第八章水质遥感2

1、第五章第五章 水质遥感水质遥感第五章第五章 水质遥感水质遥感n第一节第一节 绪言绪言n第二节第二节 水体的光谱特征及其杂质的影响水体的光谱特征及其杂质的影响n第三节第三节 出水辐射反射率的获取出水辐射反射率的获取n第四节第四节 水质遥感模型水质遥感模型n第五节第五节 混浊度及综合污染浓度的确提取混浊度及综合污染浓度的确提取n第六节第六节 水深的估算水深的估算n第七节第七节 存在问题讨论存在问题讨论第一节 绪 言n水质遥感意义n水质遥感研究现状n定量水质遥感的思路水质遥感意义优势：宏观、快速、客观n环境监测n初级生产力调查n渔业水质遥感研究现状n水质定量遥感以经验公式为主：利用某波段或波段的组合

2、与某中成份的相关性，通过观测数据，建立二者的经验公式。定量水质遥感的思路n从水水体辐射传输的物理机制入手，根据物理定律建立遥感信息模型，才参真正达到定量的结果。第二节第二节 水体的光谱特征及其水体的光谱特征及其杂质的影响杂质的影响5.2.1 水体的辐射传输过程水体的辐射传输过程5.2.2 清洁水的光谱特征清洁水的光谱特征5.2.3 水深及底质反射率的影响水深及底质反射率的影响5.2.4 悬浮泥沙的影响悬浮泥沙的影响5.2.5 工业污染、生活污染水的影响工业污染、生活污染水的影响5.2.6 叶绿素、富营养化叶绿素、富营养化4.2.1 水体的辐射传输过程水体的辐射传输过程及其特点及其特点n入射光入

3、射光n镜面反射光镜面反射光n水的折射水的折射n水体散射光水体散射光n水底反射光水底反射光水体光谱组成示意图水体光谱组成示意图S水面水面水底水底传感器传感器太阳直射光太阳直射光水底反射光水底反射光水体散射光水体散射光天空散射光天空散射光水面反射光水面反射光1. 入射光入射光n太阳直射光n天空漫射光S水面水面水底水底太阳直射光太阳直射光天空散射光天空散射光太阳直射光n平行光平行光n较强，受大气吸收和散射而有所削弱较强，受大气吸收和散射而有所削弱n光谱组成与太阳表面温度、大气吸收有关光谱组成与太阳表面温度、大气吸收有关天空漫射光n来自大气散射，随大气状态而变来自大气散射，随大气状态而变n来自半球空间

4、来自半球空间n光谱组成与气溶胶粒度和含量有关光谱组成与气溶胶粒度和含量有关n较弱，强度与光谱组成变化大较弱，强度与光谱组成变化大大气散射率曲线00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008350415480545610675740805870935100010651130119512601325139014552. 镜面反射光镜面反射光n微观尺度上，水面为非常平滑的表面，宏观上可看作微观尺度上，水面为非常平滑的表面，宏观上可看作由无数光滑小面组成的起伏曲面，故会发生镜面反射。由无数光滑小面组成的起伏曲面，故会发生镜面反射。n当有风浪时，镜面反射会向所有方向扩

5、散并有一部分当有风浪时，镜面反射会向所有方向扩散并有一部分进入传感器。实际情况中，完全没有浪的情况极小。进入传感器。实际情况中，完全没有浪的情况极小。n因水反射率极低，而镜面反射很强，很容易接近甚至因水反射率极低，而镜面反射很强，很容易接近甚至超过正常水反射率的量级，故不应被忽略。超过正常水反射率的量级，故不应被忽略。n镜面反射结果：镜面反射结果：a.使水面反射率增大使水面反射率增大 b.使进行入水中的入射辐照度减小使进行入水中的入射辐照度减小 镜面反射能量没有水质信息，对水质遥感属干扰信息。镜面反射能量没有水质信息，对水质遥感属干扰信息。原始水体光谱原始水体光谱(同一测点）同一测点）90度水

