第3章-水环境遥感-2

遥感地学分析授课人：张喜旺TheCollegeofEnvironmentandPlanningofHenanUniversity河南大学环境与规划学院E-mail：[e-mail]单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院2主要内容1水体的光谱特征2水体及其遥感监测3水资源遥感4水污染遥感单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院33.4水污染遥感水污染遥感监测及其与常规方法的区别：利用遥感技术能迅速、同步地监测大范围水环境质量状况及其动态变化，在这些方面弥补了常规监测手段的不足，因此引起许多环境科学工作者的重视。近些年来出现了“水质遥感”和“污染遥感”研究课题，它们分别对自然水体和污染水体的水质（或污染物）进行遥感研究。就精度而言，遥感方法通常低于常规监测方法，但遥感技术正是通过这种精度上的损失，换取了水环境研究的区域性、动态性和同步性，这正是把遥感技术应用于水环境研究的意义所在。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院43.4水污染遥感水污染遥感监测适用范畴：从原理上说，遥感传感器记录的是地表物体的电磁波辐射特性（强弱变化及空间变化），因此只有在较大程度上直接或间接影响水体的电磁波辐射性质的水环境化学物质才有可能通过遥感技术加以探测，并非所有水环境化学研究的内容都可以辅以遥感手段。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院53.4水污染遥感水污染遥感监测方法：利用遥感技术研究水环境化学包括定性和定量两种方法。定性遥感方法是通过分析遥感图像的色调（或颜色）特征或异常对水环境化学现象进行分析评价的，这往往需要了解水环境化学现象与遥感图像的色调（或颜色）之间的关系，建立图像解译标志。定量遥感方法建立在定性方法的基础之上，为了消除随机因素的影响，通常需要获得与遥感成像同步（或准同步）的实测数据，以标定定量数学模型。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院63.4水污染遥感水污染种类：在江河湖海各种水体中，污染物种类繁多。为了便于用遥感方法研究各种水污染，习惯上将其分为富营养化、悬浮泥沙、石油污染、废水污染、热污染和固体漂浮物等几种类型。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院73.4水污染遥感污染类型生态环境变化遥感影像特征富营养化浮游生物含量高在彩色红外图像上呈红褐色或紫红色,在MSS7图像上呈浅色调悬浮泥沙水体浑浊在MSS5像片上呈浅色调,在彩色红外片上呈淡蓝、灰白色调,浑浊水流与清水交界处形成羽状水舌石油污染油膜覆盖水面在紫外、可见光、近红外、微波图像上呈浅色调,在热红外图像上呈深色调,为不规则斑块状废水污染水色水质发生变化单一性质的工业废水随所含物质的不同色调有差异,城市污水及各种混合废水在彩色红外像片上呈黑色热污染水温升高在白天的热红外图像上呈白色或白色羽毛状,也称羽状水流固体漂浮物各种图像上均有漂浮物的形态水污染的遥感影像特征：单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院84水污染遥感水质遥感对影像的要求：遥感参数测定项目地面分辨率(m)光谱分辨率(m)波长范围(nm)摄影周期视场角(离铅直方向的角度)摄影范围(kmkm)石油污染10-30——紫外、可见、微波2-4小时（1天）注意光晕200200（2020）悬浮泥沙200.15（0.15）350-800400-7002小时（1天）0-+15（-5-+30）350100（1010）固体废物100.15（0.15）350-800400-7005小时（10天）0-+15（-5-+30）3535（1010）热污染30温度分辨率0.2C(1C)10-20m(10-14m)2小时（10天）——3535（1010）富营养化1000.05（0.15）400-7002天（14天）0-+15（0-+30）350350（3535）赤潮300.015（0.015）400-7005小时（2天）0-+15（-5-+30）350350（20100）单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院93.4.1水体富营养化（1）基本概念当大量的营养盐进入水体后，在一定条件下引起藻类的大量繁殖，而后在藻类死亡分解过程中消耗大量溶解氧，从而导致鱼类和贝类的死亡。这一过程称为水体的富营养化。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院103.4.1水体富营养化（2）危害富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院113.4.1水体富营养化因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院12单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院13单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院14单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院15单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院16单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院17单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院18太湖水华单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院19太湖水华单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院20单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院21单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院223.4.1水体富营养化（3）遥感监测反映水体富营养化程度的最主要因子是叶绿素，其中又以叶绿素-a最为突出。