第八章水質遙感2

1、第五章第五章 水質遙感水質遙感第五章第五章 水質遙感水質遙感n第一節(jié)第一節(jié) 緒言緒言n第二節(jié)第二節(jié) 水體的光譜特征及其雜質的影響水體的光譜特征及其雜質的影響n第三節(jié)第三節(jié) 出水輻射反射率的獲取出水輻射反射率的獲取n第四節(jié)第四節(jié) 水質遙感模型水質遙感模型n第五節(jié)第五節(jié) 混濁度及綜合污染濃度的確提取混濁度及綜合污染濃度的確提取n第六節(jié)第六節(jié) 水深的估算水深的估算n第七節(jié)第七節(jié) 存在問題討論存在問題討論第一節(jié) 緒 言n水質遙感意義n水質遙感研究現狀n定量水質遙感的思路水質遙感意義優(yōu)勢：宏觀、快速、客觀n環(huán)境監(jiān)測n初級生產力調查n漁業(yè)水質遙感研究現狀n水質定量遙感以經驗公式為主：利用某波段或波段的組合

2、與某中成份的相關性，通過觀測數據，建立二者的經驗公式。定量水質遙感的思路n從水水體輻射傳輸的物理機制入手，根據物理定律建立遙感信息模型，才參真正達到定量的結果。第二節(jié)第二節(jié) 水體的光譜特征及其水體的光譜特征及其雜質的影響雜質的影響5.2.1 水體的輻射傳輸過程水體的輻射傳輸過程5.2.2 清潔水的光譜特征清潔水的光譜特征5.2.3 水深及底質反射率的影響水深及底質反射率的影響5.2.4 懸浮泥沙的影響懸浮泥沙的影響5.2.5 工業(yè)污染、生活污染水的影響工業(yè)污染、生活污染水的影響5.2.6 葉綠素、富營養(yǎng)化葉綠素、富營養(yǎng)化4.2.1 水體的輻射傳輸過程水體的輻射傳輸過程及其特點及其特點n入射光入

3、射光n鏡面反射光鏡面反射光n水的折射水的折射n水體散射光水體散射光n水底反射光水底反射光水體光譜組成示意圖水體光譜組成示意圖S水面水面水底水底傳感器傳感器太陽直射光太陽直射光水底反射光水底反射光水體散射光水體散射光天空散射光天空散射光水面反射光水面反射光1. 入射光入射光n太陽直射光n天空漫射光S水面水面水底水底太陽直射光太陽直射光天空散射光天空散射光太陽直射光n平行光平行光n較強，受大氣吸收和散射而有所削弱較強，受大氣吸收和散射而有所削弱n光譜組成與太陽表面溫度、大氣吸收有關光譜組成與太陽表面溫度、大氣吸收有關天空漫射光n來自大氣散射，隨大氣狀態(tài)而變來自大氣散射，隨大氣狀態(tài)而變n來自半球空間

4、來自半球空間n光譜組成與氣溶膠粒度和含量有關光譜組成與氣溶膠粒度和含量有關n較弱，強度與光譜組成變化大較弱，強度與光譜組成變化大大氣散射率曲線00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008350415480545610675740805870935100010651130119512601325139014552. 鏡面反射光鏡面反射光n微觀尺度上，水面為非常平滑的表面，宏觀上可看作微觀尺度上，水面為非常平滑的表面，宏觀上可看作由無數光滑小面組成的起伏曲面，故會發(fā)生鏡面反射。由無數光滑小面組成的起伏曲面，故會發(fā)生鏡面反射。n當有風浪時，鏡面反射會向所有方向擴

5、散并有一部分當有風浪時，鏡面反射會向所有方向擴散并有一部分進入傳感器。實際情況中，完全沒有浪的情況極小。進入傳感器。實際情況中，完全沒有浪的情況極小。n因水反射率極低，而鏡面反射很強，很容易接近甚至因水反射率極低，而鏡面反射很強，很容易接近甚至超過正常水反射率的量級，故不應被忽略。超過正常水反射率的量級，故不應被忽略。n鏡面反射結果：鏡面反射結果：a.使水面反射率增大使水面反射率增大 b.使進行入水中的入射輻照度減小使進行入水中的入射輻照度減小 鏡面反射能量沒有水質信息，對水質遙感屬干擾信息。鏡面反射能量沒有水質信息，對水質遙感屬干擾信息。原始水體光譜原始水體光譜(同一測點）同一測點）90度水

