第八章 水質(zhì)遙感2

地學遙感

第五章水質(zhì)遙感鄧孺孺副教授中山大學地理學院遙感與地理信息工程系第五章水質(zhì)遙感第一節(jié)緒言第二節(jié)水體的光譜特征及其雜質(zhì)的影響第三節(jié)出水輻射反射率的獲取第四節(jié)水質(zhì)遙感模型第五節(jié)混濁度及綜合污染濃度的確提取第六節(jié)水深的估算第七節(jié)存在問題討論第一節(jié)緒言水質(zhì)遙感意義水質(zhì)遙感研究現(xiàn)狀定量水質(zhì)遙感的思路水質(zhì)遙感意義優(yōu)勢：宏觀、快速、客觀環(huán)境監(jiān)測初級生產(chǎn)力調(diào)查漁業(yè)水質(zhì)遙感研究現(xiàn)狀水質(zhì)定量遙感以經(jīng)驗公式為主：利用某波段或波段的組合與某中成份的相關(guān)性，通過觀測數(shù)據(jù)，建立二者的經(jīng)驗公式。定量水質(zhì)遙感的思路從水水體輻射傳輸?shù)奈锢頇C制入手，根據(jù)物理定律建立遙感信息模型，才參真正達到定量的結(jié)果。第二節(jié)水體的光譜特征及其

雜質(zhì)的影響§5.2.1水體的輻射傳輸過程§5.2.2清潔水的光譜特征§5.2.3水深及底質(zhì)反射率的影響§5.2.4懸浮泥沙的影響§5.2.5工業(yè)污染、生活污染水的影響§5.2.6葉綠素、富營養(yǎng)化§4.2.1水體的輻射傳輸過程

及其特點入射光鏡面反射光水的折射水體散射光水底反射光水體光譜組成示意圖水面水底傳感器太陽直射光水底反射光水體散射光天空散射光水面反射光1.入射光太陽直射光天空漫射光水面水底太陽直射光天空散射光太陽直射光平行光較強，受大氣吸收和散射而有所削弱光譜組成與太陽表面溫度、大氣吸收有關(guān)天空漫射光來自大氣散射，隨大氣狀態(tài)而變來自半球空間光譜組成與氣溶膠粒度和含量有關(guān)較弱，強度與光譜組成變化大2.鏡面反射光微觀尺度上，水面為非常平滑的表面，宏觀上可看作由無數(shù)光滑小面組成的起伏曲面，故會發(fā)生鏡面反射。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。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(yīng)被忽略。鏡面反射結(jié)果：a.使水面反射率增大

b.使進行入水中的入射輻照度減小鏡面反射能量沒有水質(zhì)信息，對水質(zhì)遙感屬干擾信息。原始水體光譜(同一測點）水面鏡面反射光水面對太陽直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—太陽耀斑由于水面的波動而部分進行傳感器，與水面粗糙度有關(guān),且變化快與波長基本無關(guān)，其光譜組成與太陽光譜相同，個波段的反射率相似鏡面反射率及其特點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，得兩次測量鏡面反射輻亮度之差，除以太陽光譜得鏡面反射率：鏡面反射率一般約為：ρ=0.06水面對天空漫射光的鏡面反射來自水面對天空光的鏡面反射光源來自半球空間不但與波長基本無關(guān)，且水面粗糙度的影響較小,其反射率變化不大,可視為一定值.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來自半球方面，可視為定值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近于零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(jù)紅外波段的反射率可求天空光的反射率天空光鏡面反射率1160—1330nm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θiθrθt折射定律（斯涅耳Snell定律）表征了入射角與折射角的關(guān)系：

