水體監(jiān)測遙感的原理與應(yīng)用

1、水體監(jiān)測遙感的原理與應(yīng)用摘要：如今，遙感技術(shù)日漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也越加廣泛，諸如航天，航空，航海，資源監(jiān)測， 地形地貌勘探等等方面都充分利用了遙感技術(shù)。而隨著科技的發(fā)展，我們的環(huán)境尤其是水體 環(huán)境受到了嚴(yán)重的負(fù)面影響，現(xiàn)在利用更高科技進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測的計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng)，所以有必要 對水體檢測遙感做一些具體的分析，來加深對遙感的認(rèn)識(shí)。本文將簡明的闡述水體遙感的基 本原理，并以步魯盧斯湖為例較為具體的敘述水體遙感的全過程，以求今后可以更好地了解 和利用這一先進(jìn)技術(shù)。正文：一.水體遙感基本原理與大多數(shù)遙感類似，水體遙感也是利用發(fā)射源發(fā)射出一定波長和頻率的電磁波，利用一 定的接收裝置接收水中或表面物體吸收，折射

2、或反射的電磁波，而后進(jìn)行定性或定量分析的 過程。圖1中表示的便是遙感的全過程?？梢园l(fā)現(xiàn)，遙感全過程中，電磁波起到了關(guān)鍵性的 作用。TtJ日描贈(zèng)9i皿波.波 長J 一 一一 一X射雄1小于】()r pmlO-IQ-3 pm10隊(duì)口踮g可地光0?6 pm&施ft紅Or43 jrnQ, 430,47Ch 47 由 50 jpm0. 50 thjjm0M占 立 59s59*0- 62 pn 0 62 隊(duì) 76 ptti墳外波段g 邛1近燈外疝外屈遠(yuǎn)紅外0. 763 “ni3$ pm6 15 pm 151 0Q0 jjmn微1 mm1 m無城噌被1.電磁波的選擇:1表一聊1 id m1G3 000 m

3、大于3 000 Eft圖1現(xiàn)代遙感中廣泛應(yīng)用的電磁波有：紫外線，可見光，紅外線，微波及多光譜（紅外與可 見之間的細(xì)分后的波段）。我們需要根據(jù)不同波段的特點(diǎn)及需求選擇不同的電磁波。例如紫 外光的波長在0.01-0.4 m之間，且具有較強(qiáng)的熒光性，大部分地物對此波段反差較小，僅 部分地物（如石油）可在此波段表現(xiàn)出來，故可將紫外線用于石油勘測等方面。又如波長在 0.76p m-1mm之間的紅外線，它的波段寬，在此波段，地物間不同的反射特性和發(fā)射特性都 可以很好地表現(xiàn)出來，所以紅外線被廣泛應(yīng)用與成像的遙感。本文討論的水體監(jiān)測利用的正 是紅外遙感。表一中還列舉了其他電磁波的波長，我們可以充分利用不同波的

4、特性進(jìn)行不同 的探測，這里便不再一一列舉了。2. 電磁輻射；a.物體的發(fā)射輻射；溫度高于0K的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力，而物體的電磁波發(fā)射能力主要與溫 度有關(guān)按照普朗克用量子理論的推導(dǎo)，波譜輻射的通量密度M （單位面積上所接受的輻射能 量）與溫度的關(guān)系如下：”5(4)XckT r/式中M波譜輻射通量密度；入波長；h普朗克常數(shù)；c光速；k玻爾茲曼常數(shù)；T絕對溫度。由上式可以畫出波譜輻射曲線（波譜輻射通量密度與溫度和波長的關(guān)系），如圖2所示:我們不難發(fā)現(xiàn)：與圖中曲線下的面積成正比的總輻射通量密度W為隨溫度的增加而迅速增加；波譜輻射能量密度的峰值波長入max隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)；每條曲線

