第二章水环境遥感
资源环境信息技术：水环境遥感1
例如用TM5图像研究鄱阳湖洪水期和枯水期的水 38 面形状，洪水期湖面好似一只斜放的三角瓶，枯 水期时，湖变成了赣江分支众多的汊道形状。若 收集历年来丰水年、平水年、枯水年及年内洪水 期、中水期、枯水期的图像资料及同步实测的湖 水水位资料，分析历史的水位与面积的关系，做 出水位——面积关系曲线，则可以看出任何时刻 图像上的湖水面积，从曲线上查出湖水位。若从 TM2图像上根据灰度绘出等深线的话，则可根据 深度和面积求出容积，这对研究湖泊、水库的调 洪能力很有意义。
水面面积和流域形状测量的精度与遥感图像的地 面分辨率有关。地面分辨率低，则精度差；地面 分辨率高，则精度高。
水域变化监测
遥感研究长周期的水域历史变迁，主要是依据它40 在遥感图像上所遗留下来的“痕迹”进行识别的。 由于河流、湖泊、海岸等均有其特定的发生发展 规律，有其区别于其它地物的特性，因此尽管经 历了漫长的自然历史过程，发生了很大的变化， 仍有不少特征通过地表水分条件、植物生长状况、 土地利用方式、地貌结构和组合关系等得以不同 程度的保留。在遥感图像上，它们以色调、阴影、 形态、大小、纹理结构等的差异反映出来，由此 可勾绘出它们的变迁轨迹。
流域形状，可利用TM5图像描出河系网络，由TM3 图像勾绘流域分水界线得到。 若在其上面出离 河口的等距线，面积的分布按河段统计，并假定 流域的最大长度和宽度总是以100%计，即可绘成 极其精确的流域分类曲线。这些流域分类曲线俨 如流域的暴雨流量过程线的形式；所以利用遥感 图像研究流域形状分类，对分析径流形成及正确 了解洪水情况（特别是未经研究的河流）来说， 是有用且有效的。
水环境遥感
1
水环境是由地球表层水圈所构成的环境，它包2 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。 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。
环境遥感技术及应用水环境遥感共19页文档
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
水环境遥感监测技术的应用研究
水环境遥感监测技术的应用研究水环境是指自然界中的河流、湖泊、水库、湿地、沿海海域等水体及其周围的环境要素。
由于人类社会的快速发展和人口的增长，水环境的污染与退化问题日益严重，给生态环境和人类健康带来了巨大威胁。
因此，对水环境进行及时、准确的监测是保护水资源、防治水环境污染的重要手段之一、而遥感技术因其能够提供广泛的空间、光谱、时间和极高分辨率的数据，为水环境的监测与评估提供了有效的工具。
首先，水环境遥感技术可以用于水质监测。
水质是指水体中溶解物质、浮游生物、水生植物以及各种营养盐等的含量和组成。
遥感技术能够获取水体的光谱信息，通过反演算法分析，可定量估算水质指标如水体总悬浮物浓度、叶绿素-a浓度、蓝藻浓度等，并结合地理信息系统（GIS）技术进行空间分布分析。
通过对水质指标进行监测和分析，可以及时发现水体的污染源，提供科学依据和数据支持，为水污染防治提供决策依据。
其次，水环境遥感技术可以用于水量监测。
水量是指水体的体积或质量，反映了水体的储量和供应能力。
利用雷达遥感技术，可以测量水体的水位、流速、波浪高度等水动力学过程；利用微波遥感技术，可以获取水体降雨量、蒸发散发等水量变化信息；利用激光雷达遥感技术，可以获取水体表层地形，为水流模拟和水资源管理提供基础数据。
此外，水环境遥感技术还能用于水生态系统监测。
水生态系统是指水环境中各种生物体群和非生物要素之间相互作用、协同发展的一个完整的系统。
遥感技术通过获取水域的生物光谱特征和类群识别信息，可以解决传统调查方式无法覆盖的大范围监测需求。
同时，结合定量遥感数据和地物调查结果，还可以建立水生态系统评价指标体系，对水生态系统的空间分布、生物多样性、生物量、结构特征等进行评估和监测。
综上所述，水环境遥感监测技术能够实现对水质、水量、水生态等关键参数的有效监测与评估，为水资源管理、水污染防治提供数据支持和科学依据。
然而，水环境遥感监测技术仍然存在一些难题和挑战，如遥感数据分辨率和准确性、光谱信息提取和反演算法的研发等，需要不断加强研究与应用，提高数据质量和分析能力，为水环境保护和可持续发展提供更好的支持。
遥感技术应用于水环境监测
遥感技术应用于水环境监测遥感技术是一种通过卫星、航空器和遥感平台等远距离无接触手段获取地球表面信息的技术。
在水环境监测中，遥感技术具有独特的优势和应用前景。
本文将介绍遥感技术在水环境监测中的应用，并探讨其优势和未来发展方向。
一、遥感技术在水质监测中的应用1. 水体传统监测方法的局限性传统的水质监测方法主要依赖于采样、分析和检测等手段，存在取样点有限、数据更新滞后等问题，且无法实现全面的、大范围的监测。
而遥感技术可以通过遥感影像获取水体的空间分布和时序变化信息，能够克服传统监测方法的局限性。
2. 遥感技术在水体富营养化监测中的应用富营养化是目前全球面临的重要水环境问题之一。
通过遥感技术可以获取水体中的蓝藻和浮游植物等生物参数，以及水体中的溶解有机物浓度等信息，可以实现对水体富营养化程度的监测和评估。
3. 遥感技术在水体污染监测中的应用水体污染是另一个需要重视的水环境问题。
遥感技术可以获取水体的反射光谱特征，从而实现对水体中悬浮物、有机物和重金属等污染物的快速监测和评估。
