遥感地学应用04-水体和海洋遥感

第四章水体和海洋遥感遥感地学应用2024/8/152§4.1概况§4.2水体遥感原理§4.3海洋卫星及遥感器第四章水体和海洋遥感2024/8/153§4.1概况2024/8/154地球表面面积100地表开放水体74全球海洋面积71§4.1概况2024/8/155§4.1概况海洋是人类最大的资源宝库。它蕴藏极为丰富的矿物资源、生物、化学资源和能源，尤其在人口增长,陆上资源大量消耗的情况下,海洋将日益成为人类获得食品、能源、原材料的基地。2024/8/156§4.1概况研究全球环境,不能脱离了占全球面积71%的海洋。遥感能提供大尺度、动态的观测，且不受地理位置、天气和认为条件限制，恰好适用于对茫茫大海的观测。遥感是研究海洋最重要的探测手段之一，所以美国、前苏联、欧洲空间局、日本、加拿大等均先后发射了海洋卫星，我国也发射了自己的海洋卫星。2024/8/157§

4.2水体遥感原理4.2.1水体光谱特征1.水体界限的确定2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系4.水体光谱特征与水深的关系5.水体光谱特征与水温的关系6.水体光谱特征与水体污染物的关系4.2.2水体的微波辐射特征2024/8/1584.2.1水体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%,0.6μm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?2024/8/1594.2.1水体光谱特征图13.2反映了水的光谱递减规律，由于水在红外波段的强吸收，水体的光学特征集中表现在可见光在水体中的辐射传输过程。它包括界面的反射、折射、吸收、水中悬浮物质的多次散射（体散射特征）等。这些过程及水体“最终”表现出的光谱特征又是由以下因素决定的：水面的入射辐射、水的光学性质、表面粗糙度、日照角度与观测角度、气-水界面的相对折射率以及在某些情况下还涉及水底反射等。2024/8/15104.2.1水体光谱特征到达水面的入射光（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成正相关，与水的深度成正相关。部分衰减后的水中散射光到达水体底部形成底部反射光它的强度与水的混浊度成正相关，与水的深度成负相关水中散射光的向上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+Lp2024/8/15114.2.1水体光谱特征L(接收)=Lw(水中光)+Ls水面反射光)+Lp(天空散射光)它们是波长、高度、入射角、观测角的函数其中前两部分包含有水的信息，因而可以通过高空遥感手段探测水中光和水面反射光，以获取水色、水温、水面形态等信息，并由此推测有关浮游生物、浑浊水、污水等的质量和数量以及水面风、浪等有关信息。2024/8/15124.2.1水体光谱特征说明1：上述的水体的散射和反射主要出现在一定深度的水体中，称之为“体散射”。水体的光谱特性主要是通过透射率,而不仅是通过表面特征确定的，它包含了一定深度水体的信息，且这个深度及反映的光谱特性是随时空而变化的。水色(水体的光谱特性)主要决定于水体中浮游生物含量(叶绿素浓度)、悬浮泥沙含量（混浊度）、营养盐含量（黄色物质、溶解有机物质、盐度指标）以及其他污染物、底部形态（水下地形）、水深等因素。2024/8/15134.2.1水体光谱特征大量研究表明,叶绿素、悬浮泥沙等主要水色要素的垂直分布并非均匀的(见图13.4)。水体中的水分子和细小悬浮质(粒径<<波长)造成大部分短波光的瑞利散射(散射系数与波长的4次方成反比,波长越短,散射越强)，因此较清的水或深水体呈蓝或蓝绿色(清水光的最大透射率出现在0.45～0.55μm，其峰值波长约为0.48μm。2024/8/15144.2.1水体光谱特征说明2：离开水面的辐射部分(即水中光经折射出水面的部分)，除了水中散射的向上部分外，还包含在日光激励下水中叶绿素经光合作用所发出的的荧光。2024/8/15154.2.1水体光谱特征说明3：水面入射光谱中，仅有可见光（0.4～0.76μm才透射入水，其他波段的入射光或被大气吸收或被水体表面吸收，如图13.5所示。该图中还显示蓝光(0.4～0.5μm)水的透射性最好，对于清洁水可达几十米。2024/8/15164.2.1水体光谱特征4.2.1水体光谱特征1.水体界限的确定2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系4.水体光谱特征与水深的关系5.水体光谱特征与水温的关系6.