第七章 环境遥感-1

第七章遥感在环境科学研究中的应用z水环境遥感z大气环境遥感z生态环境遥感z灾害遥感遥感地面地面站数据使用情况第七章遥感在环境科学研究中的应用z水环境遥感z大气环境遥感z生态环境遥感z灾害遥感97%2.2%0.02%Earth:TheWaterPlanet7.1水环境遥感一、水环境遥感的基本原理程辐射水面反射水下体反射水底反射大气总辐射电磁波与水体的相互作用7.1水环境遥感一、水环境遥感的基本原理强吸收区强吸收区强散射区强散射区强吸收区强吸收区弱散射区弱散射区弱吸收区弱吸收区散射区散射区水吸收区间：400nm，580nm，完全吸收区：740-2500nm散射区：400-500nm水对电磁波的吸收与散射作用的衰减7.1水环境遥感一、水环境遥感的基本原理波长（μm)混浊泥水（悬浮泥沙含量99mg/l)清澈湖水（悬浮泥沙含量10mg/l)0.50.60.70.80246810反射率（%)水体的反射光谱特征7.1水环境遥感一、水环境遥感的基本原理TM1（蓝）TM2（绿）TM3（红）TM4（近红外）波长蓝绿红近红外TM影像中不同波段对水的散射与吸收7.1水环境遥感一、水环境遥感的基本原理z水本身的物质组成：反射波谱特征与土壤、植被有很大的不同；z水体的状态：影响水体反射波谱特征的因素‹水中悬浮物（浮游生物（叶绿素）、泥沙、冰层等）；‹水深；‹水温；‹水质。7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感（二）水域变化监测7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感1、水位、面积、流域界定通过近红外、微波影像获得。黑白红外照片Radarsat影像7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感1、水位、面积、流域界定密云水库水位变化图（94年2月到8月）7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感2、水深探测z蓝绿光穿深能力（即透明度）最强（10~20m），记录水体底部特征的可能性最大；z在红光区穿深能力相应减小，仅能探测水体浅部特征（2m)；z在近红外区，仅能反映水陆差异。水体不同波段的光谱特征信息7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感2、水深探测z蓝绿光(波长为0.45~0.55μm,TM1,TM2)在水体中衰减系数最小、穿深能力（即透明度）最强（10~20m），记录水体底部特征的可能性最大；z在红光区(TM3)，由于水的吸收作用较大，透射相应减小，仅能探测水体浅部特征（2m)；z在近红外区(TM4,TM5)，由于水的强吸收作用，仅能反映水陆差异。水体不同波段的光谱特征信息水对不同波段的穿透作用SPOTBand1(0.5-0.59μm)greenSPOTBand2(0.61-0.68μm)redSPOTBand3(0.79-0.89μm)NIRCozumelIsland7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感2、水深探测PalancarPalancarReefReefCaribbeanSeaCaribbeanSeaTM3(Red)TM1(Blue)TM2(Green)TM4(infrared)水对不同波段的穿透作用7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感3、水温探测TW4σ=M斯蒂芬－玻尔兹曼定律:绝对黑体的总辐射出射度随温度与温度的4次方成正比。7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感3、水温探测Mb=σTb4ε=Mr/MbMr=εσTb4Mr=MbTrad4=εσTb4Trad=ε1/4Tb黑体比辐射率实际物体若不同温度的黑体和实际物体有相同的辐射，则有：物理温度辐射温度=σTrad4对于水体ε≈1Trad≈Tb7.1水环境遥感二、水资源遥感(一）水文要素遥感3、水温探测：热红外影像由NOAA-14AVHRR数据得到的全球海面温度分布（1999年3月4日）7.1水环境遥感二、水资源遥感(二）水域变化监测z河流、水系变化z湖泊演变z河口三角洲演变z海岸带演变7.1水环境遥感二、水资源遥感(二）水域变化监测湖泊研究7.1水环境遥感二、水资源遥感(二）水域变化监测河口三角洲演变研究7.1水环境遥感三、水质遥感监测z水体富营养化z悬浮固体z石油污染z废水污染z热污染7.1水环境遥感三、水质遥感监测1、水体富营养化遥感监测水体富营养化叶绿素藻类7.1水环境遥感三、水质遥感监测1、水体富营养化遥感监测航空遥感所测的海水的光谱响应7.1水环境遥感三、水质遥感监测1、水体富营养化遥感监测藻类对水体反射曲线的影响7.1水环境遥感三、水质遥感监测1、水体富营养化遥感监测叶绿素a和b的吸收特征叶绿素a和b的吸收特征7.1水环境遥感三、水质遥感监测1、水体富营养化遥感监测航空遥感所测的海水的光谱响应海水中叶绿素浓度与波段值的关系C=f(B/G)叶绿素浓度蓝绿波段反射率7.1水环境遥感三、水质遥感监测1、水体富营养化遥感监测7.1水环境遥感三、水质遥感监测1、水体富营养化遥感监测波罗的海1998-2005年（7-8月平均值）叶绿素变化情况7.1水环境遥感三、水质遥感监测2、悬浮固体遥感监测不同泥沙含量水体的反射光谱曲线波谱特征：随着固体悬浮物增加，z可见光谱段亮度增加，水体变亮；z反射峰值向长波方向移动。S=f(R)固体悬浮物浓度反射率Mississippi河口悬浮物的分布7.1水环境遥感三、水质遥感监测2、悬浮固体遥感监测7.1水环境遥感三、水质遥感监测3、石油污染遥感监测　不同油种与海水的光谱曲线7.1水环境遥感三、水质遥感监测3、石油污染遥感监测z油膜对紫外光的反射率比海水高1.2-1.8倍；z蓝光波段，油膜反射率较海水高；z当油膜厚度0.3mm时，其比辐射率为0.95-0.98,海水为0.993;z油膜比海水的后向散射系数小得多；7.1水环境遥感三、水质遥感监测3、石油污染遥感监测石油污染在微波影像上的反映7.1水环境遥感三、水质遥感监测4、遥感与油气勘探GASoil陆地油气遥感海洋油气遥感GASoil7.1水环境遥感三、水质遥感监测5、废水污染遥感监测工业废水反射波谱特征太湖“水华”污染监测2007年3月28日（水华面积25.48km2,占湖面1.09%)2007年4-5月（水华面积766km2,占湖面1/3)水华7.1水环境遥感三、水质遥感监测6、热污染遥感监测热图像(thermalimage):利用热红外扫描仪所获取的遥感影像。