海岸带遥感教材

第四章二类水体水色遥感监测

一、二类水体水色遥感机理

二、悬浮泥沙遥感监测

三、叶绿素遥感监测

一、二类水体水色遥感机理

（一）、二类水体水色遥感机理

海色要素遥感探测器是被动式可见光辐射计，即水色辐射计，它的输出电压与其所接收到的辐射有如下关系：

式中：为辐射计光谱响应，它与波长有关，若辐射特性近似矩形，则等于矩形顶高；为辐射计接收到某波长、某观测角时的辐射率；为仪器的观测立体角；为瞬时视场面积。

仪器接收到的辐射为三部分组成，即

式中：为经大气衰减的离水辐射，（为大气透射比）；为海面的耀光辐射，（包括太阳耀光和天空耀光）；为大气路程辐射，它主要是经大气散射辐射而进入仪器视野内的；太阳耀光应设法避免，可通过合理安排卫星轨道、太阳仰角和仪器观测角达到。

一、二类水体水色遥感机理

（二）、海洋水色遥感的主要特征参量

1、水体表观光学量与固有光学量

所谓表观光学量（ApparentOpticalProperties,AOPs）是随着光照条件而变化的量，如向下辐照度、向上辐照度、离水辐射率、遥感反射率、辐照度比等，以及这些量的漫衰减系数。

固有光学量（InherentOpticalProperties,IOPs）是指只与水体成分有关而不随光照条件变化而变化的量。

固有光学量包括：

（1）水分子的吸收系数散射系数、散射相函数；（2）叶绿素a的吸收系数、单位吸收系数、散射系数、单位散射系数、后向散射系数、前向散射系数、散射相函数；（3）黄色物质的单位吸收系数；（4）其他成分，包括无机物、碎屑等的的吸收散射特性。固有光学量中最重要的是单位吸收系数和体散射相函数。（二）、海洋水色遥感的主要特征参量

2、二类水体的成分

一般水体可能含有以下七种成分:（1）活的藻类细胞，其浓度可能有很大变化。（2）连带的碎屑，即由浮游生物的自然死亡降解和浮游动物的消化排泄产生的碎屑。（3）溶解有机质，由藻类和它们的碎屑释放出来的物质（黄色物质）。（4）再次悬浮的泥沙，沿岸海底和浅海区因海流等作用而掀起的泥沙。（5）陆源颗粒，河流冰川带入的矿物颗粒等。（6）陆源溶解有机质（黄色物质）。（7）人类活动产生并进入海洋的颗粒和溶解物（二）、海洋水色遥感的主要特征参量

二、悬浮泥沙遥感监测

1、悬浮泥沙遥感反演模型

（1）、线性关系式

恽才兴等利用长江口幅MSS遥感图像的灰度值，直接与地面同步水文测验的表层水体含沙量建立相关关系，其数学表达式为：式中：为浑水区清水区灰度差值；x为所求的水体实际含沙量；a，b为实验获得的参数，下标λ表示所选用的波段MSS5和MSS6。

（2）、对数关系式

韩震、恽才兴等利用长江口和浙江象山港泥沙为样本，进行了悬浮泥沙水槽实验，根据实验结果，建立了悬浮泥沙含量和泥沙遥感参数的相关关系分析，得到了统计相关模式，其公式为：式中：a，b为实验获得的参数；为泥沙遥感参数。为各波段的遥感反射率；下标4、5、6分别对应490、550、670nm波段。1、悬浮泥沙遥感反演模型

（3）、负指数关系式

李京利用杭州湾NOAA卫星的AVHRR数据和准同步采样数据，建立了悬浮泥沙遥感定量模式，其模式表达为：式中：为卫星数据辐射亮度值；为水体含沙量。1、悬浮泥沙遥感反演模型

