第二章-水环境遥感2016

第二章水环境遥感第一节水环境概述水环境是由地球表层水圈所构成的环境，它包括在一定时间内水的数量、空间分布、运动状态、化学组成、生物种群和水体的物理性质。水环境是一个开放系统，它与土壤－岩石圈、大气圈、生物圈乃至宇宙空间之间存在着物质和能量的交换关系。水环境特点水体状态的可变性水体物质组成的差异性水体时空分布的不均一性水的可循环性水体污染和重要污染物由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。水体污染类型感官性状污染需氧物质污染无机污染植物营养物质污染有毒化学物质污染油污染病原体污染放射性污染热污染水质指标物理性水质指标化学性水质指标生物学水质指标水体污染源点源：点状形式排放而使水体造成污染的发生源。工业废水、城市生活污水非点源：又称水污染面源，以面积形式分布和排放的污染物造成的水体污染发生源。第二节水环境遥感原理水环境的遥感监测多是对地表各种水体进行空间识别、定位、及定量计算面积、体积或模拟水体动态变化。随着遥感基础研究的进展，对水体本身的光谱特性有了深入研究，同时进行许多水质光谱数据测试。对水体的遥测也转换到水体属性特征参数的定量测定，如水深的控制、悬浮泥沙浓度的测定、和绿素含量的测定，以及污染状况的监测等。一、水体的光谱特征天然水体对0.4-1.1μm反射率低于其他物体，总辐射水平明显低于其他地物，在遥感图像上往往表现为暗色调在近红外波段反射率比可见光波段更低对不同的水体，在可见光波段，其反射率有较为明显的不同，如随泥沙的含量增加而加强水体的光谱特征在可见光波段0.6μm之前，水的吸收少，反射率较低，大量透射水体的反射主要在蓝光波段，其他波段吸收都很强，特别在近红外以后水体便成为一个吸收体。光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献：水的表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射。光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关，而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质——有机物和无机物的影响。泥沙含量很高的混浊水，在可见光的反射率明显提高了，提高的幅度随悬浮泥沙的浓度与粒径而增加。从上图可以看比，随着泥沙含量的增高，水体反射率急剧增其最高反射率则有黄绿光区向红光和近红外区移动的趋势。因此，0.6μm~0.7μm左右是定量分析悬浮泥沙的最佳波段之一。一般清水的反射率在可见光区都很低（仅蓝光波段稍高），以后随波长增加而进一步降低，至0.75μm以后的红外波段水几乎成了全吸收体。在清澈的水体中，水底的反射光和水中的散射光强度，与水的深度呈良好的负相关。据测定，清洁水对0.47μm~0.55μm左右的光谱散射作用最弱，消散系数最小，即穿透能力最强，故可以认为0.47μm~0.55μm是遥感探测清洁水深的最佳波段。近年我国部分水域遭受不问程度的污染，其中最普遍的是水体富营养化，促使藻类等水生生物大量繁殖。水生生物体中的叶绿素与藻胆素等会改变纯水在近红外波段的强吸收性，使曲线多少显示出近红外的“陡坡”效应,其程度则取决于水生生物量的多寡。由此提供了遥感监测海洋赤潮和湖泊富营养化暴发水华的依据。三、水体在不同传感器上的表现地物光谱数据测试在地面高度进行的室内或室外光谱实验，而现代遥感数据，主要利用具体传感器从地球轨道高度探测到的地面物体的光谱响应不同传感器，由于波段范围不同，及受时间、空间分辨率的限制，以及大气衰减作用，使得水体在不同传感器有不同的表现。1.TMTM1（0.45-0.52μm，蓝光波段），对水体的穿透力强，对叶绿素与叶红素浓度反映敏感。有助于判别水深、水中叶绿素分布、沿岸水和进行近海水域制图TM4（0.76-0.90μm，近红外波段），探测水陆边界2.SPOT(HRV)可以穿透水体探测，能较精确的反映水体的边界和形状3.NOAA(AVHRR)CH2波段（0.725-1.15μm）对水体反映敏感空间分辨率低，不适宜水资源监测时间分辨率高，可进行大范围洪水监测4.EOS-MODISMODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer，中分辨率成像光谱辐射计)是搭载于美国EOS系列卫星之上的一个重要遥感传感器。MODIS具有36个可见光-红外的光谱波段，空间分辨率为250-1000m。MODIS遥感数据是新一代的卫星遥感信息源，在生态学研究、环境监测、全球气候变化以及农业资源调查等诸多研究中具有广泛的应用前景。5.ERS和JERS(SAR)水体在SAR图像表现为暗色或黑色调，水陆分界明显水位越深，颜色越暗第三节水资源遥感监测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、径流估算、水深、水温、冰雪覆盖、土壤水分监测、冰雪监测、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应用实例青藏高原湖泊调查：300多年150多次考察曾查出500多个湖泊，而近年来采用航空像片、卫星图像判读，不仅对这些湖泊的面积、形状进行了修正定位，而且还补充了地面考察或地图上未标明的300多个湖泊。地下淡水：美国在夏威夷群岛，利用红外遥感发现了200多处地下淡水出露点，从而解决了该岛对淡水的需求。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，诸如海水温度、盐度、水深、洋流、波浪、潮沙等海洋诸要素的测量，对海洋的开发具有重要意义。遥感图像可提供大尺度、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业生产提供了基础。