n1sinθi=n2sinθt其中n為折射率。如果界面相對入射波長λ而言非常光滑（λ>>界面粗糙度），則反射是鏡面的。折射率：空氣0.000292水1.33304.水體散射光和大氣一樣，水體也是一種介質(zhì)，光可以大水中傳播。但傳播過程中要發(fā)生散射和吸收而被削弱水體散射光來自水分子和水中雜質(zhì)對入射光的散射，除了與水分的性質(zhì)有關(guān)外，還與水中雜質(zhì)的性質(zhì)和含量有關(guān)，即具有水質(zhì)的信息，是水質(zhì)遙感的基礎(chǔ)。水體散射光中，有一部分向上射出水面進行大氣被為傳感器所接收。這部分光是構(gòu)成水體反射光的主要成分，其輻亮度稱為出水輻射率，其反射率稱為出水反射率。清潔水的散射即水分子散射，散射性質(zhì)為瑞利散射；水中以泥沙為主的懸浮物發(fā)生米散射，甚至幾何光學的反射。5.水底反射光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，被傳感器所接收，為水體反射光這部分反射光除了與水散射、吸收性質(zhì)有關(guān)外，更取決于水深、水體底質(zhì)反射率，是水深和底質(zhì)遙感的基礎(chǔ)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5米），水底反射光可以忽略§5.2.2清潔水的光譜特征1.清潔水體反射率2.水體的散射特征3.清潔水的吸收率§4.2.3懸浮泥沙的影響懸浮泥沙影響主要是散射，其次為吸收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(xiàn)現(xiàn)在更長的波段上：0.7um。原因是泥沙的光譜在該波段有較高的反射率0.6-0.7um波段的反射率幾乎與水體混濁度呈線性相關(guān)散射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(zhì)為米散射散射率及散射相函數(shù)通過測量得到，亦可通過遙感數(shù)據(jù)進行估算吸收因懸浮泥沙的尺度較大，其粒子吸收截面為：1吸收率=1-反射率§5.2.4水深及底質(zhì)反射率的影響§5.2.5工業(yè)污染、生活污染水的影響污染物主要為化學物質(zhì)或有機化學物質(zhì)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?！?.2.6葉綠素、富營養(yǎng)化葉綠素增加時，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蘭光波段的吸收率上升，在綠光波段則使反射率上升。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：可見光波段反射率，短波近紅外波段反射率急增。第三節(jié)出水輻射反射率的獲取§4.3.1輻射定標§4.3.2大氣校正§4.3.3鏡面反射影響的消除§5.3.3鏡面反射影響的消除由于鏡面反射的影響，水面反射輻射由出水反射輻射和鏡面反射輻射兩部分組成，相應(yīng)的反射率為：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

為水面各方向太陽鏡面反射率的平均，通常取

水面鏡面反射比與波長無關(guān)。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

第四節(jié)混濁度及綜合污染濃度的確提取§4.4.1水體輻射傳輸方程§4.4.2近似條件下方程的簡化§4.4.3水吸收、散射參數(shù)§4.4.4相關(guān)參數(shù)的獲取§4.4.5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。即

一般情況下，葉綠素等其它物質(zhì)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(jīng)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h處的薄層水的散射對水面出射光的貢獻為：其中：—水深

；

為水體散射系數(shù)，是水分子散射懸浮泥沙散射和污染物散射率之和。、、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(shù)，和分別為污染綜合濃度和泥沙渾濁度。為水體吸收系數(shù)。、、分別為水、水中泥沙和污染物質(zhì)的吸收系數(shù)。

為水體中的光入射角；為水層垂向上的散射角，其值為；

為水層垂向上的散射比。

考慮折射時：為太陽天頂角水折射率`水層垂向上的散射比：、和分別為水分子、懸浮泥沙和污染物質(zhì)的散射相函數(shù)整層水體散射反射率：整層水體散射反射率為：水底反射光為：

出水反射率為：

為水深

為底質(zhì)反射率

§4.4.2近似條件下方程的簡化河口地區(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(shù)部分趨于0，上式簡化為：

水中污染物以化學污染物質(zhì)為主，對水光譜的影響以吸收為主，對水體散射性質(zhì)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、懸浮泥沙的吸收作用，則上式可以進一步簡化為：

未知數(shù)只有污染濃度和泥沙渾濁度Du和Ds，將兩個波段的遙感數(shù)據(jù)代入，即可得到一個二元一次方程組，解之可求Du和Ds§4.4.3水吸收、散射參數(shù)M.Zhang,K.Carder等人測定的開闊海水的吸收、散射參數(shù)［9］：TM4855606601230.02160.06630.411.6510.8880.430

海水吸收、散射參數(shù)

忽略折射的影響，垂直向上的散射角為118°，散射相函數(shù)為

污染物吸收系數(shù)和懸浮泥沙散射參數(shù)的確定

污染物吸收率和泥沙散射率可以從圖像典型樣區(qū)根據(jù)象元反射率計算其相對值，之后用實測數(shù)據(jù)對算出的相對濃度值進行標定

TM4855606601230.12380.28700.55670.09650.75927.4258參照點綜合污染物相對吸收系數(shù)和懸浮泥沙的相對散射率混濁度及綜合污染濃度的計算處理步驟如下：1．

進行輻射校正和大氣校正得到，水域出水反射率圖像2．

TM1和TM3兩個通道的出水反射率值根據(jù)簡化的水體輻射傳輸方程建立二元一次方程組，解出相對污染濃度和混濁度近似值。3．

將相對污染濃度和混濁度近似值帶入式，計算出二次散射反射率修正值。4．

將二次散射反射率修正值帶入式，計算出修正后的相對污染濃度和混濁度近似值。用實測數(shù)據(jù)進行定標，得到真實綜合污染濃度

第五節(jié)水深的估算遙感水深的信息模型

整層水體反射率為：為水底底質(zhì)反射率,H