遥感地学分析-第2章_水环境遥感4

遥感地学分析授课人：卢晓宁ChengduUniversityofInformationTechnology成都信息工程学院E-mail：[e-mail]单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院2主要内容2水体的光谱特征3水资源遥感4水污染遥感1水环境概述单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院3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。2.1水环境概述单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院4水环境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、和叶绿素含量的测定，以及污染状况的监测等。2.1水环境概述单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院5水中溶解固体-天然水中八大离子：Cl-，SO4-，HCO3-，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，总量占水中溶解固体的95%以上。•海水以Na+、Cl-占优势•河水以Ca2+、HCO3-占优势。2.1水环境概述-物质组成1单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院6水中微量元素-溴、碘、铜、钴、镍、氟、铁等。河水中，绝大多数微量元素集中在悬浮物中，锰、钍、铅比海水高几十倍海水中，以溶解态形式存在，悬浮态的要比溶解态的低数百倍到数千倍，甚至铬、铅也主要呈溶解态，溴比河水高数千倍，硼比河水高数百倍，锶、碘、氟、锂高几十倍。河水进入海洋，微量元素溶解性发生本质上的分配，微量元素的浓度和比例都发生变化。2.1水环境概述-物质组成1单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院7物理性质温度—水温随季节变化，但月均温低于大气月均温，且各部分温差不大。臭与味—水中臭与味主要来源于水生动植物或微生物的繁殖与衰亡。颜色和色度—有机物分解导致水中颜色浑浊度—水中悬浮物和胶体物质对透水光线的阻碍程度，由泥沙、黏土、有机物导致悬浮物质—主要来自水体所在区域地表电导率—各种无机盐离子使水具有电导率，天然水电导率低，污染水电导率高溶解气体—溶解氧（DO）2.1水环境概述-理化性质2单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院8化学性质天然水是众多元素和化合物的混合液天然水体是一个复杂的氧化还原系统•有利于天然水体的自净过程和元素的迁移转化，但也会产生一些有害的效应天然水体是一个复杂的缓冲溶液系统•对外来酸碱类物质有一定的抵御能力，使天然水PH值保持相对稳定•对保护水生生物的生长繁殖极为有利2.1水环境概述-理化性质2单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院9水体—河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称。环境学领域把水体当作包括水中的悬浮物、溶解物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完整的综合自然体。按区域水体指某一具体的被水覆盖的地段，如太湖、洞庭湖等。按类型陆地水体和海洋水体。2.1水环境概述-水体污染3单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院10水污染分类感官性污染-混浊需氧物质污染-生活污水、食品加工和造纸工业排放的污染导致水难闻无机污染-酸、碱、无机盐类的污染植物营养物质污染-富含氮、磷的废水有毒化学物质污染-农药、重金属油污染-石油、工业废水病原体污染-医院、畜禽饲养场污水放射性污染-核工业，核电站热污染-热电厂的高温废水2.1水环境概述-水体污染3单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院11在可见光波段0.6um之前，水的吸收少、反射率较低、大量透射。其中水面反射率约5%左右，并随着太阳高度角的变化呈3%-10%不等的变化；水中可见光反射包含水表面反射、水体底部物质反射及水中悬浮物质的反射3方面的贡献。2.2水环境遥感物理机理单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院12对于清水（H2O），无任何溶解或悬浮物质：浅层表现为无色，水深为浅蓝色。反射波谱从可见光到近红外波段呈递减的趋势：2.2水环境遥感物理机理1）水的光谱特征由水本身物质组成决定，又受各种水状态影响。•在蓝-绿光波段反射率4%-5%，•0.6um以下的红光部分反射率降到2%-3%，•近红外部分几乎吸收全部的入射能量，因此水体在这两个波段的反射能量很小。在热红外，晚上比陆地地物亮，白天则相反。在微波雷达中回波强度因镜面反射而很小。单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院132.2水环境遥感物理机理对于自然水体，反射波谱受水自身光学特性影响外，还受水体内组分，如浮游生物、叶绿素、泥沙及其他物质的影响，这些不同组分浓度的增加，往往使水体反射率升高。含泥沙的浑浊水体在可见光-近红外整体反射率增加，在红光附近出现反射峰，且增长幅度随悬浮泥沙的浓度与粒径而增加。随泥沙含量增加，峰值波长向长波方向移动，但因其在0.93um处存在近红外的强吸收，峰值波长位置不越过该值。因此，0.6μm~0.7μm左右是定量分析悬浮泥沙的最佳波段之一。单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院14近年我国部分水域遭受不同程度的污染，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（图），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。