同时，遥感技术还可以通过红外遥感和高光谱遥感等手段，实现对水体中的湖沼水体蓝藻水华等问题的监测。
4. 遥感技术在水体水色监测中的应用水色是水体的一种外观属性，可以反映水体中溶解物质、悬浮物质和藻类等的浓度和组成。
遥感技术可以通过获取水体的遥感影像，提取水色特征参数，从而实现对水体水色的监测和分析。
二、遥感技术在水环境监测中的优势1. 可实现全面、大范围的监测遥感技术可以通过获取遥感影像，覆盖范围广泛，可以实现对较大范围水体的监测，从而获取全面的信息。
2. 高时空分辨率遥感技术可以实现对水体的高时空分辨率监测。
通过卫星遥感和航空摄影等手段，可以获取高分辨率的遥感影像，实现对水体的时序变化和空间分布的精细监测。
3. 监测成本低相比传统的采样、分析和检测等手段，遥感技术的监测成本相对较低。
通过遥感影像可以获取大范围的信息，并且可以实现数据的自动化处理和分析，提高监测效率。
水环境污染遥感监测(共24张PPT)
5.水体富营养化监测
Байду номын сангаас
5 水体富营养化
5.水体富营养化监测
• 水体富营养化：当大量的营养盐进入水体后， 在一定条件下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的溶解氧，从 而导致鱼类和贝类的死亡。
• 反映水体富营养化程度的主要因子是叶绿素 a
• 由于浮游植物体内含的叶绿素对可见光和近 红外波段具有“陡坡效应〞,使那些浮游植物 含量高的水体兼有水体和植物的反射光谱特 征。
学模型 0mg /L,属于重度污染。
国家标准地面水环境质量标准 污染物的排放源、扩散方向、影响范围及与清洁水混和稀释的特点
三、水污染遥感监测方法
• 经验方法：基于遥感波段数据和地面实测数 据的相关性统计分析,选择最优波段或波段组 合数据与地面实测水质参数通过统计分析得 到相关模型,进而反演水质参数。
• 半经验方法：根据机载成像光谱仪或野外各 种光谱仪测量的水体光谱特征,选择估算水质 参数的最正确波段或波段组合,然后选用适宜 的数学方法建立遥感数据和水质参数间的定 量经验性算法。
• 分析方法：代数法、非线性优化法、矩阵反
四、水污染遥感监测分类
1 泥沙污染 2 石油污染 3 废水污染 4 热污染
染源。
异常对水环境化学现象进行分析评价。需要 三、水污染遥感监测方法
水体富营养化：当大量的营养盐进入水体后，在一定条件下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的溶解氧，从而导致鱼 类和贝类的死亡。
了解水环境化学现象与遥感图像的色调之间 在热图像上，热水温度高，反射能量多，呈浅色调；
使用热红外传感器,能根据热效应的差异有效地探测出热污染排放源。
污染分类
?水环境石油类污染遥感识别模式及其应用?黄妙芬等
水环境遥感应用在不同环境
悬浮物指水中呈固体状的不溶解物质，如水中的 各类矿物微粒，含铝、铁、硅水合氧化物等无机 物质，以及腐殖质、蛋白质等有机大分子物质。 水体中悬浮物浓度是最重要的水质参数之一，其 含量直接影响水体透明度、浑浊度、水色等光学 性质。
水体反射率与水体浑浊度之间存在着密切的相关 关系。随着水中悬浮固体浓度的增加，即水的浑 浊度的增加，水体在可见光及近红外波段范围的 反射亮度增加，水体由暗变得越来越亮，同时反 射峰值波长向长波方向移动（红移现象），反射 峰值本身形态变得更宽。
传感器通过探测热
红外辐射强度而得的 是水体亮度温度(辐射 温度)，本应考虑水的 比辐射率，方可得到 水体真实温度(物理温 度)。但实际中，由于 水的比辐射率接近于 1(近似黑体)，在波长 6～14μm 段尤为如此 ，因此往往用所测亮 温表示水体温度。
由于河流、湖泊、海岸等均有其特定的发生发展规律， 有其区别于其他地物的特性，因此尽管经历了漫长的自 然历史过程，发生了很大的变化，仍有不少特征通过地 表水分条件、植物生长状况、土地利用方式、地貌结构 和组合关系等得以不同程度的保留。
获取信息手段多,信息量大。（不同波段，不同数据源） 动态反映事物的变化。（不同时相） 探测范围大,具有宏观性。（覆盖面积） 获取信息的限制条件少。（人类不能到达的地方）
水环境是指自然界中水的形成、分布和转化所处 空间的环境。是指围绕人群空间及可直接或间接 影响人类生活和发展的水体，其正常功能的各种 自然因素和有关的社会因素的总体。也有的指相 对稳定的、以陆地为边界的天然水域所处空间的 环境。
对于清水，在蓝—绿波段反射率4%～5%,
5%
0.6μm以下的红光部分反射率降到2%～3%
几乎吸收全
水的吸收少
蓝青 绿 黄 橙 红
遥感水文_精品文档
40
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35
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38
39
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（如泥沙、 叶绿素、有机质等）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。
水环境遥感数据的解释，必需建立在水文过 程机理基础上，不能只通过数学上的数值相 关得出结论。
23
水深
24
含沙量