5、彼此互不相交，溫度T越高，所有波長上的波譜輻射通量密度也越大。于是，利用這三條非常好的性質(zhì)，在進(jìn)行水體遙感的時(shí)候，我們可以通過改變溫度并跟 蹤監(jiān)測不同區(qū)域甚至是不同的兩點(diǎn)的最大波譜輻射通量密度也即輻射能，來得到物體發(fā)射電 磁波的波長，而后綜合利用以上獲得的數(shù)據(jù)和不同物體發(fā)射的波長特性進(jìn)行定性定量分析， 以期得到精確的檢測結(jié)果。b.地物的反射輻射很容易理解的一點(diǎn)是:入射到物體表面的電磁波與物體之間將主要發(fā)生三種作用：反射， 吸收和透射，顯然，不同地物對電磁波的反射，吸收和透射的能力是不同的，即物體有反射 波譜特性，所以在遙感中可以根據(jù)物體反射的電磁波的情況，來判斷物體的信息。常見的反射大致有兩種

6、：鏡面反射和漫反射。I鏡面反射：鏡面反射的電磁波的反射角等于入射角，電磁波的能量主要都集中在反射線上，如圖3 (a)所示。對不透明的物體，物體吸收的能量就等于入射總能量減去反射總能量，因而， 我們可以在海洋監(jiān)測中，利用一些物體的鏡面反射特性，分析出該物體吸收的能量，進(jìn)而判 斷該物體是否是我們要檢測的水體污染物。圖3II漫反射：這是比鏡面反射更加一般的反射類型，這種反射在各個(gè)反射線上都有能量分布，如圖3 (b)所示，且近似相等，故無論從哪個(gè)方向看去，物體表面亮度都相同且有：_ dldA cos 3式中L輻射亮度；e測量方向與法線夾角；A物體表面積；I輻射強(qiáng)度。所以在用a和bI中的方式確定了水體污

7、染物類型后，我們便可以根據(jù)上式來判斷污染 面積，可以看出在已知不同物質(zhì)在不同強(qiáng)度電磁輻射下的亮度后，我們便可以將測得的數(shù)據(jù) 和已知對比，而后測出物質(zhì)的表面積。二.應(yīng)用于水體監(jiān)測的遙感這一部分將以發(fā)表在 “Journal of American Science” 上的“Mapping water quality of Burullus Lagoon using remote sensing and geographic information syste” 為主， 來闡釋遙感是如何具體的應(yīng)用于水體監(jiān)測上的(對其他水體的監(jiān)測情況與此類似)。一般說來，正常的水體有其固定的反射，折射和透射電磁波的強(qiáng)度

8、，而一些混濁物，藻 類和其他的富營養(yǎng)物質(zhì)具有不同于水體的電磁輻射強(qiáng)度，因此當(dāng)水中混合了這些物質(zhì)之后就 會(huì)改變水表面對電磁的反射強(qiáng)度，而這改變了的強(qiáng)度就能被遙感儀器探測到。對步魯盧斯湖 的水體監(jiān)測正是利用了這一原理。步魯盧斯湖被18處遙感監(jiān)測站覆蓋，每個(gè)監(jiān)測站都配有GPS定位系統(tǒng)，水深探測系統(tǒng)， TDS安全監(jiān)測系統(tǒng)和水溫監(jiān)測裝置。監(jiān)測站通過這些裝置對河段進(jìn)行遙感，獲得北側(cè)水域的 水溫，水深，水體表面特征然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。在整個(gè)過程中上述三個(gè)方面即混濁物，藻類 和富營養(yǎng)物質(zhì)是分析重點(diǎn)，我們利用所得數(shù)據(jù)在遙感成像儀器中與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，而后自動(dòng) 生成所測水域的狀態(tài)圖和狀態(tài)表。獲得水體表征圖像后，我們的

9、工作重點(diǎn)便轉(zhuǎn)向?qū)D像和表格的綜合分析。在這分析過程 中，我們主要應(yīng)用的便是一中敘述的電磁原理，經(jīng)過分析，我們得到了不同區(qū)域?qū)?yīng)的不同 亮度和色彩的圖像，并且充分利用對多組數(shù)值的矩陣分析和回歸分析。而后產(chǎn)生了實(shí)際參數(shù) 與水質(zhì)參數(shù)的比值，進(jìn)而我們便確定了水體污染的程度。最后一步是將GIS所獲得的各參數(shù) 遵循電磁輻射原理填入各個(gè)被測區(qū)段，對于每個(gè)參數(shù)，還要在空間分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用插值和 表面分析方法產(chǎn)生等高線圖，而后具有研究價(jià)值的水體物質(zhì)分布圖便生成了。下表為上述研究所得到的數(shù)據(jù)：N-NH3 ppmDRP ppmPb ppmCu ppmCd ppmChl o (a) mg.lTmb.NTUIDS, p