6、面光譜曲線00.010.020.030.040.050.063504966427889341080122613721518166418101956210222482394Lsw_141Lsw_142Lsw_143Lsw_144Lsw_145Lsw_146Lsw_147Lsw_148Lsw_149Lsw_150Lsw_151Lsw_152Lsw_153Lsw_154Lsw_155Lsw_156Lsw_157Lsw_158Lsw_159Lsw_160水面鏡面反射光水面鏡面反射光n水面對太陽直射光的鏡面反射水面對太陽直射光的鏡面反射n水面對天空漫射光的鏡面反射水面對天空漫射光的鏡面反射水面對太陽直射

7、光的鏡面反射水面對太陽直射光的鏡面反射n來自水面對太陽直射光的鏡面反射來自水面對太陽直射光的鏡面反射太陽耀斑太陽耀斑n由于水面的波動而部分進行傳感器，與水面粗由于水面的波動而部分進行傳感器，與水面粗糙度有關糙度有關,且變化快且變化快n與波長基本無關，其光譜組成與太陽光譜相同，與波長基本無關，其光譜組成與太陽光譜相同，個波段的反射率相似個波段的反射率相似鏡面反射率及其特點鏡面反射率及其特點太陽耀斑-0.1-0.0500.035043952861770679588497310621151124013291418150715961685177418631952204121302

8、21923082397太陽耀斑不同波長鏡面反射率近相等不同波長鏡面反射率近相等同點高反射曲線減最低反射率曲線，得兩次測量鏡面反同點高反射曲線減最低反射率曲線，得兩次測量鏡面反射輻亮度之差，除以太陽光譜得鏡面反射率：射輻亮度之差，除以太陽光譜得鏡面反射率：n鏡面反射率一般約為：鏡面反射率一般約為：=0.06水面對天空漫射光的鏡面反射水面對天空漫射光的鏡面反射n來自水面對天空光的鏡面反射來自水面對天空光的鏡面反射n光源來自半球空間光源來自半球空間n不但與波長基本無關，且水面粗糙度的影響較不但與波長基本無關，且水面粗糙度的影響較小小,其反射率變化不大其反射率變化不大,可視為一定值可視為一定值.n其光

9、譜組成與天空散射光相似其光譜組成與天空散射光相似 天空光鏡面反射率的獲取天空光鏡面反射率的獲取n天空光來自半球方面，可視為定值天空光來自半球方面，可視為定值n取多次短時積分測量所得反射率最低的曲線，取多次短時積分測量所得反射率最低的曲線，其水面對太陽直射光的反射進行入鏡頭的光強其水面對太陽直射光的反射進行入鏡頭的光強近于零近于零n紅外波段正常水體出水光譜為零，不為零之處紅外波段正常水體出水光譜為零，不為零之處為對天空光的反射。故根據紅外波段的反射率為對天空光的反射。故根據紅外波段的反射率可求天空光的反射率可求天空光的反射率天空光鏡面反射率天空光鏡面反射率r800.010.020.030.040

10、.05940955970985100010151030104510601075109011051120113511501165118011951210122512401255127012851300131513301345r1r1r2r211601330nm波段的反射率為天空光鏡面反射率，其值約為：波段的反射率為天空光鏡面反射率，其值約為：2%3. 水的折射水的折射irt5. 水底反射光n總有一部分光穿透水體到過水底，然后又有一部分被總有一部分光穿透水體到過水底，然后又有一部分被水體反射，再向上穿過水體射向大氣，被傳感器所接水體反射，再向上穿過水體射向大氣，被傳感器所接收，為水體反射光收，為水

11、體反射光n這部分反射光除了與水散射、吸收性質有關外，更取這部分反射光除了與水散射、吸收性質有關外，更取決于水深、水體底質反射率，是水深和底質遙感的基決于水深、水體底質反射率，是水深和底質遙感的基礎礎n當水深不大時，水底反射光必須另以考慮。但當水深當水深不大時，水底反射光必須另以考慮。但當水深較大（一般大于較大（一般大于5米），水底反射光可以忽略米），水底反射光可以忽略5.2.2 清潔水的光譜特征n1. 清潔水體反射率2. 水體的散射特征水體的散射特征3. 清潔水的吸收率清潔水的吸收率4.2.3 懸浮泥沙的影響懸浮泥沙的影響n懸浮泥沙影響主要是散射，其次為吸收懸浮泥沙影響主要是散射，其次為吸收n

