遥感地学分析第2章水环境遥感4

❖ 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。
• 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。
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•2.2 水环境遥感物理机理
v 3）水体辐射传输过程及构成
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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。
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•2.2水环境遥感物理机理
v 3）水体辐射传输过程及构成
•遥感器接收到的光包括天空散射光、水 面反射光和水中光
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2.1 水环境概述-理化性质2
v 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
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2.1 水环境概述-水体污染3
v 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。
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。
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•2.2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。
§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。
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•2.2 水环境遥感物理机理
2）水体及其组分的光学特性
v 就是指它们的吸收和散射特性。 v 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
v 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。
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2.1 水环境概述
v 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。
v 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-物质组成1
v 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。
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2.1 水环境概述-水体污染3
v 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
遥感地学分析第2章水环 境遥感4
2020/12/20
遥感地学分析第2章水环境遥感4
主要内容
•1 •水环境概述 •2 •水体的光谱特征 •3 •水资源遥感 •4 •水污染遥感
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2.1 水环境概述
v 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。
achl=Cchl*a’chl
v 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）。
v 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。
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•2.2 水环境遥感物理机理
遥感地学分析第2章水环境遥感4
•2.2 水环境遥感物理机理
（2）浮游植物的吸收和散射特性 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。
v 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。
v 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：
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。
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•2.2 水环境遥感物理机理
（1）纯水的吸收和散射性
就是指含水分子自身及一些可溶性盐无其他物质。 v 吸收系数：水体的吸收能量与入射能量的比值。 v 纯水光谱吸收特性：
（3）悬浮物的吸收和散射特性
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。
v 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。
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•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：
§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。 v 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；
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2.1 水环境概述-物质组成1
v 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。
遥感地学分析第2章水环境遥感4
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•2.2水环境遥感物理机理
§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。
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v 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。
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2.1 水环境概述-理化性质2
v 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）
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•2.2 水体的光谱特征
v 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。
v 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。
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。
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•2.2 水环境遥感物理机理
（4）黄色物质的吸收和散射特性 ▪ 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
•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。
•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
（2）浮游植物的吸收和散射特性 v 浮游植物散射光谱特征和叶绿素的光谱特征相似。