水体光谱特征与水体污染物的关系2024/8/15171.水体界限的确定在可见光范围内,水体的反射率总体上比较低,不超过10%，一般为4%～5%,并随波长的增大逐渐降低,到0.6μm处约2%～3%，过了0.75μm，水体几乎成为全吸收体。因此，在近红外的遥感影像上，清澈的水体呈黑色。为区分水陆界线，确定地面上有无水体覆盖，应选择近红外波段影像。2024/8/15182.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系水中叶绿素浓度是浮游生物分布的指标,是衡量水体初级生产力(水生植物的生物量)和富营养化作用的最基本的指标。它与水体光谱响应间关系的研究是十分重要的。当然，这种指示作用的有效性海域还与浮游植物光合作用的环境因素(如营养盐、温度、透明度等)以及叶绿素含量变化的制约条件有关。2024/8/15192.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系一般说来，随着叶绿索含量的不同，在0.43～0.70μm光谱段会有选择地出现较明显差异。图13.6显示不同叶绿索含量水面光谱曲线。2024/8/15202.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系从图中可见，在波长0.44μm处有个吸收峰。0.4～0.48μm(蓝光)反射辐射随叶绿索浓度加大而降低；在波长0.52μm处出现“节点”，即该处的辐射值不随叶绿素含量而变化；在波长0.55μm处出现反射辐射峰，并随叶绿素含量增加，反射辐射上升；在波长0.685μm附近有明显的荧光峰(图13.7)。2024/8/15212.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系图13.8反映航空遥感所测的不同叶绿素浓度的海水的光谱响应差异。从图中可见，当叶绿素浓度增加时，可见光的蓝光部分的光谱反射率明显下降，但绿光部分的反射率则上升。2024/8/15222.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系利用叶绿素浓度与光谱响应间的这些明显特征，人们采用不同波段比值法或比值回归法等，以扩大叶绿素吸收(0.44μm附近蓝光波段)与叶绿素反射峰(0.55μm附近绿光波段)或荧光峰(0.685μm附近的红光波段)间的差异，提取叶绿素浓度信息，以指示并遥感监测水体(海洋)的初级生产力水平。2024/8/15233.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系自然因素和人类活动造成水土流失、河流侵蚀，河流带走了大量泥沙入湖入海，是水中悬浮泥沙物质的主要来源。这些泥沙物质进入水体，引起水体的光谱特性发生变化。水体反射率与水体混浊度之间存在着密切的相关关系(正相关)。随着水中悬浮泥沙浓度增加，即水的混浊度增加，水体在整个可见光谱段的反射亮度增加，同时反射峰值波长向长波方向移动（“红移”），即从蓝(B)→绿(G)→更长波段(0.5μm以上)移动，而且反射峰值本身形态变得更宽。2024/8/15243.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系如图13.2所示，自然环境下测量的清水(清澈湖水，悬浮泥沙含量10mg/L)和浊水(混浊泥水，悬浮泥沙含量达99mg/L)的反射光谱曲线有着明显的差异，浊水的反射率比清水高得多，且与清水相比浊水的反射峰值都出现在更长的波段。正因为水色与泥沙含量关系密切，水色成为泥沙含量的较精确的一种指标。水色随混浊度的增加，由蓝→绿→黄，当水中泥沙含量近于饱和时，水色也接近泥沙本身的光谱。2024/8/15253.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系图13.9为长春遥感试验对7种不同悬浮泥沙浓度的水库进行反射率测定，所得的水体反射光谱曲线与泥沙浓度的关系。图示，随着水中悬浮泥沙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，但由于受到0.93μm、1.13μm红外强吸收的影响，反射峰值移到0.8μm终止(可能有系统误差)。2024/8/15263.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系一般说来，对可见光遥感而言，波长0.43μm～0.65μm为测量水中叶绿素含量的最佳波段；0.58μm～0.68μm

对不同泥沙浓度出现辐射峰值，即对水中泥沙反映最敏感，是遥感监测水体混浊度的最佳波段，被NOAA，风云气象卫星及海洋卫星选择。因此，调查水色多选用0.45μm～0.65μm