2.2水体的光谱特征单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院15水体清澈时，对短波的散射能力强，水体影像呈蓝色；水体混浊时，影像呈绿色或黄绿色。水面的反射波谱主要受如下因素决定：纯水及浮游生物或叶绿素、悬浮物、黄色物质等水中组分的光学特性；浅水、清澈水体底质光学特性；日照角度与观测角度；水面的入射辐射；水表面粗糙度；气-水界面的相对折射率。2.2水环境遥感物理机理受水体光谱特征的影响，水体的影像特征表现为：单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院16就是指它们的吸收和散射特性。对水体的反射波谱影响最大的组分：纯水-含水分子自身及一些可溶性盐无其他物质浮游植物-水表层普遍存在的、微小的、自由漂浮的有机体。悬浮物-包含所有浮游植物组分没有包含的无机质，如泥沙、盐类。黄色物质-有色可溶性的有机物质，是一种由腐殖质和棕黄酸构成的有机溶解物质，也包括吸收性与黄色物质非常接近的一些岩屑物质。2.2水环境遥感物理机理2）水体及其组分的光学特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院17就是指含水分子自身及一些可溶性盐无其他物质。吸收系数：水体的吸收能量与入射能量的比值。纯水光谱吸收特性：可见光区，蓝光透射率最大，红光衰减最强；与散射比较，纯水对光的衰减主要由吸收引起。红外光谱区，相对于吸收而言，散射影响可以忽略。由于选择性吸收效应，纯水在750-760nm处吸收达到最大，在其它波段存在若干窄的吸收带。2.2水环境遥感物理机理（1）纯水的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院18散射系数：辐射通过介质时散射所造成的衰减部分占总入射辐射的比例。纯水光谱散射特性：纯水对光的散射源于水分子密度的涨落和极性水分子的取向的不均一性。纯水分子间的相互作用远远大于空气分子间的相互作用；纯水的散射系数与波长的-4.32次方成正比。2.2水环境遥感物理机理（1）纯水的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院19指水表层普遍存在的、微小的、自由漂浮的有机体。是水体中食物网的基础，对全球的碳循环起重要作用。水生环境中的浮游植物有成千上万种，有不同大小、形状和生理特征，并且其种类、浓度随空间和时间的变化而变化。2.2水环境遥感物理机理（2）浮游植物的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院20叶绿素a是浮游植物的主要色素来源，其浓度常被用作浮游植物浓度的一个指标。浮游植物的典型吸收和散射系数都是通过叶绿素a浓度和比吸收系数来估算。比吸收系数是单位浓度的吸收系数，即一定体积水体叶绿素吸收系数与叶绿素a浓度的比值。公式如下：achl=Cchl*a’chlachl为叶绿素吸收系数（m2/mg），Cchl为叶绿素浓度（m3/mg），a’chl为叶绿素比吸收系数（m-1）。浮游植物典型吸收系数值在一个宽的范围里，且依赖于藻类类型及生长状态，故随时间和空间变化。2.2水环境遥感物理机理（2）浮游植物的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院21浮游植物散射光谱特征和叶绿素的光谱特征相似。可见光及近红外波段范围，随浮游植物的含量增加，水体反射率增加；且随浮游植物浓度的增大，反射峰值位置向长波方向移动。在550nm附近有一反射峰，在685nm附近有明显的荧光峰。2.2水环境遥感物理机理（2）浮游植物的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院22指包含有所有浮游植物组分没有包含的无机质。自然因素和人类活动造成的水土流失、河流侵蚀，带入大量的泥沙进入河、湖和海，成为水体中悬浮物的重要来源。吸收特性：随水中悬浮物浓度增加，水在可见光的反射亮度增加，且峰值波长向长波方向移动，且反射峰形态本身变的更宽。散射特性：入水的透射光，对较小的悬浮物颗粒发生瑞利散射，其峰值位于蓝波段；对较大悬浮物颗粒产生米氏散射。2.2水环境遥感物理机理（3）悬浮物的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院23指有色可溶性有机物质，是一种有腐殖质和棕黄酸构成的有机溶解物质，也包括吸收特性与黄色物质非常接近的一些岩屑物质。它可能具有地源性，如来源于浮游植物的退化物质或其他有机微粒，也可能由水流从很远的地方输送而来，如河流经茂密的树林地区，流经富含有机质的土壤，沿途积累了大量的黄色物质。对于水体而言，经较长距离积累的黄色物质的浓度要比当地水体自身产生的黄色物质的浓度要高的多。2.2水环境遥感物理机理（4）黄色物质的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院24吸收特性：黄色物质吸收光谱可表示成指数形式：aCDOM(λ)=aCDOM(λ0)exp(-S(λ0-λ))式中，λ0为参考波长，S为经验系数。一般情况，取λ0=440nm；在开阔水域，考虑到信噪比和自然水体中黄色物质对紫外光的消减，可考虑用350nm或更短的波长。对黄色物质和浮游植物色素吸收的研究，常采用440nm，这是由于黄色物质和浮游植物色素在蓝光处吸收产生重叠的原因。2.2水环境遥感物理机理（4）黄色物质的吸收和散射特性单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院253）水体辐射传输过程及构成2.2水环境遥感物理机理天空散射光—大气程辐射Lp：太阳辐射在大气传输过程中各组分及气溶胶微粒散射后直接到达传感器的辐射。遥感器接收到的光包括天空散射光、水面反射光和水中光水面反射光—水面反射Ls：它的强度与水面状况有关，但除发生镜面反射外，一般仅占到入射光3.5％左右；水中光-离水反射Lw—太阳光经折射和透射进入水中，大部分被水体吸收，部分被水体悬浮泥沙和有机生物散射、反射、衍射，构成水体散射光，与浑浊度呈正相关其中返回水面的部分称后向散射光；部分透过水层，到达水底再反射，构成水底反射光，与水深及水的浑浊度呈负相关水底反射光与后向散射光一起组成水中光（或称离水反射辐射），回到水面再折向空中。单击此处编辑母版标题样式成都信息工程学院资源环境学院263）水体辐射传输过程及构成2.2水环境遥感物理