12、散射使水體反射率升高，且在紅光波段增幅較大，且散射使水體反射率升高，且在紅光波段增幅較大，且濁水的反射峰現現在更長的波段上：濁水的反射峰現現在更長的波段上：0.7um。原因。原因是泥沙的光譜在該波段有較高的反射率是泥沙的光譜在該波段有較高的反射率n0.6-0.7um波段的反射率幾乎與水體混濁度呈線性波段的反射率幾乎與水體混濁度呈線性相關相關散射散射n因懸浮泥沙的尺度相當或大于氣溶膠中的沙塵，故其因懸浮泥沙的尺度相當或大于氣溶膠中的沙塵，故其散射性質為米散射散射性質為米散射n散射率及散射相函數通過測量得到，亦可通過遙感數散射率及散射相函數通過測量得到，亦可通過遙感數據進行估算據進行估算吸收吸收n

13、因懸浮泥沙的尺度較大，其粒子吸收截面為：因懸浮泥沙的尺度較大，其粒子吸收截面為：1n吸收率吸收率=1-反射率反射率5.2.4 水深及底質反射率的影響水深及底質反射率的影響5.2.5 工業(yè)污染、生活污染水的影工業(yè)污染、生活污染水的影響響n污染物主要為化學物質或有機化學物質n對光譜的影響主要是使水體反射率顯著降低，在可見光波段優(yōu)其明顯。即是使水的吸收率變大。5.2.6 葉綠素、富營養(yǎng)化葉綠素、富營養(yǎng)化n葉綠素增加時，由于光合作用，水反射率在蘭光波段葉綠素增加時，由于光合作用，水反射率在蘭光波段顯著下降，在綠光波段則上升。即水中葉綠素使水在顯著下降，在綠光波段則上升。即水中葉綠素使水在蘭光波段的吸收

14、率上升，在綠光波段則使反射率上升。蘭光波段的吸收率上升，在綠光波段則使反射率上升。n當水面有較多的藻類生長時，水體光譜中是植被光譜當水面有較多的藻類生長時，水體光譜中是植被光譜與水體光譜的混合，具有植被光譜的特點：可見光波與水體光譜的混合，具有植被光譜的特點：可見光波段反射率，短波近紅外波段反射率急增。段反射率，短波近紅外波段反射率急增。第三節(jié)第三節(jié) 出水輻射反射率的獲出水輻射反射率的獲取取n4.3.1 輻射定標輻射定標n4.3.2 大氣校正大氣校正n4.3.3 鏡面反射影響的消除鏡面反射影響的消除5.3.3 鏡面反射影響的消除鏡面反射影響的消除n由于鏡面反射的影響，水面反射輻射由出水反射輻射

15、和鏡面反射輻射兩部分組成，相應的反射率為：mwswowRTRR)1 (wswsT 出水反射率； 為鏡面反射率； 為水面透過率，表征水面鏡面反射對入射光的削減，由下計算 woRmRwsT 為水面各方向太陽鏡面反射率的平均，通常取 ws06. 0ws水面鏡面反射比 與波長無關。對紅外波段的TM5和TM7，水為強吸收， 基本為零，故 ，因此每個波段減去TM5計算的反射率 可得到出水反射率 , 即 mRwoRmRTM 55TMR woRwsTMwwoRRR15第四節(jié)第四節(jié) 混濁度及綜合污染濃度的確混濁度及綜合污染濃度的確提取提取4.4.1 水體輻射傳輸方程水體輻射傳輸方程4.4.2近似條件下方程的簡化

16、近似條件下方程的簡化4.4.3水吸收、散射參數水吸收、散射參數4.4.4相關參數的獲取相關參數的獲取4.4.5混濁度及綜合污染濃度的計算混濁度及綜合污染濃度的計算4.4.1 水體輻射傳輸方程水體輻射傳輸方程水的反射光譜來自水分子和水中懸浮顆粒物的散射光水的反射光譜來自水分子和水中懸浮顆粒物的散射光 和水底反射光和水底反射光 。即。即 wsR gR gwswoRRR一般情況下，葉綠素等其它物質因含量有限而影響不大。污染物主要來自工業(yè)污染和生活污水，污染源眾多，并經充分混合，導致光譜特征較為均一。如只考慮污染物和懸浮泥沙的影響，水深為如只考慮污染物和懸浮泥沙的影響，水深為h h處的薄層水處的薄層水