谱段。2024/8/15273.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系当然，泥沙含量的多寡具有多谱段响应的特性。因而水中泥沙含量信息的提取除用可见光红波段数据外还多用近红外波段数据(与红波段数据正相反，其光谱反射率较低，且受水体悬浮泥沙含量的影响不大)，利用两波段的明显差异，选用不同组合可以更好地表现出海中悬浮泥沙分布的相对等级。2024/8/15283.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系如何运用遥感获取的水体光谱数据提取出水中悬浮泥沙的专题信息，许多国内外学者对之进行了长期的研究，分别建立起不同的理论或半经验模型，来定量表达悬浮泥沙含量与遥感数据间的关系，反演悬浮泥沙含量，大致可分为：(1)基于统计相关分析为基础的半经验模型。(2)基于灰度系统理论为基础的模型。2024/8/15294.水体光谱特征与水深的关系水深：指水的穿深能力，即水体的透光性能。它是由衰减长度来衡量的。衰减长度：是表示水中能见度的一个量度单位，一个衰减长度被定义为向下辐照度等于表面辐照度的1/e(或37%)的长度。水体本身的光谱特征是与水深相关的。2024/8/15304.水体光谱特征与水深的关系图13.10显示，清澈水体随水深的增加(0～0.2m～2m～20m)，其光谱特征的变化。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，近红外波段的能量几乎不存在，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。2024/8/15314.水体光谱特征与水深的关系光对水的穿深能力，除了受波长的影响外，还受到水体混浊度的影响。图13.11显示不同混浊度水体的不同光谱衰减特征。图示，随着悬浮物质含量(混浊度)的增加，反射率明显增强，透射率明显下降，衰减系数增大，光对水的穿深能力减弱，最大透射波长向长波方向移动。2024/8/15324.水体光谱特征与水深的关系对于清水，光的最大透射波长为0.45～0.55μm，其峰值波长约0.48μm，位于蓝绿波段区。水体在此波段，散射最弱，衰减系数最小、穿深能力(即透明度)最强，记录水体底部特征的可能性最大；在红光区，由于水的强吸收作用，仅能反映水陆差异。正因为不同波长的光对水体的透射作用和穿深能力不同，所以水体不同波段的光谱信息中，实际上反映了不同厚度水体的信息特征，包涵了“水深”的概念。2024/8/15334.水体光谱特征与水深的关系比如：一般蓝绿波段穿透深度约10～20m，则水体对应的像元可能反映约10～20m厚度水体的综合光谱特性(清水则可能穿深30m)；而红波段穿透深度约2m，则可能反映约2m厚度水体的综合光谱信息。正如前述，水体的光谱特性主要是通过体散射，而不仅是表面反射测定的，这与陆地截然不同。2024/8/15344.水体光谱特征与水深的关系实际上影响遥感入水深度的因素很多。除了波长、水体混浊度外，还与水面太阳辐照度E(λ)—是太阳天顶角θ、太阳方位角ϕ的函数，水体的衰减系数α(λ)、水体底质的反射率ρ(λ)、海况、大气效应等有关。2024/8/15355.水体光谱特征与水温的关系遥感器所探测的热红外辐射强度得到的水体温度是水体的亮度温度(辐射温度)，本应考虑水的比辐射率，方可得到水体的真实温度(物理温度)。但在实际观测中由于水的比辐射率接近于1(近似黑体)，在波长6～14μm段尤为如此(图13.13)。因此往往用所测的亮度温度表示水体温度。2024/8/15365.水体光谱特征与水温的关系另外，由于水体热容量大、热惯量大、昼夜温差小，且水体内部以热对流方式传输热量，所以水体表面温度较为均一，空间变化小；但是大气效应，特别是大气中水汽含量，对水温测算精度影响较大，因此，遥感估算水温时，必须进行大气纠正。水面遥感测温及水面大气纠正均比陆地表面的简单和成熟(遥感温度反演请参看第4章有关内容)。2024/8/15375.水体光谱特征与水温的关系尽管，由于水体(这里主指海洋)中叶绿素、混浊度、表面形态、表面热特征不一，使水体具有不同的光谱特征；尽管不同波谱段对水体由不同穿透能力，同一谱段对不同类型水体有不同穿透能力等，造成水体光谱特征的差异。但是，水体整体反射率低(<10%)，相互之间的光谱差异小，与陆地上地物光谱特征间差异相比要小得多，因而所得的海洋遥感图像反差很低，可以获得的信息十分有限。2024/8/15385.