太湖水体光学特性及水色遥感(李云梅[等]著)思维导图
遥感思维导图
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微波
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分类
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光学 雷达
衡量分辨率
收集、探测遥感影像
遥感是啥
遥感的分类
按投影分 按颜色分
种类
描述方法
数字影像
大气成分
大气结构 大气影响
大气
大气窗口
波的特性
植物
波
岩石土 地物反射波谱特性
水
遥感基础 物理基础
基础知识
遥感
处理遥感影像
模拟图像与数字图像的区别
影像转换（通常是数字化） 图像采样
灰度级量化
标准
变形
几何变形 变形误差
数字图像校正
构像方程
几何变形原因
校正流程（通常是数字影像校正）
几何校正
流程
坐标变换
多项式变换 共线方程法
灰度值重采样
定义 方法
误差产生原因
辐射校正 目的
方法
所需工具
灰度直方图 滤波器
均衡 （规定化）匹配
空间域 卷积运算算子
数字影像增强
方法
频率域
滤波器分类 各自特点
四则运算
彩色增强
不同颜色赋予 流程
植被指数
多源信息复合
目的
流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 方法
平滑 锐化
反差增强？
图像预处理
建立标志 特征变换？
计算机解译
方法
监督 判别函数 非监督
流程 距离判别准则
原则
基于MERIS遥感图像的太湖叶绿素浓度反演
基于MERIS遥感图像的太湖叶绿素浓度反演作者：王根深王得玉来源：《安徽农业科学》2017年第30期摘要以太湖为试验区，基于MERIS遥感图像数据以及同步实测的太湖水质参数数据，应用归一化叶绿素指数算法（NDCI），对太湖水体叶绿素a浓度进行反演，得到了太湖区域的水体叶绿素a反演结果，并对反演结果进行了验证和分析。
结果表明：归一化叶绿素指数反演算法能够精确地反演太湖区域的叶绿素a浓度值，模型的决定系数（R2）为0.881 2，反演精度优于传统经验统计模型，可为今后更精确地反演内陆水体的叶绿素a浓度提供参考依据。
关键词MERIS遥感图像；叶绿素a；归一化叶绿素指数反演算法；太湖中图分类号X87文献标识码A文章编号0517-6611（2017）30-0071-04AbstractA novel index，normalized difference chlorophyll index（NDCI） was introduced in this study to invert the chlorophyll a（Chl.a） concentration form MERIS remote sensing image and the data of water quality parameters of Taihu Lake，and the inversion results were verified and analyzed.The inversion results showed that normalized Difference chlorophyll Index could accurately reflect the chlorophyll a concentration in the Taihu Lake， the coefficient of decision was 0.881 2，which was better than traditional empirical model，and provided a reference for the more accurate inversion of chlorophyll a concentration in inland water.Key wordsMERIS remote sensing image；Chlorophylla；NDCI；Taihu Lake内陆水体，特别是位于经济发达、人口密集地区的湖泊和河口，一般受到人类活动影响较大，湖泊水污染和水体富营养程度日益加重。
内陆水体水面以上光谱测量方法及对比分析
LOW CARBON WORLD2021/4节能环保内陆水体水面以上光谱测量方法及对比分析潘肇博（金陵中学，江苏南京210000）【摘要】为探讨内陆水体水面以上垂直测量和倾斜测量的异同，本文以2019年10月一2020年5月太湖为对象，对两种测量方式进行阐释和对比，从测量结果提出垂直测量和倾斜测量两种方法，两者的光谱输出结果差异性较小，具有高度的相似性，都是内陆水体水面以上光谱测量的有效手段，以期为相关人员提供参考。