浑浊水体的反射波谱曲线整体高于清水，水色随浑浊度增加，由蓝 色向绿色、黄色转变。 随泥沙浓度加大，波谱反射峰值向长波方向移动（红移）。 随泥沙浓度加大，可见光对水体的透射能力减弱，反射能力加强。 泥沙的定量遥感一般通过理论模型或经验模型进行反演。
不同泥沙含量水体的反射光谱曲线
25
o 作物缺水指数法：作物缺水指数是土壤水分的 一个度量指标，它是由作物冠层温度值转换来 的，是利用热红外遥感温度和常规气象资料来 间接的监测植被条件下的土壤水分
18
土壤含水量遥感
• 光学遥感监测土壤水分
o 被动微波遥感：主要是通过微波辐射计获得土 壤的亮温温度，然后通过物理模型反演土壤水 分或与土壤湿度建立经验统计模型
31
3 水污染
太湖蓝藻的遥感监测（landsat TM）
32
遥感水文存在问题
受到遥感技术自身局限性的制约，应用过程中尚具有 如下问题 ：
(1)遥感的尺度（空间、时间）与研究区水文尺度差别 (2)遥感数据的精度偏低 (3)现行的遥感数据提取水文变量方法应用范围较窄， 缺乏普适性 (4)遥感数据参数化和特征值提取方法尚不完善
o 气象雷达多用于局部短期降雨监测
遥感技术应用于水环境监测
遥感技术应用于水环境监测随着科技的快速发展，遥感技术在各个领域的应用越来越广泛，其中之一就是在水环境监测中的应用。
遥感技术以其高效、准确的特点，在水环境监测中发挥着重要的作用。
本文将探讨遥感技术在水环境监测中的应用，并分析其优势和挑战。
一、遥感技术概述遥感技术是指通过卫星、飞机、无人机等载体，利用电磁波辐射与物体相互作用的原理，获取目标区域的信息并进行分析。
在水环境监测中，遥感技术主要利用其能够获取水体表面信息的能力，对水体的水质、水面温度、水体悬浮物、叶绿素含量等进行监测。
二、遥感技术在水质监测中的应用1. 水质参数监测：通过遥感技术获取的水质参数，如水体浊度、溶解氧含量、氮磷含量等，可以帮助人们及时了解水环境的变化，为水资源的合理利用提供依据。
2. 水体污染监测：遥感技术可以通过获取水体的颜色信息，分析水体中的污染物质含量，进而判断水体的水质状况是否符合标准，并及时预警和控制水体的环境污染。
3. 水面温度监测：遥感技术可以通过获取水体的热辐射信息，监测水体的温度分布，预测气候变化对水体的影响，为相关决策提供参考。
4. 水体漩涡监测：遥感技术可以通过水面纹理信息的变化，识别并监测水体中的漩涡，为湖泊、水库等水域工程的安全运营提供帮助。
三、遥感技术在水环境监测中的优势1. 大范围监测能力：遥感技术可以同时监测大范围的水域，获取实时的水质信息，为水资源的管理提供全面的数据支持。
2. 高空间分辨率：遥感技术可以获取较高的空间分辨率，可以观测到较小的水域区域，提高了监测效率。
3. 高时间分辨率：遥感技术的高时间分辨率可以帮助人们监测水体变化的趋势，并及时采取相应的措施，维护水环境的稳定与安全。
4. 非接触式测量：遥感技术可以避免传统水质监测中的接触式测量操作，减少人为因素的干扰，提高了监测的准确性和可靠性。
四、遥感技术在水环境监测中的挑战1. 传感器的选择：遥感技术中的传感器选择直接影响到监测数据的准确性和可靠性，需要根据具体需求选择合适的传感器。
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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
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2.1 水体的光谱特性
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。
赤潮
30 （2000）
0.015 （0.015）
400-700
5小时 （2天）
0- +15 （-5- +30）
注：表内数字是指理想值，括弧内的数字是最低限度允许值。
200200 （2020）
350100 （1010）
3535 （1010）
3535 （1010）
350350 （3535）
350350 （20100）
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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.
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2.3 水体污染监测
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。
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2.3 水体污染监测
预测结果：太湖 TP分布等值线图
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2.3 水体污染监测
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 。
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。
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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
