第二章水环境遥感.ppt

,第2章 水环境遥感,遥感地学分析课程小组编写,Geography Analysis for Remote Sensing,遥感地学分析,内容提要,2.1 水体的光谱特性 2.2 水资源遥感 2.3 水体污染监测 2.3.1 内陆水体污染遥感监测 2.3.2 海洋污染遥感监测,遥感地学分析课程编写小组,2.1 水体的光谱特性,从水体中得到的遥感光谱信号是多种信号的复合体，它包括了大气散射及水面、水底的反射以及水体中多种综合因素的散射辐射。波长为的遥感光谱信号的传播过程如下图所示 ：,遥感地学分析课程编写小组,2.1 水体的光谱特性,遥感地学分析课程编写小组,由高度为Z的传感器接受到的遥感光谱信号L可用下式表示：,2.1 水体的光谱特性,遥感地学分析课程编写小组,上图和上式可以看出，由于水体的透光性和水面的反射性，由传感器接受到的水体遥感光谱信号包含了来自大气、水面、水体以及水底各个不同层次的光谱信号，是一个经过了叠加的综合信号。包括了水体中叶绿素的光谱信号、悬浮泥沙、污染物、流场等的光谱信号。水体遥感是复杂的。,2.1 水体的光谱特性,遥感地学分析课程编写小组,2.1 水体的光谱特性,纯水在 400 1100 nm之间的吸收和散射特性,遥感地学分析课程编写小组,上图为纯水在400-1100nm之间分辨率为1nm的吸收和散射特性。 然而,就多种传感器的表面水质监测而言,还必须知道波谱段探测信号的反演能力。因为适当的波段划分,选择和组合会带来许多优点:减少数据的选择过程,优化波段组合算法,并减少多波段组合引起的噪声影响等。 水中某些成分对波谱信号的散射远远大于水分子本身对波谱信号的散射。不同水质呈现出不同的光谱特性。,2.1 水体的光谱特性,遥感地学分析课程编写小组,不同叶绿素含量水体的反射光谱曲线,2.1 水体的光谱特性,遥感地学分析课程编写小组,不同泥沙含量水体的反射光谱曲线,2.1 水体的光谱特性,遥感地学分析课程编写小组,2.2 水资源遥感,水体遥感原理 水既可以吸收也可以散射通过水汽界面的波谱辐射能量 (Ed)，但水的散射会增加天空辐射能量(Eu)，而水的吸收则会同时减少 Ed和 Eu。遥感探测的波谱信息就是这种吸收和散射过程综合作用的结果。,遥感地学分析课程编写小组,2.2 水资源遥感,水体遥感原理 水既可以吸收也可以散射通过水汽界面的波谱辐射能量 (Ed)，但水的散射会增加天空辐射能量(Eu)，而水的吸收则会同时减少 Ed和 Eu。遥感探测的波谱信息就是这种吸收和散射过程综合作用的结果。,遥感地学分析课程编写小组,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。,2.2 水资源遥感,遥感地学分析课程编写小组,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 （2）水深探测 （3）水温探测 （4）径流估算,2.2 水资源遥感,遥感地学分析课程编写小组,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 （2）湖泊演变 （3）河口三角洲演变 （4）海岸带演变,2.2 水资源遥感,遥感地学分析课程编写小组,2001年1月15日FY-1C观测到的渤海海域海冰监测图像,遥感地学分析课程编写小组,2001年2月15日FY- 1C观测到的渤海海域海冰监测图像,遥感地学分析课程编写小组,2.3 水体污染监测,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。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。,遥感地学分析课程编写小组,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。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,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。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,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。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,水质遥感对影像的要求,注：表内数字是指理想值，括弧内的数字是最低限度允许值。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,2.3.1 内陆水体污染遥感监测 内陆水体中决定光谱反射率的污染物质主要有三类： （1）浮游植物，主要是藻类 （2）由浮游植物死亡而产生的有机碎屑以及陆生或湖体底泥经再悬浮而产生的无机悬浮颗粒，总称为非色素悬浮物（以下简称悬浮物） （3）由黄腐酸、腐殖酸组成的溶解性有机物，通常称为黄色物质,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,可以用以下简单模型近似描述各种物质对内陆水体光谱反射率W 的影响: W =(W +S+P) / (W+S+P+Y)； 式中W 为内陆水体反射率，W 、S、P 分别是水、悬浮物和浮游植物的后向散射系数，W、S、P、Y分别是水、悬浮物、浮游植物和黄色物质的吸收系数。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,目前一些学者尝试用航天遥感来监测水污染参数 。 励惠国等通过分析 TM影像上不同水质水体的视反射率特征 ，发现 1-4波段的视反射率 （R1、R2、R3和 R4）对不同的水质比较敏感。利用 R2 / R1 1可以区分出较高悬浮泥沙区域 ，R4/ R3可以作为水体有机污染的指标。以黄河三角洲地区的小清河口为例 ，利用不同时相的 TM影像 ，对水污染的遥感提取进行了尝试 ，得到了小清河口的水污染分布。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,王学军等（2000）利用遥感信息和有限的实地监测数据建立了太湖水质参数预测模型。根据太湖的主要污染体现在水体的富营养化方面这一污染特征 ,并参考监测站的监测参数 ,主要选取 SS(悬浮固体颗粒物)、SD(透明度)、DO(溶解氧)、CODMn(高锰酸盐指数)、BOD5(5日生化需氧量)、TN(总氮)、TP(总磷) 7个监测参数进行分析。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,预测结果：太湖 TP分布等值线图,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,从上图可以看出，太湖水域 TP浓度总体上很高，但分布区域变化很大，东太湖地区的含量值明显偏高，是富营养化严重的地区。靠近无锡和苏州的太湖东北部地区的含量也较高，体现较强的富营养化趋势 。