叶绿素遥感是基于不同浓度浮游植物有着不同的辐射光谱特性。不同浓度浮游植物的光谱特征曲线在0.44m处出现明显的吸收（辐射微弱）；在0.52m处出现“节点”。在“节点”处，水面反射率随叶绿素浓度变化不大。在0.55m附近，普遍出现辐射峰值。而且水体叶绿素浓度越高，其辐射峰值也越高。这就是叶绿素遥感的波谱基础。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院23赤潮既可发生在远海大洋，但更经常地发生在河口、内海、港湾等沿海海域。在我国沿海，如渤海湾至南海沿岸均多次发生赤潮，尤其是1998年3、4月间，在珠江三角洲和香港沿岸，7月在杭州湾，9月在渤海湾发生了严重的赤潮，对沿海生态系统产生了很大的危害，使经济受到了巨大的损失。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院24科学研究和现场观测表明，赤潮生物的存在是赤潮能否发生的一个关键。赤潮生物的生长需要一定的外部环境条件，包括海水的富营养化、温度、盐度、海表面的光照、海水的稳定性以及海面风的强度等。海水的温度、盐度和海表面的光照程度决定了赤潮生物的生长速率，气象和海洋因素则决定了赤潮生物对光和海水营养的利用程度。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院25HY-1卫星遥感资料在海洋赤潮监测、预警方面的应用利用：HY-1卫星遥感资料反演生成的离水辐射率、叶绿素a浓度和海表温度分布产品，研究形成了HY-1卫星遥感赤潮信息的双波段比值和温度模型、基于主成分分析方法的模型等。利用上述赤潮信息提取模型和HY-1卫星的高分辨率遥感资料可以对我国海区发生的赤潮进行监测并提取与赤潮发生有关的位置和面积等信息。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院26下图是HY-1卫星监测到的2002年6月15日发生在辽东湾海区的赤潮，图中1和2处为赤潮发生区：单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院274.1.1水体富营养化（4）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。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院28不同叶绿素含量水面光谱曲线：3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院29从图6.8和图6.9中可看出：•0.44μm处有个吸收峰。•0.4-0.48μm（蓝光）反射辐射随浓度加大而降低；•0.52μm处出现“节点”，即该处的辐射值不随叶绿素含量而变化；•0.55μm处出现反射辐射峰，并随着叶绿素含量增加，反射辐射上升；•0.685μm附近有明显的荧光峰（图6.8）。这是由于浮游植物分子吸收光后，再发射引起的拉曼效应一一即进行水分子破裂和氧分子生成的光合作用，激发出的能量荧光化的结果。从图中可知，以上的波峰-波谷带宽较窄，为获取这些有指示意义的信息，需要选择的波段间隔不宜宽，最好小于或等于±5nm。3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院30不同叶绿素含量海水光谱曲线：3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院31从图6.10中可看出：•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；•研究表明随着海水中悬浮物质浓度的增加，在0.52μm附近的叶绿素光谱“节点”会向长波方向移动。国外有关研究认为，当海水中悬浮物质浓度为0.1mg/L时，节点移至0.57μm；当海水中悬浮物质浓度达0.5mg/L时，节点可移到0.69μm。3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院32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附近的绿光波段）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。3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院33以Landsat/TM为例，选用TM1（0.45-0.52μm）和TM2（0.52-0.60μm）、TM3（0.63-0.69μm）波段数据，或直接比值法，TM3/TM1，TM2/TM1；或建立比值回归方程。C=b(TM3/TM1)+a式中：C为叶绿素（CHl-a）相对浓度；a、b为相关系数，可通过同步（准同步）观测求得，即由实测数据与遥感数据统计相关分析所得。使具有相同性质的噪声和干扰得到消除或部分抑制。比值法可以消除因太阳高度角、观测角不同而造成的误差，还可以部分抵消大气效应。但它更适于悬浮物质稀少的大洋水。3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院34研究测试表明，水体叶绿素浓度与水面温度间存在线性相关：C=a0+a1t式中：C为叶绿素浓度（mg/m3）；t为水面温度（℃）；a0、a1为回归系数。3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院35对于遥感估算水体叶绿素浓度，国内外学者做了大量的研究，建立了不少遥感数据与不同叶绿素浓度的水体光谱间的数学模型。但因水中叶绿素的光谱信号相对较弱，加上水中悬浮固体含量的影响，因而目前遥感估算水中叶绿素含量的精度不高、平均相对误差约20%-30%。3.4.1水体富营养化单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院36为了有效地研究海洋水色的初级生产力——叶绿素浓度，海洋遥感卫星携带了专门研究海洋水色的高光谱分辨率仪器——海岸带水色扫描仪（CZCS）等。选取更为合适的中心波长，且波段间隔很窄（20nm左右）；高光谱或荧光水色扫描仪（0.43-0.80μm内共288个波段