10、pmD O., mg.lTemp.CDepth, m0.3000.0855-0.2040.1110.429*0.0333-0.0431-0.0859-0.206-0.633*O.UO*Bl0.382*0.0137-0.04840.1900.361*-0-0858-0.208Cl.204-0.12S-0.443*0.200B20.363*0.0271-0.2140.1S60.489*0.07120.01820.0671-0.283-0406*0.315B30.164-0.184-0.323-0.209-0.01740.2990.06S4-0.2230.240-0.631*0.354*B4-0-0

11、0250.149-0.3330.2580.453*0.551*0346-0.187-0.2020.06340.214B50.06110.1-0.3890.2760.320*0.516*0.335-0.132-0279-0.0110.280B70.3350.0947-0.1440.1520.447*0.00143-O.OS140.022.2-0.205-0.532*0.364*B1；B20.3110.113-0.1870.1360.465*0.0474-0.00937-0.00128-0.246-0.512*0383*BL塑0.08850.3130.03910345*0.652*0.2500.2

12、49-0.0637-0.287*0.1760.122B1/B4-0.0258-0.2770.0962-0.0184-0.422*-0.173-0.2430.2400.2S3x0.450*-0.520*0354*-0.04040.2150.1690.131-0.296-0.506*0.365*0.132-0.382*0.0129-0.0565-0.238-00659-0.0295-0.320-0.0209-0.01650.1860.1240.531*-0.45*B3/B10.2630.122-0.370*0.1520.564*0.2510.2S5-0.0549jO.437*-0.2710390*

13、B3/B20.205-0.076S-0.03360.03620 0269-0.418*-0.2360.302-0.2250雙-0.0039B3/B4-0.1320.102-0.1550.1040.2810.64S*0.42*-0.2570.06090.1:50.132B4-B2-0.1200.0732-0.1110.1090.2520.626*0.413*-0.2530.1150.1610.094B4-B30.2390.0585-0.461*0.2550.518*0.3260.1970.0319-0.344*-0.1850.259B7/B5表二(* 誤差0.05, *誤差0.01, *誤差0.

14、001.)以下各圖為遙感分析后所得的步魯盧斯湖的污染情況圖:|伽.伽葉綠素（水藻）分布狀態(tài)圖混濁物分布狀態(tài)圖N (營養(yǎng)物質(zhì))分布狀態(tài)圖水溫狀態(tài)圖圖中不同區(qū)域不同的顏色是根據(jù)一中所述的原理而得到的，例如在混濁物分布狀態(tài)圖中 某一區(qū)域的顏色就代表了該區(qū)域的波譜輻射通量密度，而不同的波譜輻射通量密度對應(yīng)了不 同的物質(zhì)或者同種物質(zhì)的不同密度狀態(tài)，至于圖中某一顏色區(qū)域面積的確定則是由反射的電 磁波的強(qiáng)度，波長相似度來確定的。綜合一二所述內(nèi)容便是完整的水體監(jiān)測遙感的原理和基本過程。展望：正如文章摘要中所述，我們需要深入的了解遙感這項(xiàng)新興技術(shù)，而且我們更需要不斷的 去探索這項(xiàng)技術(shù)。在水體監(jiān)測中，我們是否可以繼續(xù)提高成像的分辨率，是否可以更加細(xì)化 波譜分布，是否可以用更精確的儀器去分析實(shí)際的數(shù)據(jù)？我想這些問題都應(yīng)該給予肯定地回di答。我想：今后我們需要探索出更容易定量分析的方式。而不是像式二= 7dA cos p所給出的用亮度這樣一個(gè)難以定量的物理量來測定水體污染的區(qū)域面積，總之，今后的遙感 將會(huì)也應(yīng)該向著更加精確的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)：遙感原理與應(yīng)用