水体光谱特征与水温的关系再加上，海洋信息的获取还受到多变的海洋环境的干扰，如太阳入射角、观察高度、海-气条件(云层、海冰、海浪、传播方向等)、底质条件、水深以及水体本身不同的生物、化学、物理因素等。因此，对水体遥感尤其是海洋遥感来说，光学遥感(主要是可见光遥感)显然是不够的，除了采用可见光、红外波段以外，还需更有效的电磁波谱段—微波等。2024/8/15396.水体光谱特征与水体污染物的关系当出现下列情况时，有可能采用遥感的方法探测到水体的污染：(1)水体污染物浓度较大且使水色显著地变黑、变红或变黄，并与背景水色有较大的差异时。如上海的苏州河在污染最严重时，黑色的河水注入黄浦江，并与黄色的黄埔江水形成明显的差异色调，可以在可见光波段的影像上被识别出来。(2)水体高度富营养化，受到严重的有机污染，浮游生物浓度高时，与背景水体的差异也可以在近红外波段影像上被识别。(3)水体受到热污染，与周围水体由明显温差，可以在热红外波段影像上被识别。(4)其他情况，如水上油溢污染可使紫外波段和近红外波段的反射率增高，有可能被探测出来。2024/8/15404.2.2水体的微波辐射特征这里的水体主要指海洋，海洋的微波辐射取决于2个主要因素：(1)海面及一定深度的复介电常数(ε)。它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定。海水是由各种盐类、有机质、悬浮粒等组成的复杂水体。从微波辐射角度，海水可视为含NaCl等盐类的导电溶液。海水的介电常ε是海水温度、盐度的函数。因而海洋微波遥感可以测得海面及水面下一定深度的温度和含盐度等信息。2024/8/15414.2.2水体的微波辐射特征(2)海面粗糙度——海面至一定深度内的几何形状结构。从这一角度可将海面分为4类：(1)平静海面：海面无风或风速很小，可用物理光学理论处理，当水面粗糙度较微波波长小得多时，可视为平坦表面，以镜面反射为主。(2)风浪海面：海面有波浪而成为一个随机起伏的粗糙面。此时电磁波在界面上产生复杂多变的多次反散和散射，散射回波增强。同时，大风浪海面往往伴有泡沫带(含大量气泡和水滴)。它的特征除与辐射亮度温度有关外，还与海浪谱、海面风速等有关。(3)污染海面：一般指油污染等形成两层介质，引起亮度温度的显著差异。油膜使海平面趋于平滑，减弱回波强度，而呈黑色。(4)冻结海面：海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介电常数较水体小，引起亮度温度的明显差异2024/8/1542§4.3海洋卫星及遥感器针对上述的水体波谱特征及海洋的特点，海洋遥感需要有自己的特的研究手段和遥感器，归纳起来海洋遥感有以下特点：(1)大尺度、同步覆盖。由于海洋现象范围大、幅度大、变速快，因而海洋遥感需航天高平台的宏观、同步观察。(2)在海洋光学遥感中，海洋向上反射的能量仅是陆地的0.1～0.05倍，且动态范围很小。海洋的光谱特征差异小，并受干扰因素大，因此要获得海洋环境的光学信息，其光学遥感器必须具有较窄的光谱谱段(带宽)，较大的瞬时视场角，因而其空间分辨率较低。2024/8/1543§4.3海洋卫星及遥感器(3)在卫星遥感中，由于水体向上的反射辐射能太低，卫星探测器所接收的辐射能量中85%来自大气的干扰(大气程辐射远大于离水反射辐射)，因此对水体(海洋)遥感而言，排除大气的干扰尤为重要。(4)海洋微波遥感，一方面，海洋光谱特征差异小，且大气干扰大，使海洋光学遥感受到很大限制，需要具有穿云破雾能力的微波，以获取全天时、全天候的海洋信息；另一方面，海洋光学遥感对于海面形态等海况研究，已显得无能为力，需要能提供大量海温、海水含盐度、海面形态结构等信息的海洋微波遥感。2024/8/1544§4.3海洋卫星及遥感器(5)海洋有一定深度。微波与可见光一样，在水中极速衰减，微波穿透海水的深度也仅有厘米的量级，这显然是不够的，必须开拓新的探测途径。激光可使遥测水深有了扩大；而声波在水中的传播性能好(约1500m/s)，可以克服遥感在深度上的的局限。声纳用于探测海底。目前能测的最大范围距船22km(侧视)、分辨率为7m。我国自制的海底剖面仪、侧向扫描声纳最大作用深度50m，均为回声信号自记，可为研究水下地貌、沉积类型、结构等为水利施工提供可靠依据。(6)海洋遥感需要海洋调查船、海洋浮标、海洋潜水器等海洋实测资料的支持，以作为海洋遥感探测器标定的依据。2024/8/15454.3.1海洋卫星系列1978年6月22日美国发射了第一颗海洋卫星Seasat-A，开创了海洋卫星遥感的新纪元。随后，许多国家陆续研制和发射了专题目的明确的海洋水色卫星、海洋动力环境卫星和海洋综合探测卫星。目前世界各国的海洋卫星和以海洋观测为主的在轨卫星已有30多颗。2024/8/15464.3.1海洋卫星系列2002年5月