6、面光谱曲线00.010.020.030.040.050.063504966427889341080122613721518166418101956210222482394Lsw_141Lsw_142Lsw_143Lsw_144Lsw_145Lsw_146Lsw_147Lsw_148Lsw_149Lsw_150Lsw_151Lsw_152Lsw_153Lsw_154Lsw_155Lsw_156Lsw_157Lsw_158Lsw_159Lsw_160水面镜面反射光水面镜面反射光n水面对太阳直射光的镜面反射水面对太阳直射光的镜面反射n水面对天空漫射光的镜面反射水面对天空漫射光的镜面反射水面对太阳直射

7、光的镜面反射水面对太阳直射光的镜面反射n来自水面对太阳直射光的镜面反射来自水面对太阳直射光的镜面反射太阳耀斑太阳耀斑n由于水面的波动而部分进行传感器，与水面粗由于水面的波动而部分进行传感器，与水面粗糙度有关糙度有关,且变化快且变化快n与波长基本无关，其光谱组成与太阳光谱相同，与波长基本无关，其光谱组成与太阳光谱相同，个波段的反射率相似个波段的反射率相似镜面反射率及其特点镜面反射率及其特点太阳耀斑-0.1-0.0500.035043952861770679588497310621151124013291418150715961685177418631952204121302

8、21923082397太阳耀斑不同波长镜面反射率近相等不同波长镜面反射率近相等同点高反射曲线减最低反射率曲线，得两次测量镜面反同点高反射曲线减最低反射率曲线，得两次测量镜面反射辐亮度之差，除以太阳光谱得镜面反射率：射辐亮度之差，除以太阳光谱得镜面反射率：n镜面反射率一般约为：镜面反射率一般约为：=0.06水面对天空漫射光的镜面反射水面对天空漫射光的镜面反射n来自水面对天空光的镜面反射来自水面对天空光的镜面反射n光源来自半球空间光源来自半球空间n不但与波长基本无关，且水面粗糙度的影响较不但与波长基本无关，且水面粗糙度的影响较小小,其反射率变化不大其反射率变化不大,可视为一定值可视为一定值.n其光

9、谱组成与天空散射光相似其光谱组成与天空散射光相似 天空光镜面反射率的获取天空光镜面反射率的获取n天空光来自半球方面，可视为定值天空光来自半球方面，可视为定值n取多次短时积分测量所得反射率最低的曲线，取多次短时积分测量所得反射率最低的曲线，其水面对太阳直射光的反射进行入镜头的光强其水面对太阳直射光的反射进行入镜头的光强近于零近于零n红外波段正常水体出水光谱为零，不为零之处红外波段正常水体出水光谱为零，不为零之处为对天空光的反射。故根据红外波段的反射率为对天空光的反射。故根据红外波段的反射率可求天空光的反射率可求天空光的反射率天空光镜面反射率天空光镜面反射率r800.010.020.030.040

10、.05940955970985100010151030104510601075109011051120113511501165118011951210122512401255127012851300131513301345r1r1r2r211601330nm波段的反射率为天空光镜面反射率，其值约为：波段的反射率为天空光镜面反射率，其值约为：2%3. 水的折射水的折射irt5. 水底反射光n总有一部分光穿透水体到过水底，然后又有一部分被总有一部分光穿透水体到过水底，然后又有一部分被水体反射，再向上穿过水体射向大气，被传感器所接水体反射，再向上穿过水体射向大气，被传感器所接收，为水体反射光收，为水

11、体反射光n这部分反射光除了与水散射、吸收性质有关外，更取这部分反射光除了与水散射、吸收性质有关外，更取决于水深、水体底质反射率，是水深和底质遥感的基决于水深、水体底质反射率，是水深和底质遥感的基础础n当水深不大时，水底反射光必须另以考虑。但当水深当水深不大时，水底反射光必须另以考虑。但当水深较大（一般大于较大（一般大于5米），水底反射光可以忽略米），水底反射光可以忽略5.2.2 清洁水的光谱特征n1. 清洁水体反射率2. 水体的散射特征水体的散射特征3. 清洁水的吸收率清洁水的吸收率4.2.3 悬浮泥沙的影响悬浮泥沙的影响n悬浮泥沙影响主要是散射，其次为吸收悬浮泥沙影响主要是散射，其次为吸收n