【关键词】光谱采集；水体测量；垂直测量【中图分类号］X832【文献标识码】A【文章编号］2095-2066（2021）04-0063-021观测几何近年来，随着遥感技术发展越来越成熟，其光谱分辨率大幅提高，经常被运用于水体测量中，利用野外实测的水体遥感反射率可以对水体物质的种类及含量进行分析。
目前水体测量中较为权威的水面以上测量法主要分为两种：垂直测量和倾斜测量。
垂直测量即测量仪器垂直于水面进行测量,倾斜测量则为测量仪器相较于水平面有一定夹角，一般为（135毅,40。
）的观测几何。
垂直测量与倾斜测量两者互有优劣，垂直测量方式简单，数据处理便捷,但会受到船体、太阳直射反射等的影响;倾斜测量时测量往往无法精确把握角度，同时天空光的散射并非各向同性，无法保证测量结果的一致性。
为了探讨两种方法的异同，本文以2019年10月一2020年5月太湖为对象，利用两种测量方式分别采集光谱数据进行对比。
2数据采集及处理2.1数据获取水体采样点为常规的监测点位，如图1所示。
采样时间跨度为2019年10月一2020年5月，具体采样时间为月初的1~5日。
垂直测量法和倾斜测量法均为每个点位进行10次测量，积分时间取136ms。
仪器光谱范围为：282~1090nm,512个波段，光谱采样间隔为1.41nm,光谱分辨率为3nm。
在实际测量中，会尽量避免试验环境和结果的因素，如船体波纹、风向风速等。
2.2数据处理水体遥感反射率携带着水色信息，是水体表观光学特性的核心。
太湖水面多角度遥感反射率光谱测量与方向特性分析
响 ，导致内陆水体水质遥感存 在 不 确 定 性 ，各 种 内 陆 水 体 水 质遥感模型的适用性受到限 制 。因 此 ，迫 切 需 要 开 展 内 陆 水 体光场的二向性分布规律研究 。 水体光场二向性的 研 究 通 常 基 于 水 体 辐 射 传 输 模 型 （ 如 ） 蒙特卡罗模拟 或 Ｈ 的 模 拟 数 据 ，这 些 模 型 通 常 包 ｄ ｒ ｏ ｌ ｉ ｈ ｔ ｙ ｇ 含很多简化的假设 ，因此分析 结 果 具 有 一 定 的 局 限 性 ，亟 待 实测数据对其进行检验 。目前 ，国 际 上 能 够 测 量 水 体 光 场 二
体时都是使探头向外倾斜 。由于水体光场 是 以 太 阳 平 面 对 称 的 ，因此观测杆与太阳平面的 夹 角 既 可 以 是 顺 时 针 方 向 ，也 可以是逆时 针 方 向 ，实 际 测 量 时 选 择 受 船 体 影 响 较 小 的 一 侧。 １ ３ 水面多角度光谱数据处理方法 １ ． ３ ． １ 异常剔除和均值计算 每个采样点的每个观测目标都测量 了 若 干 条 光 谱 ，参 考 、各角度天空光光谱 （ 板 光谱 （ 用犔 表示 ） 用犔 表示 ） λ） λ） ｓ ｋ ｐ（ ｙ（ 一般 没 有 异 常 值 ， 直 接 取 均 值 。 各 角 度 水 体 的 光 谱 （ 用 有可能有 随 机 耀 斑 ，因 此 首 先 要 剔 除 受 耀 斑 影 犔 λ）表示 ） ｓ ｗ（ 响的异常光谱 ，其余光谱取均值 。 １ ． ３ ． ２ 天空光气水界面反射率计算 天空光气水界面反射率 （ 用狉 是计算水面遥感反 ｓ ｋ ｙ表 示 ） 射率 的 关 键 参 数 。 狉 ｓ ｋ ｙ 的 值 会 随 角 度 变 化 ，不 能 取 固 定 的 值 。
［３， １ ４］ 发明和改 进 的 水 下 鱼 眼 相 机 ，但 是 向性的只有 Ｖ ｏ ｓ ｓ等 １
太湖水色因子空间分布特征及其对水生植物光合作用的影响
光合 有 效 辐 射 （ >H:6:1P;6HL653 =Q=5?=8?L 7=R5=O 用水下光量子仪 （ V5OA:7 $,&WT， V5OA:7， 65:; ，STU） MWT） 进行测定! 为避免船体阴影的影响， 在船的向 阳面进行测量! 测量深度根据水深分别为 ’ 、 &’ 、 #’ 、 -# 、 $’’ 和 $#’ 30! ()* 在光学性质均一水体中的衰