7.1水环境遥感三、水质遥感监测6、热污染遥感监测Hudson河（1988年）热图像HudsonRiverhotwater发电厂热图像(thermalimage):利用热红外扫描仪所获取的遥感影像。7.1水环境遥感四、海洋水色遥感z海洋水色遥感：利用遥感方法测量与海洋水色有关的参数以及其它相关信息的方法技术；z离水辐射率：透射入水的辐射能经水体中的物质（水分子、浮游生物、悬浮物等）散射后离开水面反射出来的辐射；z海洋水色决定因素：叶绿素、悬浮物、黄色物质、污染物；z“海窗”：水色遥感本质为可见光遥感，蓝色波段因其透水性好，称为“海窗”。2分钟（卫星测量）与10年（船以10节的速度测量）7.1水环境遥感四、海洋水色遥感澳大利亚的Tasmania岛浮游动植物分布（红色）ThisimageshowstheChlorophyll-aConcentrationextractedfromAquaMODISofDecember26,2007at06:46GMTintheSoutheastAsianregion.Theorange-yellowcolorrepresentstheestimatedhighChlorophyll-aConcentration,whiletheblueishisrelatedtothelowerconcentration.Thegraycoveristhecloudmask.7.1水环境遥感四、海洋水色遥感islandreefsintheGreatBarrierReefofnortheastAustralia7.1水环境遥感四、海洋水色遥感7.1水环境遥感四、海洋水色遥感海洋水色遥感研究日本海海周围的洋流模式第七章遥感在环境科学研究中的应用z水环境遥感z大气环境遥感z生态环境遥感z灾害遥感7.2大气环境遥感一、大气环境遥感研究内容z大气的成分（干洁气体、水气、气溶胶）与分布；z大气的物理特性（大气分层、气压、密度、湿度）；z大气污染与重要污染物。7.2大气环境遥感二、大气环境遥感的基本概念1、大气遥感技术分类z掩星z散射z发射7.2大气环境遥感二、大气环境遥感的基本概念太阳传感器卫星传感器z掩星技术：已知特征信号通过大气的一部分时，由于大气作用发生变化，通过对这种变化的研究大气特征。1、大气遥感技术分类7.2大气环境遥感二、大气环境遥感的基本概念太阳传感器卫星传感器z散射测量技术：测量辐射源进入大气层后的散射波特征。1、大气遥感技术分类7.2大气环境遥感二、大气环境遥感的基本概念传感器z发射技术：辐射源为大气本身的辐射。1、大气遥感技术分类第七章遥感在环境科学研究中的应用z水环境遥感z大气环境遥感z生态环境遥感z灾害遥感7.3生态环境遥感z自然生态环境遥感z城市生态环境遥感7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感z土地利用/土地覆盖z植被z湿地z荒漠化z水土流失7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感(一）土地利用/土地覆盖遥感土地覆盖:陆地表层和近表层的自然状况（有什么？）土地利用：人类在地表的生产、生活行为（做什么？）1、基本概念7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（一）土地利用/土地覆盖遥感zNOAA/AVHRRzLandsat/TMzSPOTzIKONOCzQuickbird2、遥感数据来源7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（一）土地利用/土地覆盖遥感z基于像元光谱特征的分类方法（监督与非监督分类）z地学知识+遥感影像的分类z遥感+GIS信息提取与分类3、分类方法1987TM342遥感图像荒漠化分布图1996TM342遥感图像荒漠化分布图从1987年到2000年荒漠化面积和程度都在逐步加深廊坊市研究区CBERS-02星CCD影像土地利用分类图山西土地资源现状7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理叶绿素a的吸收峰：0.43和0.66mm.叶绿素b的吸收峰：0.45和0.65mm.最佳叶绿素吸收窗口：0.45-0.52mm和0.63-0.69mm0.250.30.350.40.450.50.550.60.650.7violetbluegreenyellowredAbsorptionEfficiencyChlorophyllaChlorophyllba.Wavelength,μmAbsorptionSpectraofChlorophyllaandb7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理水吸收波段:0.97mm1.19mm1.45mm1.94mm2.70mm决定叶面反射率的主要因素不同叶面损坏率对应的反射波谱曲线Figure5.SpectralReflectanceCurvesforVariousVegetationinRaub(Azhar,1993)7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理吸收区透射区反射区叶的反射与吸收7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理不同时期叶片的光谱特征7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理植被冠层的波谱特征7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理植被冠层的波谱特征冠层的组成冠层的结构光的照射特征实际表面朗伯面7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理叶子含水量对波谱的影响7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理不同植被的波谱特征7.3生态环境遥感一、自然生态环境遥感（二）植被遥感1、植被遥感原理植被的光谱特征决定因素：z植被类型、生长时期、含水量z冠层的组织、结构7.3生态环境遥感一、