为明显。因而，在遥感图像上图斑清晰，信息丰明显。因而，在遥感图像上图斑清晰，信息丰富，较易

19、辨别。富，较易辨别。 （4）水域变化监测）水域变化监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2001年年1月月15日日FY-1C观测到的渤海海域海冰监测图像观测到的渤海海域海冰监测图像 （4）水域变化监测）水域变化监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2001年年2月月15日日FY- 1C观测到的渤海海域海冰监测图像观测到的渤海海域海冰监测图像 （4）水域变化监测）水域变化监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geogra

20、phy Analysis for Remote Sensing1989年洪泽湖1995年洪泽湖王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2000年洪泽湖2006年洪泽湖王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing2009年王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing4.3 水体污染监测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利用遥感技术能迅速、同步地监测大范围

21、水环境质量状况及其动态变化，在这些方面弥补了常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规监测手段的不足，因此引起许多环境科学工作者的重视。作者的重视。就精度而言，遥感方法通常低于常规监测方法，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正是把遥感技术应用于水环境研究的意义所在。 王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis

22、for Remote Sensing 从原理上说，遥感传感器记录的是地表从原理上说，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），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。学研究的内容都可以辅以遥感手段。 4.3 水体污染监测水体污染监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analys

23、is for Remote Sensing 利用遥感技术研究水环境化学包括定性利用遥感技术研究水环境化学包括定性和定量两种方法。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，建立图像图像的色调（或颜色）之间的关系，建立图像解译标志。解译标志。定量遥感方法建立在定性方法的基础之上，为了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

24、获得与遥感成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，以标定定量像同步（或准同步）的实测数据，以标定定量数学模型。数学模型。 4.3 水体污染监测水体污染监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 在江河湖海各种水体中，污染物种类繁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、废水污染、热污染和固体漂

25、浮物等几种类型。 4.3 水体污染监测水体污染监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing污染类型污染类型生态环境变生态环境变化化遥感影像特征遥感影像特征富营养化富营养化浮游生物含浮游生物含量高量高在彩色红外图像上呈红褐色或紫红色在彩色红外图像上呈红褐色或紫红色,在在MSS7图像上呈浅色调图像上呈浅色调悬浮泥沙悬浮泥沙水体浑浊水体浑浊在在MSS5像片上呈浅色调像片上呈浅色调,在彩色红外片上呈淡蓝、在彩色红外片上呈淡蓝、灰白色调灰白色调,浑浊水流与清水交界处形成羽状水舌浑浊水流与清水交界处形成羽状水舌石油污染石油污染油

26、膜覆盖水油膜覆盖水面面在紫外、可见光、近红外、微波图像上呈浅色调在紫外、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在热红外图像上呈深色调,为不规则斑块状为不规则斑块状废水污染废水污染水色水质发水色水质发生变化生变化单一性质的工业废水随所含物质的不同色调有差异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城市污水及各种混合废水在彩色红外像片上呈黑色热污染热污染水温升高水温升高在白天的热红外图像上呈白色在白天的热红外图像上呈白色或白色羽毛状或白色羽毛状,也称羽状水流也称羽状水流固体漂浮固体漂浮物物各种图像上均有漂浮物的形态各种图像上均有漂浮

27、物的形态4.3 水体污染监测水体污染监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing 遥感参数遥感参数测定项目测定项目地面分辨地面分辨率率(m)光谱分辨率光谱分辨率( m)波长范波长范围围(nm)摄影周期摄影周期视场角视场角(离铅直离铅直方向的角度方向的角度)摄影范围摄影范围(km km)石油污染石油污染10-30*（300）紫外、紫外、可见、可见、微波微波2-4小时小时（1天）天）注意光晕注意光晕200 200（20 20）悬浮泥沙悬浮泥沙20（500）0.15（0.15）350-800400-7002小时小时（1天）

28、天）0 -+15 （-5 -+30 ）350 100（10 10）固体废物固体废物10（200）0.15（0.15）350-800400-7005小时小时（10天）天）0 - +15 （-5 -+30 ）35 35（10 10）热污染热污染30（500）温度分辨率温度分辨率 0.2 C( 1 C)10-20 m(10-14 m)2小时小时（10天）天）35 35（10 10）富营养化富营养化100（2000）0.05（0.15）400-7002天天（14天）天）0 - +15 （0 - +30 ）350 350（35 35）赤潮赤潮30（2000）0.015（0.015）400-7005小时小

29、时（2天）天）0 - +15 （-5 - +30 ）350 350（20 100）水质遥感对影像的要求 注：表内数字是指理想值，括弧内的数字是最低限度允许值。4.3 水体污染监测水体污染监测王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing太湖蓝藻太湖蓝藻王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing黄河三角洲黄河三角洲1988年年12月月3日日 王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing黄河三角洲黄河三角洲2005年年5月月8日日 http:/ 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing南京地区王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Remote Sensing石油污染石油污染王细元 城市与环境学院遥 感 地 学 分 析Geography Analysis for Rem