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2.3 水体污染监测
The enlarged northern part near the city of Wuxi . It is shown from the belt-shaped pink imagery on the landsat TM image that the algae come from the city river to the Taihu Lake and extend along the east bank of the Mei-liang Lake, reflecting the domestic sewage of Wuxi city is the main pollution source of the Taihu Lake.
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。
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2.1 水体的光谱特性
不同叶绿素含量水体的反射光谱曲线
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2.1 水体的光谱特性
不同泥沙含量水体的反射光谱曲线
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2.2 水资源遥感
在彩色红外图像上呈红褐色或紫红色, 在MSS7图像上呈浅色调
悬浮泥沙
水体浑浊
在MSS5像片上呈浅色调,在彩色红外片上呈淡蓝、 灰白色调,浑浊水流与清水交界处形成羽状水舌
石油污染
油膜覆盖水面
在紫外、可见光、近红外、微波图像上呈浅色调, 在热红外图像上呈深色调,为不规则斑块状
废水污染 水色水质发生变化
热污染
2.3 水体污染监测
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。
遥感地学分析
Geography Analysis for Remote Sensing
第2章 水环境遥感
《遥感地学分析》课程小组编写
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
2.1 水体的光谱特性
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2.3 水体污染监测
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。
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2.3 水体污染监测
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。
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2.3 水体污染监测
污染类型
生态环境变化
遥感影像特征
富营养化 浮游生物含量高
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2.1 水体的光谱特性
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。
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2.3 水体污染监测
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ＲW 的影响:
ＲW =(ｂW +ｂS+ｂP) / (ａW+ａS+ａP+ａY)；
式中ＲW 为内陆水体反射率，ｂW 、ｂS、ｂP 分别 是水、悬浮物和浮游植物的后向散射系数，ａW、ａS、 ａP、ａY分别是水、悬浮物、浮游植物和黄色物质的吸 收系数。
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2.3 水体污染监测
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
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2.2 水资源遥感
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小时 （1天）
5小时 （10天）
注意光晕
0-+15 （-5-+30）
0- +15 （-5-+30）
热污染
30 （500）
温度分 (10-
14m)
2小时 （10天）
——
富营养化
100 （2000）
0.05 （0.15）
400-700
2天 （14天）
0- +15 （0- +30）
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。
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2.2 水资源遥感
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。