第八讲高光谱遥感讲义(张兵)

1九、高光谱遥感应用—水质参数反演ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS200520059.1内陆水质遥感概述9.2水体表观光学量9.3水体固有光学量9.4半经验方法反演水质参数9.5水体光学模型及分析方法反演水质参数张兵中国科学院遥感应用研究所E-mail:[e-mail]/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS200520059.1内陆水质遥感概述我国内陆淡水资源的紧缺以及水质污染问题已经引起国家和社会的高度重视。尤其是内陆水体，其水质影响到国民生产和生活，因而准确、快捷的水质监测显得尤为重要。遥感技术以其独特的优势为水质监测和研究开辟了新的途径，它可以实现水质快速、大范围、低成本、周期性动态监测。然而，由于内陆水体的光学特性比较复杂，与海洋遥感研究相比，内陆水体的遥感监测始终是一个技术难点。当前内陆水质遥感监测的一个重要发展趋势就是高光谱遥感图像数据的越来越广泛的应用。内陆水体光谱特性复杂多变，只有高光谱分辨率的遥感数据才能更加有效地捕捉这些光谱信息，从而提高内陆水质遥感监测的精度。2ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005水色遥感是指水体的可见光近红外波段的遥感，主要用于水色因子包括浮游植物色素、无生命悬浮物（海洋中称为悬浮泥沙）和黄色物质(黄腐酸、腐殖酸组成的溶解性有机物，CDOM)及相关水质参数的定量探测。一类水体是指那些光学性质主要受浮游植物及其降解物影响的水体，光学特性相对简单，简单的蓝绿波段比值就可以反演叶绿素浓度；二类水体则不仅仅受浮游植物的影响，而且受到悬浮物和黄色物质等的影响，因而光学特性复杂多变，对于水比较浅的情形，还要考虑水底物质反射的影响。通常认为开阔大洋水体属于一类水体，近岸和内陆水体属于二类水体。光学深水是指水底对于水色没有影响的水体。光学浅水是指水底对于水色有影响的水体。9.1内陆水质遥感概述ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005•经验方法：建立遥感数据与地面监测的水质参数值之间的统计关系来外推水质参数值，水质参数与遥感数据之间关系缺乏依据，水质遥感初期的宽波段数据多采用这种方法。•半经验方法：在已知的水质参数光谱特征的条件下，利用最佳的波段或波段组合数据与实测水质参数值之间的统计关系进行水质参数估算。得到的模型只适用于当时的条件，对于不同季节和地域的水质参数估算需要进行参数矫正，该方法目前最为常用。•分析方法：利用遥感数据与水中各组分的吸收系数、后向散射系数关系模型，反演水质参数含量。该方法与水体光学模型相结合具有明确的物理意义，且具有普遍适用性，但由于理论基础尚不成熟，模型中还存在许多的假设。内陆水质遥感监测的常用方法9.1内陆水质遥感概述3ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005内陆水体定量遥感研究发展较慢，水质参数反演精度一直不理想。原因：（1）与海洋相比，内陆水体光学特性更为复杂；（2）水体自身的辐射较低，大气影响很大；（3）常用遥感器的波段设置较宽；（4）遥感模型以统计模型为主；（5）水体固有光学量的积累很少等。发展方向：（1）以高光谱遥感数据为数据源；（2）以影响内陆水体光学特性的3种主要水质参数（浮游植物色素、悬浮物和黄色物质）为反演目标；（3）建立高精度的大气校正和离水辐射提取算法；（4）积累典型内陆水体固有光学量测量数据；（5）建立基于内陆水体固有光学量的水质反演分析方法。内陆水质遥感监测的难点及发展方向9.1内陆水质遥感概述ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005表观光学量(ApparentOpticalProperties，简称AOP)：是指随入射光场变化而变化的水体光学参数。水色遥感就是利用表观光学量(AOPs)来反演出水体成分的浓度，常用的AOP主要有：*离水辐亮度LW（µW/cm2nmsr）；*归一化离水辐亮度LWN=LWF0/Ed(0+)，其中F0为平均日地距离大气层外太阳辐照度，Ed(0+)为水面入射的下行辐照度。*遥感反射率Rrs=LW/Ed(0+),*刚好处于水面以下的辐照度比R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-),其中Eu(0-)为刚好在水面下的上行辐照度，Ed(0-)为刚好在水面下的下行辐照度（µW/cm2nm）。9.2水体表观光学量测量方法：剖面法(Profilingmethod)、表面法(Above-watermethod)4ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005水面以上水体信号构成太阳光在大气中散射天空光水面反射太阳直射光水面反射水体上行辐射来自水面以下的离水辐射太阳直射光在水面的折射航空/航天遥感器天空光在水面的折射9.2水体表观光学量ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005太阳入射平面仪器观测平面水面法线vθφ仪器观测方向天空光观测方向光谱仪探头θ＝40度，Φ＝135度，这样可以尽量避免太阳耀斑，同时减小船的阴影的影响。9.2水体表观光学量水面光谱测量离水辐亮度LW5ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005Lsw=trLsky+tLW+LP+TLgt是大气漫射透过率；r是气水界面反射率；LP是大气程辐射；TLg是太阳耀斑，T是大气直射透过率。利用光谱仪在水面采集水体光谱数据时:Lg可以避免，LP可以认为是0，t可以认为是1，从而得到水面光谱仪接收信号Lsw的公式为：Lsw=LW+rLskyLsw和Lsky可以测量得到，r可以通过一定的办法确定，从而可以计算得到离水辐亮度LW。如果利用灰板测量了下行辐照度Ed(0+),，就可以进一步计算遥感反射率Rrs。