12、散射使水体反射率升高，且在红光波段增幅较大，且散射使水体反射率升高，且在红光波段增幅较大，且浊水的反射峰现现在更长的波段上：浊水的反射峰现现在更长的波段上：0.7um。原因。原因是泥沙的光谱在该波段有较高的反射率是泥沙的光谱在该波段有较高的反射率n0.6-0.7um波段的反射率几乎与水体混浊度呈线性波段的反射率几乎与水体混浊度呈线性相关相关散射散射n因悬浮泥沙的尺度相当或大于气溶胶中的沙尘，故其因悬浮泥沙的尺度相当或大于气溶胶中的沙尘，故其散射性质为米散射散射性质为米散射n散射率及散射相函数通过测量得到，亦可通过遥感数散射率及散射相函数通过测量得到，亦可通过遥感数据进行估算据进行估算吸收吸收n

13、因悬浮泥沙的尺度较大，其粒子吸收截面为：因悬浮泥沙的尺度较大，其粒子吸收截面为：1n吸收率吸收率=1-反射率反射率5.2.4 水深及底质反射率的影响水深及底质反射率的影响5.2.5 工业污染、生活污染水的影工业污染、生活污染水的影响响n污染物主要为化学物质或有机化学物质n对光谱的影响主要是使水体反射率显著降低，在可见光波段优其明显。即是使水的吸收率变大。5.2.6 叶绿素、富营养化叶绿素、富营养化n叶绿素增加时，由于光合作用，水反射率在兰光波段叶绿素增加时，由于光合作用，水反射率在兰光波段显著下降，在绿光波段则上升。即水中叶绿素使水在显著下降，在绿光波段则上升。即水中叶绿素使水在兰光波段的吸收

14、率上升，在绿光波段则使反射率上升。兰光波段的吸收率上升，在绿光波段则使反射率上升。n当水面有较多的藻类生长时，水体光谱中是植被光谱当水面有较多的藻类生长时，水体光谱中是植被光谱与水体光谱的混合，具有植被光谱的特点：可见光波与水体光谱的混合，具有植被光谱的特点：可见光波段反射率，短波近红外波段反射率急增。段反射率，短波近红外波段反射率急增。第三节第三节 出水辐射反射率的获出水辐射反射率的获取取n4.3.1 辐射定标辐射定标n4.3.2 大气校正大气校正n4.3.3 镜面反射影响的消除镜面反射影响的消除5.3.3 镜面反射影响的消除镜面反射影响的消除n由于镜面反射的影响，水面反射辐射由出水反射辐射

15、和镜面反射辐射两部分组成，相应的反射率为：mwswowRTRR)1 (wswsT 出水反射率； 为镜面反射率； 为水面透过率，表征水面镜面反射对入射光的削减，由下计算 woRmRwsT 为水面各方向太阳镜面反射率的平均，通常取 ws06. 0ws水面镜面反射比 与波长无关。对红外波段的TM5和TM7，水为强吸收， 基本为零，故 ，因此每个波段减去TM5计算的反射率 可得到出水反射率 , 即 mRwoRmRTM 55TMR woRwsTMwwoRRR15第四节第四节 混浊度及综合污染浓度的确混浊度及综合污染浓度的确提取提取4.4.1 水体辐射传输方程水体辐射传输方程4.4.2近似条件下方程的简化

16、近似条件下方程的简化4.4.3水吸收、散射参数水吸收、散射参数4.4.4相关参数的获取相关参数的获取4.4.5混浊度及综合污染浓度的计算混浊度及综合污染浓度的计算4.4.1 水体辐射传输方程水体辐射传输方程水的反射光谱来自水分子和水中悬浮颗粒物的散射光水的反射光谱来自水分子和水中悬浮颗粒物的散射光 和水底反射光和水底反射光 。即。即 wsR gR gwswoRRR一般情况下，叶绿素等其它物质因含量有限而影响不大。污染物主要来自工业污染和生活污水，污染源众多，并经充分混合，导致光谱特征较为均一。如只考虑污染物和悬浮泥沙的影响，水深为如只考虑污染物和悬浮泥沙的影响，水深为h h处的薄层水处的薄层水