17、的散射對水面出射光的貢獻為：的散射對水面出射光的貢獻為： heFdLcos1104其中：其中： 水深水深 ； 為水體散射系數，是水分子散為水體散射系數，是水分子散射懸浮泥沙散射和污染物散射率之和。射懸浮泥沙散射和污染物散射率之和。 、 、 分別為水分分別為水分子、水中以泥沙為主的懸浮顆粒和水中污染物的散射系數，子、水中以泥沙為主的懸浮顆粒和水中污染物的散射系數， 和和 分別為污染綜合濃度和泥沙渾濁度。分別為污染綜合濃度和泥沙渾濁度。 為水體為水體吸收系數。吸收系數。 、 、 分別為水、水中泥沙和污染物質的吸收系數。分別為水、水中泥沙和污染物質的吸收系數。 為水體中的光入射角；為水體中的光入射角

18、； 為水層垂向上的散射角，其值為為水層垂向上的散射角，其值為 ； 為水層垂向上的散射比。為水層垂向上的散射比。 huusswDDwsuuDsDuusswDDwsu180 考慮折射時：考慮折射時：)/(sinwsnarc為太陽天頂角為太陽天頂角水折射率水折射率swn水層垂向上的散射比 ： uuussswwPDPDP uP sP wP 、 和 分別為水分子、懸浮泥沙和污染物質的散射相函數整層水體散射反射率： HhwsedhdLFRcos11001cos114)(cos)(整層水體散射反射率為：整層水體散射反射率為：水底反射光為：水底反射光為： HbgeRRcos11 HbHeReR14出水反射率為

19、：出水反射率為： H為水深為水深 bR為底質反射率為底質反射率 1cos14.4.2近似條件下方程的簡化近似條件下方程的簡化n河口地區(qū)污染較嚴重，一般的水域（水深2m），到達水面的水底反射光極其微弱，可以忽略，其效果等同過水深極大。即，上式右邊指數部分趨于0，上式簡化為： uusswuusswuuussswwwoDDDDPDPDPR4n水中污染物以化學污染物質為主，對水光譜的影響以吸水中污染物以化學污染物質為主，對水光譜的影響以吸收為主，對水體散射性質影響不大；懸浮泥沙正好相反，收為主，對水體散射性質影響不大；懸浮泥沙正好相反，其對水體光譜的影響以散射為。忽略污染物的散射、懸其對水體光譜的影響

20、以散射為。忽略污染物的散射、懸浮泥沙的吸收作用，則上式可以進一步簡化為：浮泥沙的吸收作用，則上式可以進一步簡化為： sswuuwssswwwoDDPDPR4未知數只有污染濃度和泥沙渾濁度未知數只有污染濃度和泥沙渾濁度D Du和和D Ds，將兩個波段的，將兩個波段的遙感數據代入，即可得到一個二元一次方程組，解之可求遙感數據代入，即可得到一個二元一次方程組，解之可求D Du和和D Ds4.4.3 水吸收、散射參數水吸收、散射參數nM.Zhang, K.CarderM.Zhang, K.Carder等人測定的開闊海水的吸收、散射等人測定的開闊海水的吸收、散射參數參數9 9 ：nm1mw1310mwTM4855606601230.02160.06630.411.6510.8880.430 海水吸收、散射參數 忽略折射的影響，垂直向上的散射角為118，散射相函數為 022. 1118 wP0191. 0118 sP污染物吸收系數和懸浮泥沙散射參數的確污染物吸收系數和懸浮泥沙散射參數的確定定 n污染物吸收率和泥沙散射率可以從圖像典型樣區(qū)根據象元反射率計算其相對值，之后用實測數據對算出的相對濃度值進行標定 TM4855606601230.12380.28700.55670.09650.75927.42581mu1ms參照點綜合污染物相對吸收系數和懸浮泥沙的相對散射率混濁