9.2水体表观光学量遥感器接收辐亮度ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005气水界面反射率r的确定气水界面反射率r取决于太阳位置、观测几何、风速风向或水面粗糙度等因素，其取值目前仍有很大争议。目前主要有5种确定r的方法：1）根据观测天顶角利用Fresnel公式计算得到；2）根据经验确定不同风速条件下对应的r值；3）假设近红外或者短波红外某段波长区域的离水辐射为0，从而利用Lsw和Lsky计算得到r值；4）根据MonteCarlo模拟来确定r值；5）根据水体光学模型，将r和一些水质参数作为未知数，然后通过光谱优化的方法同时计算得到r值和水质参数。在内陆水体中，由于水体浑浊，离水辐射相当较高，因而r的误差带来的Lw的误差较小。因而可以选择相当简便的确定的r的方法，如上面的方法1、2、3。9.2水体表观光学量6ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005遥感反射率观测数据举例00.010.020.030.040.050.0635065095012501550185021502450波长（nm）遥感反射率（Rrs）w1w2w3w4w5w6w7w8w9w10w11w12w13w14w15w16Rrs=LW/Ed(0+)9.2水体表观光学量ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005固有光学量(InherentOpticalProperties)是指不随入射光场变化而变化，仅与水体成分有关的光学量，如光束衰减系数c，吸收系数a、散射系数b、散射相函数P等。9.3水体固有光学量c=a+b单位:m-1散射相函数P单位：sr-17ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005影响内陆水体固有光学特性的物质主要有四种：纯水；浮游植物(phytoplankton)，主要是藻类；无生命悬浮物(tripton)；黄色物质(CDOM)。每种物质都有其固有光学量，其中水质遥感中常用到的有：(1)水分子的吸收系数aw(λ)、散射系数bw(λ)；(2)浮游植物色素的吸收系数aph(λ);(3)非色素悬浮物吸收系数at(λ)；(4)CDOM吸收系数acdom(λ)；(5)总悬浮物散射系数bs(λ)。其中，水分子的吸收系数和散射系数是不变的，可以查找文献获得。其余各量需要对采集的水样进行测量而获得。9.3水体固有光学量ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005固有光学量的测量及计算利用分光光度计（如下图所示）可以对采集水样的固有光学特性进行测量分析。水样是与水体现场表观特性测量同步采集的，原则上固有光学特性测量应在水样采集后的数小时内进行。可以直接测量的参数有：CDOM吸收系数acdom(λ)、总悬浮物吸收系数as(λ)、非色素悬浮物吸收系数at(λ)、总悬浮物光束衰减系数cs(λ)；间接计算的参数有：浮游植物色素吸收系数aph(λ)、总悬浮物散射系数bs(λ)。9.3水体固有光学量8ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS2005200500.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007400450500550600650700750800波长(nm)散射系数（m-1）00.511.522.53吸收系数（m-1）ba纯水的吸收和散射光谱9.3水体固有光学量ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005浮游植物的吸收光谱浮游植物的吸收系数大小与藻类密度呈正比，吸收光谱形状则是由藻类的种类和色素组成决定的。012345400450500550600650700750波长（nm）浮游植物色素吸收系数（m-1）9.3水体固有光学量9HRS/IRSA/CASHRS/IRSA/CAS20052005CDOM和非色素悬浮物的吸收光谱CDOM和非色素悬浮物的吸收光谱在紫外和可见光范围内呈负指数曲线形式00.20.40.60.811.21.41.61.8400450500550600650700750波长（nm）CDOM吸收系数（m-1）0123456789400450500550600650700750波长（nm）非色素悬浮物吸收系数（m-1）9.3水体固有光学量HRS/IRSA/CASHRS/IRSA/CAS20052005悬浮物的散射光谱悬浮物散射光谱值与悬浮物浓度呈正比，同一点的散射系数随波长增加而减小。05101520253035400450500550600650700750波长（nm）悬浮物吸收系数（m-1）9.3水体固有光学量10HRS/IRSA/CASHRS/IRSA/CAS20052005纯水、浮游植物、非色素悬浮物及CDOM的平均吸收光谱00.511.522.533.54400450500550600650700750800波长（nm）吸收系数（m-1）a(total)a(w)a(ph)a(cdom)a(dp)9.3水体固有光学量ZB/HRS/IRSA/CASZB/HRS/IRSA/CAS20052005单位固有光学量(SpecificInherentOpticalProperties,SIOP)单位吸收和散射系数是水体各组分的吸收和散射系数分别与其浓度的比值，单位吸收和散射系数是分析方法建立水质参数反演算法最基本的光学参数。1）叶绿素a单位吸收系数叶绿素a存在于所有的藻类中，是藻类最主要的色素。叶绿素a的单位吸收系数是指当水体中叶绿素浓度为1μg/l时所对应的浮游植物的吸收系数值，即：a*ph(λ)＝aph(λ)/Cchl-a其中Cchl-a为叶绿素a的浓度，单位是μg/l。2）非色素悬浮物的单位吸收系数可以利用总悬浮物的浓度近似代替非色素悬浮物的浓度，因而非色素悬浮物的单位吸收系数是利用非色素悬浮物吸收系数与总悬浮物浓度之比进行计算的，即：a*t(λ)＝at(λ)/Cs其中Cs为总悬浮物浓度，单位是mg/l。9.3水体固有光学量11其中，bbw为水体后向散射系数，为悬浮物后向散射比例系数；四分量的单位固有光学量（SIOP)来表示水体总的吸收系数和后向散射系数。ZB/HR