第八章 水质遥感2

地学遥感

第五章水质遥感邓孺孺副教授中山大学地理学院遥感与地理信息工程系第五章水质遥感第一节绪言第二节水体的光谱特征及其杂质的影响第三节出水辐射反射率的获取第四节水质遥感模型第五节混浊度及综合污染浓度的确提取第六节水深的估算第七节存在问题讨论第一节绪言水质遥感意义水质遥感研究现状定量水质遥感的思路水质遥感意义优势：宏观、快速、客观环境监测初级生产力调查渔业水质遥感研究现状水质定量遥感以经验公式为主：利用某波段或波段的组合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。第二节水体的光谱特征及其

杂质的影响§5.2.1水体的辐射传输过程§5.2.2清洁水的光谱特征§5.2.3水深及底质反射率的影响§5.2.4悬浮泥沙的影响§5.2.5工业污染、生活污染水的影响§5.2.6叶绿素、富营养化§4.2.1水体的辐射传输过程

及其特点入射光镜面反射光水的折射水体散射光水底反射光水体光谱组成示意图水面水底传感器太阳直射光水底反射光水体散射光天空散射光水面反射光1.入射光太阳直射光天空漫射光水面水底太阳直射光天空散射光太阳直射光平行光较强，受大气吸收和散射而有所削弱光谱组成与太阳表面温度、大气吸收有关天空漫射光来自大气散射，随大气状态而变来自半球空间光谱组成与气溶胶粒度和含量有关较弱，强度与光谱组成变化大2.镜面反射光微观尺度上，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。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。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。镜面反射结果：a.使水面反射率增大

b.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。原始水体光谱(同一测点）水面镜面反射光水面对太阳直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—太阳耀斑由于水面的波动而部分进行传感器，与水面粗糙度有关,且变化快与波长基本无关，其光谱组成与太阳光谱相同，个波段的反射率相似镜面反射率及其特点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，得两次测量镜面反射辐亮度之差，除以太阳光谱得镜面反射率：镜面反射率一般约为：ρ=0.06水面对天空漫射光的镜面反射来自水面对天空光的镜面反射光源来自半球空间不但与波长基本无关，且水面粗糙度的影响较小,其反射率变化不大,可视为一定值.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来自半球方面，可视为定值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近于零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可求天空光的反射率天空光镜面反射率1160—1330nm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θiθrθt折射定律（斯涅耳Snell定律）表征了入射角与折射角的关系：

n1sinθi=n2sinθt其中n为折射率。如果界面相对入射波长λ而言非常光滑（λ>>界面粗糙度），则反射是镜面的。折射率：空气0.000292水1.33304.水体散射光和大气一样，水体也是一种介质，光可以大水中传播。但传播过程中要发生散射和吸收而被削弱水体散射光来自水分子和水中杂质对入射光的散射，除了与水分的性质有关外，还与水中杂质的性质和含量有关，即具有水质的信息，是水质遥感的基础。水体散射光中，有一部分向上射出水面进行大气被为传感器所接收。这部分光是构成水体反射光的主要成分，其辐亮度称为出水辐射率，其反射率称为出水反射率。清洁水的散射即水分子散射，散射性质为瑞利散射；水中以泥沙为主的悬浮物发生米散射，甚至几何光学的反射。5.水底反射光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，被传感器所接收，为水体反射光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础当水深不大时，水底反射光必须另以考虑。但当水深较大（一般大于5米），水底反射光可以忽略§5.2.2清洁水的光谱特征1.清洁水体反射率2.水体的散射特征3.清洁水的吸收率§4.2.3悬浮泥沙的影响悬浮泥沙影响主要是散射，其次为吸收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：0.7um。原因是泥沙的光谱在该波段有较高的反射率0.6-0.7um波段的反射率几乎与水体混浊度呈线性相关散射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吸收因悬浮泥沙的尺度较大，其粒子吸收截面为：1吸收率=1-反射率§5.2.4水深及底质反射率的影响§5.2.5工业污染、生活污染水的影响污染物主要为化学物质或有机化学物质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兰光波段的吸收率上升，在绿光波段则使反射率上升。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：可见光波段反射率，短波近红外波段反射率急增。第三节出水辐射反射率的获取§4.3.1辐射定标§4.3.2大气校正§4.3.3镜面反射影响的消除§5.3.3镜面反射影响的消除由于镜面反射的影响，水面反射辐射由出水反射辐射和镜面反射辐射两部分组成，相应的反射率为：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

为水面各方向太阳镜面反射率的平均，通常取

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

第四节混浊度及综合污染浓度的确提取§4.4.1水体辐射传输方程§4.4.2近似条件下方程的简化§4.4.3水吸收、散射参数§4.4.4相关参数的获取§4.4.5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。即

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h处的薄层水的散射对水面出射光的贡献为：其中：—水深

；

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。、、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，和分别为污染综合浓度和泥沙浑浊度。为水体吸收系数。、、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；为水层垂向上的散射角，其值为；

为水层垂向上的散射比。

考虑折射时：为太阳天顶角水折射率`水层垂向上的散射比：、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：整层水体散射反射率为：水底反射光为：

出水反射率为：

为水深

为底质反射率

§4.4.2近似条件下方程的简化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：

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，其对水体光谱的影响以散射为。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：

未知数只有污染浓度和泥沙浑浊度Du和Ds，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Du和Ds§4.4.3水吸收、散射参数M.Zhang,K.Carder等人测定的开阔海水的吸收、散射参数［9］：TM4855606601230.02160.06630.411.6510.8880.430

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

污染物吸收系数和悬浮泥沙散射参数的确定

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

TM4855606601230.12380.28700.55670.09650.75927.4258参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度及综合污染浓度的计算处理步骤如下：1．

进行辐射校正和大气校正得到，水域出水反射率图像2．

TM1和TM3两个通道的出水反射率值根据简化的水体辐射传输方程建立二元一次方程组，解出相对污染浓度和混浊度近似值。3．

将相对污染浓度和混浊度近似值带入式，计算出二次散射反射率修正值。4．

将二次散射反射率修正值带入式，计算出修正后的相对污染浓度和混浊度近似值。用实测数据进行定标，得到真实综合污染浓度

第五节水深的估算遥感水深的信息模型

整层水体反射率为：为水底底质反射率,H