（4）、Gordon关系式

H.R.Gordon等利用MonteCarlo方法解辐射传输方程，得到的公式为：

式中：为光谱反射率；为吸收系数；为后向散射系数；为常数。

1、悬浮泥沙遥感反演模型

低高

多时相遥感数据大气校正投影变换和几何校正建立图像辐射率与实测数据间的相关关系

泥沙浓度图像

计算含沙量和实测含沙量对比分析

图像亮度值转换成反射率精度检验2、技术流程

泥沙遥感定量反演流程

3、成果例图

长江口春季泥沙分布图（1998年4月）

长江口夏季泥沙分布图（1998年7月）

长江口秋季泥沙分布图（1998年10月）

长江口冬季泥沙分布图（1998年1月）

渤海春季泥沙分布图（1998年4月）

渤海夏季泥沙分布图（1998年7月）

渤海秋季泥沙分布图（1998年10月）渤海冬季泥沙分布图（1998年1月）

三、叶绿素遥感监测

1、叶绿素信息反演模型

（1）、经验算法

经验算法是基于两个波段的反射率与叶绿素浓度之间的回归分析为基础的。变换后模型的一般形式为：幂函数，双曲函数，三次方函数或多元函数。

1）波段比值法

式中的系数和参量直接由遥感数据经回归分析得到。波段比值法的优点：一是有可能部分消除因太阳高度角、观测角不同而造成的误差；二是部分地消去大气效应。

Morel和Prieur提出以下模式：

Gordon和Clark提出以下模式：

Muller-karger等提出以下模式：

费尊乐利用CZCS资料计算出次表层向上辐射率后，提出了估算近岸水域二类水体的色素浓度算法为：当时当时其中，C为色素浓度，为λ波长的向上辐射率。

1）波段比值法

Wilson和Austin提出比较精确的一般的关系式为：式中：常数用实验方法来确定。

1）波段比值法

2）荧光线高度法

依据荧光峰高度(FLH)与叶绿素浓度的相关特性，建立的统计算法即为荧光线高度法(FLH)。该方法是以波长为650nm和730nm为基线，测量波长为685nm的荧光峰高度。在太阳光的激励下，海面荧光辐射量与叶绿素浓度呈正相关，可以应用下式遥感测量海面叶绿素浓度。式中：Chla为海面叶绿素浓度C(mg/m3)；FLH为荧光线高度值(W/(cm2·sr·nm))；a，b为回归系数。其中式中:△λi为波带Bi的带宽(nm)；F(Bi)为光谱辐射率函数；f(Bi)是Bi波段在带宽△λi范围内的平均辐射率[W/(cm2·sr·nm)]；λq,λr,λs分别为波段Bq、Br和Bs的中心波长(nm)。（2）、分析模型方法

基于模型分析的算法主要特点是利用生物光学模式描述水体组分与离水辐射之间的关系，利用辐射传递模型模拟光在大气和海洋中传播的光谱特征。这些模式在海水的不同组分、大气的不同状态下计算水面或大气层顶(TOA,TopoftheAtmosphere)的模拟光谱，然后建立反演算法，求解海水组分。1）代数方法2）非线性优化方法3）主成分方法4）神经网络方法（3）、现有业务化应用的叶绿素浓度提取模型

1)Calcofi模型该模型由美国GregMitchell等学者依据在南加利福尼亚湾(西经-125°-117°,北纬29°-35°)实测数据建立的统计模型，叶绿素浓度测量范围在0.05～22.3mg/m3。

(a)线性模型：Chla=100.444-2.431X(X=log[R490/R555])

(b)立方模型：(X=log[R490/R555])(c)三波段模型：Chla=exp[1.025-1.622ln(R490/R555)-1.238ln(R510/R555)](d)四波段模型：Chla=exp[0.753-2.583ln(R443/R555)+1.39ln(R412/R510)]2）Morel模型Morel模型1：Chla=100.2492-1.768X(X=log(R443/R555))Morel模型2：Chla=exp[(1.07783-2.5426X)](X=log(R490/R555))Morel模型3：(X=log(R443/R555))Morel模型4：(X=log(R490/R555))（3）、现有业务化应用的叶绿素浓度提取模型

3）Carder模型

(X=log(R490/R555))4）Aiken模型

Chla=exp(0.464-1.989lnX)如果Chla<2.0μg/l，则Chla=(X-5.29)/(0.719-4.23X)其中：X=Lwn490/Lwn5555）CZCS模型当0<Chla<1.5mg/m3时

Chla=100.053-1.71X(X=Lw443/Lw550)当1.5mg/m3<Chla时

Chla=100.522-2.441X(X=Lw520/Lw550)对于一类海水该模型反演精度大约在35%～40%，二类海水误差较大。

（3）、现有业务化应用的叶绿素浓度提取模型

6）SeaWIFS模型OC1-a模型：Chla=100.3734-2.4529X

OC1-b模型：Chla=-0.010+100.3636-2.350X

OC1-c模型：OC1-d模型：OC2模型：OC2-v2模型：OC2-v4模型：其中：X=log(R490/R555)OC4最大波段比值模型：其中：Xmax=Max[log(Rrs443,490,510/Rrs555)]7）OCTS-C模型Chla=10-0.55+3.497XX=log[(Lwn520+Lwn565)/Lwn490]8）Polder模型(X=log[R443/R555])9）Clark三波段模型：Chla=100.745-2.252XX=log((Lwn443+Lwn520)/Lwn550)

接收获取原始影像大气校正几何校正模型建立海上现场测量模型评估(精度、适用