海洋应用一、水文要素遥感研究遥感技术能观测地球表面信息，而不是传统上某点的观测值，并可观测一些传统方法观测不到的水文变量。近年遥感技术的发展和应用，对水文科学的进展起重大的推动作用。1.水位-面积和流域界定要测量水面面积，首先要准确标定水边线。根据水体对近红外和红外线部分几乎全吸收及雷达波在水中急速衰减的特性，应用航空像片和机载雷达图像可以获得准确的水边线位置，从而保证水面面积量测的精度。目前最常用的是陆地卫星LandsatTM、SPOT、气象卫星等遥感图像。流域形状，可利用TM5图像描出河系网络，由TM3图像勾绘流域分水界线得到。水面面积和流域形状测量的精度与遥感图像的地面分辨率有关。地面分辨率低，则精度差；地面分辨率高，则精度高。ETM图像上湖泊影像特征MSS图像上湖泊影像特征2.水深探测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。水体本身的光谱特性是与水深相关的。在水深20m处，由于水体对红外波段光的有效吸收，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。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。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)一一是太阳天顶角、太阳方位角ф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。原始假彩色图像水深遥感成图3.水温探测遥感器所探测的热红外辐射强度而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。因此往往用所测的亮度温度表示水体温度。遥感估算水温时，必须进行大气纠正热红外图像监测温度水体整体反射率低（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，可以获得的信息是十分有限的。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，必须开辟新的电磁波谱段一一微波等。海洋的微波辐射取决于两个主要因素：一是海面及一定深度的复介电常数（E）。它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定。二是海面粗糙度一一海面至一定深度内的几何形状结构4.径流估算以遥感方法估算地表径流和枯水径流的基本思路是：运用遥感数据分析流域下垫面特性及其与蒸发、下渗的关系其中着重考虑降水、径流与蒸发损失的关系。在边远地区水文气象站网稀少的情况下，除某些气象水文因子（降水、流量）可由常规方法获取外，遥感图像为分析流域下垫面条件、河网结构以及量测和提取其相应参数提供了极大方便。水系制图二、水域变化监测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原地保留一定湿度和形态，即“痕迹”较为明显。因而，在遥感图像上图斑清晰，信息丰富，较易辨别。1.河流、水系变化河流演变主要指河型和河床的演变。利用不同年份的航空像片和卫星遥感图像，并结合同期河床断面形态测量资料和历史记载对比河床平面形态的变化，可研究河床演变的过程。对于水系及其环境的研究，目前多采用Landsat图像、SPOT图像和国土资源卫片，开展地学分析应用。2.湖泊演变卫星遥感技术是探测湖泊、沼泽等水域的先进手段。湖泊主要是通过遥感器探测记录水的光谱特性得以表征。因此，水体的影像特征与水的光谱特性紧密相关，如水体在可见光范围内，其影像色调与水体的悬浮物微粒数量、粒径大小及混浊等有关。当水体较清澈时，对短波的散射能力强，水体影像呈现蓝色；水体混浊时，影像呈现绿色或黄绿色，这就是人们以遥感图像解译湖泊的重要标志之一。卫星遥感图像上，有不同色调、大小形状的图斑。就湖泊水体来说，其波谱特性和背景地物的光谱特性有明显的差异：在可见光范围，湖泊水体的反射率与其背景地物类型的反射率相差不大；可是在红外波谱段，水体与背景地物反射率有明显的差别，因湖泊水体对红外辐射，几乎全部吸收，使湖泊水体相对于其背景地物有显著的色调区别。在丰富多彩的卫星影像上，湖泊、水库等水体，一般呈现深色调，在黑白片上呈现黑色，在彩红外图像上，呈深蓝色或者墨绿色。这些深淡不同的色调，往往与湖泊、水库的蓄水深度有关，一般来说水深色浓，水浅色淡。黄河源区星星海遥感影像a.1994-07-24TM影像b.2001-07-03TM影像3.河口三角洲演变对于河口三角洲的调查研究，以往通常是野外地面调查，随着遥感技术的进步，人们广泛地应用卫星图像进行典型调查分析利用遥感图像进行水系变迁、古河道的调查，对合理开发地下水的资源具有科学现实意义昌化江河流入海口处泥沙淤积（左2001年影像右1991年影像）4.海岸带演变海岸带是海陆交汇的过渡地带。其包括陆域的潮上带、海滩涂的潮间带和近海域的潮下带几部分。其陆域、滩涂与海域三者之间的面积比约为4:1:5。我国拥有18000km的大陆岸线，有着独有的优势区位，是我国经济建设的重要资源之一。我国海岸带因受地质构造和地貌单元的控制作用，其类型大致有基岸海岸、砂砾质海岸、淤泥质海岸、珊瑚海岸和红树林海岸。研究海岸带及其变化，分析不同海岸类型有重要生产意义。（1）海岸线确定将滩面宽度大，坡度平缓的粉沙淤泥质海岸的潮滩，称之为海涂。海涂是动态的潮间带，一天两潮，一年四季潮位均在变化之中，海涂处于陆地向海洋的过渡地带，是重要的自然资源，是农业围垦、水产养殖、海港建设、种苇、制盐和开辟旅游业的重要基地。海涂上限是海岸线，为大潮涨潮，海水携带的漂浮物质，年久堆积成的一条明显的线。这条线实地比较清楚，航空像片上也易于解译，即大潮海水到达的位置。有的地段因筑有海堤，大潮海水到此为止，这时海堤边缘即为海岸线。海涂下