17、的散射对水面出射光的贡献为：的散射对水面出射光的贡献为： heFdLcos1104其中：其中： 水深水深 ； 为水体散射系数，是水分子散为水体散射系数，是水分子散射悬浮泥沙散射和污染物散射率之和。射悬浮泥沙散射和污染物散射率之和。 、 、 分别为水分分别为水分子、水中以泥沙为主的悬浮颗粒和水中污染物的散射系数，子、水中以泥沙为主的悬浮颗粒和水中污染物的散射系数， 和和 分别为污染综合浓度和泥沙浑浊度。分别为污染综合浓度和泥沙浑浊度。 为水体为水体吸收系数。吸收系数。 、 、 分别为水、水中泥沙和污染物质的吸收系数。分别为水、水中泥沙和污染物质的吸收系数。 为水体中的光入射角；为水体中的光入射角

18、； 为水层垂向上的散射角，其值为为水层垂向上的散射角，其值为 ； 为水层垂向上的散射比。为水层垂向上的散射比。 huusswDDwsuuDsDuusswDDwsu180 考虑折射时：考虑折射时：)/(sinwsnarc为太阳天顶角为太阳天顶角水折射率水折射率swn水层垂向上的散射比 ： uuussswwPDPDP uP sP wP 、 和 分别为水分子、悬浮泥沙和污染物质的散射相函数整层水体散射反射率： HhwsedhdLFRcos11001cos114)(cos)(整层水体散射反射率为：整层水体散射反射率为：水底反射光为：水底反射光为： HbgeRRcos11 HbHeReR14出水反射率为

19、：出水反射率为： H为水深为水深 bR为底质反射率为底质反射率 1cos14.4.2近似条件下方程的简化近似条件下方程的简化n河口地区污染较严重，一般的水域（水深2m），到达水面的水底反射光极其微弱，可以忽略，其效果等同过水深极大。即，上式右边指数部分趋于0，上式简化为： uusswuusswuuussswwwoDDDDPDPDPR4n水中污染物以化学污染物质为主，对水光谱的影响以吸水中污染物以化学污染物质为主，对水光谱的影响以吸收为主，对水体散射性质影响不大；悬浮泥沙正好相反，收为主，对水体散射性质影响不大；悬浮泥沙正好相反，其对水体光谱的影响以散射为。忽略污染物的散射、悬其对水体光谱的影响

20、以散射为。忽略污染物的散射、悬浮泥沙的吸收作用，则上式可以进一步简化为：浮泥沙的吸收作用，则上式可以进一步简化为： sswuuwssswwwoDDPDPR4未知数只有污染浓度和泥沙浑浊度未知数只有污染浓度和泥沙浑浊度D Du和和D Ds，将两个波段的，将两个波段的遥感数据代入，即可得到一个二元一次方程组，解之可求遥感数据代入，即可得到一个二元一次方程组，解之可求D Du和和D Ds4.4.3 水吸收、散射参数水吸收、散射参数nM.Zhang, K.CarderM.Zhang, K.Carder等人测定的开阔海水的吸收、散射等人测定的开阔海水的吸收、散射参数参数9 9 ：nm1mw1310mwTM4855606601230.02160.06630.411.6510.8880.430 海水吸收、散射参数 忽略折射的影响，垂直向上的散射角为118，散射相函数为 022. 1118 wP0191. 0118 sP污染物吸收系数和悬浮泥沙散射参数的确污染物吸收系数和悬浮泥沙散射参数的确定定 n污染物吸收率和泥沙散射率可以从图像典型样区根据象元反射率计算其相对值，之后用实测数据对算出的相对浓度值进行标定 TM4855606601230.12380.28700.55670.09650.75927.42581mu1ms参照点综合污染物相对吸收系数和悬浮泥沙的相对散射率混浊