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,2.3 水体污染监测,2.4Water pollution of the Taihu Lake The composed landsat TM 4(R),3(G),and (B) image shown an disaster event which algae blooming in the Taihu lake in Augest,1998. It is clear that a blue green algae belt ,about 20 km long and 2-3 km wide ,stretched along the northwestern part of the lake. Through the water pollution monitoring using satellite remote sensing , the pollution event containing its location, affecting area and scale was clearly discovered in real time. It was shown that there have a lot of work to do for solving the eutrophication problem and managing the water environment in the Taihu Lake.,遥感地学分析课程编写小组,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,2.3.2 海洋污染遥感监测 （1）水体富营养化遥感监测 （2）悬浮固体遥感监测 （3）石油污染遥感监测 （4）废水污染遥感监测 （5）热污染遥感监测,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,（1）水体富营养化遥感监测 当大量的营养盐进入水体后，在一定条件下台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。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0.44m处出现明显的吸收（辐射微弱）；在0.52m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0.55m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。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,全球海洋叶绿素浓度图,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,地中海叶绿素浓度图,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,遥感地学分析课程编写小组,赤潮（学术上称作有害海洋藻类水华）是因海水富营养化加上其它环境条件，海洋浮游植物短期内大量繁殖、聚集而引起海水变色的一种现象，本质也是水体富营养。 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。所以说水体富营养化、赤潮等灾害已成为环境保护中的一个不可低估的环境问题。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,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，借助NOAA卫星或SeaWiFS卫星遥感赤潮的成果，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，展示了HY-1卫星遥感资料在海洋赤潮监测、预警方面的应用能力。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,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，借助NOAA卫星或SeaWiFS卫星遥感赤潮的成果，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，展示了HY-1卫星遥感资料在海洋赤潮监测、预警方面的应用能力。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,（2）悬浮固体遥感监测 悬浮固体的运移特征是沿海河口形状和演变规律的核心问题。了解和掌握河口悬浮固体的来源、含量、分布、运移、沉积，可分析河口演变的动力特征。其作用在于它将直接影响到河口区资源的开发利用、环境变化、经济发展和人民生命财产问题。它是河口区发展决策的重要依据之一。所以用遥感的方法监测悬浮固体是很有必要的。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,（2）悬浮固体遥感监测 悬浮固体的运移特征是沿海河口形状和演变规律的核心问题。了解和掌握河口悬浮固体的来源、含量、分布、运移、沉积，可分析河口演变的动力特征。其作用在于它将直接影响到河口区资源的开发利用、环境变化、经济发展和人民生命财产问题。它是河口区发展决策的重要依据之一。所以用遥感的方法监测悬浮固体是很有必要的。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,不同浑浊度海水中光的衰减（透射波谱）,遥感地学分析课程编写小组,（3）石油污染遥感监测 海上或港口的石油污染是一种常见的水体污染，遥感调查石油污染不仅能发现已知污染区的范围和估算污染石油的含量，而且可追踪污染源。如果污染源是海上油轮，可根据遥感图像追究其法律责任；如果污染源不是来自人类活动，而是海底自然漏油，则可能发现新的油田。遥感技术应用在海上石油污染监测中的应用开始很早。 通过遥感监测及时发现海上泄油事故，得到排油源和油污面积，估算排污量。通过连续监测得到油污的扩散方向和扩散速度。预测其将影响的区域。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,（4）废水污染遥感监测 在沿河、沿海、或者港湾的工业或者是人口密集区，有大量的工业和生活废水排入，这些废水往往是多排污口，多渠道的，有的还是间断性的。用常规方法对这些污染源及入海废水的输移扩散进行整体监测，往往有困难。而遥感则是一种很好的方法。具波谱测定表明，造成水体污染的城市生活废水、工业废水和固体废弃物等，其光谱反射特征有较明显的差异。因此可以利用生活污水、工业废水、受污染水体光谱特征的差异，用遥感手段来探测水体污染状况，并由此监测污染水体的动态变化及其稀释扩散情况。,2.3 水体污染监测,遥感地学分析课程编写小组,（5）热污染遥感监测 电力、钢铁、化学等工业中使用的冷却水，超过允许的热水排放标准而排入江河湖海时，使自然水体的温度上升，引起水体物理、化学和生物过程的变化，就构成了热污染。热污染常使水体中的鱼、虾、蚌、贝大量死亡；引用热污染的水灌溉农田，会影响农作物的生长。应用红外扫描仪记录地物的热辐射能量，能真实地反映地物的温度差异，所获取的遥感图像又称为热图像。在热图像上，热水温度高，发射的能量多，呈浅色调；冷水或冰发射的能量少，呈深色调。,2.3 水体污染监测,