细分析了太湖典型湖区真光层深度的影响因素、 时 空变化及其生态意义， 这对于湖泊初级生产力和营 养盐估算以及湖泊生态修复和水质改善的研究具有 重要作用! 研究水体水色因子和真光层深度的空间 变化特征及其对水生植物光合作用的影响， 能够更 好地了解水体的环境状况及其空间差异， 可为水体 环境的改善和水体生态系统的重建提供理论依据! 为此， 本文分析了太湖全湖水色因子及真光层深度 的空间变化特征， 并探讨了其对水生植物光合作用 的影响， 旨在为太湖污染的治理和水体环境生态修 复提供基础资料! !" 材料与方法 !# $" 样品采集 研究区为位于我国长江中下游地区著名的五大 淡水湖之一的太湖 （ (’)##*—($)((* +，$$,)#&*— $&’)(-* .） ! 采样点共设 /" 个 （ 图 $） ， 覆盖整个太 湖湖区， 数据采集时间为 &’’/ 年 $’ 月 &" 日—$$ 月 & 日! 采样时天气晴好， 平均风速 & 0 ・ 1 2 $ 左右， 最 大风速不超过 # 0・ 1 2 $ ! 水样的取样深度为距表层 # ’ 30 处， 水质分析参数有悬浮物、 叶绿素浓度和
能量来源， 它不仅决定浮游植物和沉水植物的生物 量， 还会影响它们的种群结构， 是水体初级生产力的
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小田
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水体遥感的意义
• 水是生态系统的血液，是地球环境中最重要和最有活力的
因素，充足、优质 的水资源是生态系统健康发展的物质 白因天此，水在体近将红太外阳的辐遥射感能影大像量上地，吸清收澈储的存水，体增呈温黑比色陆。地快，在遥感影像上表现为热红外辐射低，呈暗色调； 基础，是21世纪可持续发展战略实施的重要 保障。地球 根（据1）污水水体与叶河绿水素掺浓混度、增扩加散，的蓝情光况波，段还的可反以射估率算下污降水，量绿。光波段的反射率增高。
凡 如是果向有河 连流 续排 的出 几污 次水 热的 红工外厂 影， 像污 ，水 还未 能经 求处 出理 热净 水化 扩立 散刻 的可 综以 合被 扩发 散现 系。 数。
展必须解决的重大问题，尤其是内陆水体， 其水质影响 图根为据污水年与4月河2水0日掺，混墨、西扩哥散湾的的情一况座，还钻可井以平估台算发污生水爆量炸。，造成的石油泄漏 到了国民生产和人们的生活用水。因此，准确、快捷的水 为因区此分 ，水在路近界红线外，的确遥定感地影面像上有，无清水澈体的覆水盖体，呈应黑选色择。近红外波段的影像。
•
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小田
• 例如发电厂排出的热水、经过冷却湖回抽冷却，使发电机
降温，热水又重新排出电厂。这种循环用水的冷却湖经常
需要测量湖水温度，以便控制装机容量及发电量。用8～
14μm波段的热红外扫描仪进行航空遥感，热红外图像可
显示出热污染排放、流向和温度分布的情形。经过密度分
割处理、根据少量的同步实测湖水温度，就可确切的绘出
N夜E间X，T 水温比周围地物温度高，发射辐射强，在热红外影像上呈高辐射区，为浅色调。
蔓延。 生 用物遥体感所 的需 方的 法磷 可、 以氧 测、 量钾一等 定营 深养 度物 内质 的在 含湖 沙泊 量、 平河 面口 分、 布海 情湾 况等 。缓流水体中大量富集，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧含
第三章-水体遥感
③ 衰减后的水中散射光，部分到达 水体底部形成底部反射光，它的 强度与水深呈负相关，且随着水 体混浊度的增大而减小。
水中散射光的向上部分及浅海条
件下的底部反射光共同组成水中光。 水中光、水面反射光、天空散射光
电磁波与水体的相互作用
共同被空中探测器所接收（它们是波长、高度、入射角、观测角的函数）。
其中前两部分包含有水的信息(水色、水温、海面形态等信息)，因而可
统计相关模型，要求样本数据量大，且数据分布典型。这对浩瀚、 多变的大海是难以满足的，而若样本不足或不典型，则误差较大。
后者，可用灰色系统理论中的关联度分析法（即对事态变化趋势的
量化分析，其实质是对由遥感数据计算的含沙量曲线与实测的含沙量曲线
间几何形状贴近程度的分析比较），确定关联变换系数后，通过少量样 本进行遥感图象数据的外推计算。它较统计法反映的规律性更明显， 结果稳定。
正因为不同波长的光对水体的透 射作用和穿深能力不同，所以水体 不同波段的光谱信息中，实际上反 映了不同厚度水体的信息特征，包 涵了“水深”的概念。
不同浊度水体的光谱衰减特征
实际上影响遥感入水深度的因素很多。除波长、水体混浊度外，
还与水面太阳辐照度 E() ——是太阳入射方向 、 的函数，水
体衰减系数 () 、水体底质的反射率 () 、海况、大气效应等有
2. 水体光谱特性与悬浮泥沙含量的关系
从理论上讲，水体的光谱特性（水色） ，包含了水中向上的散射光 （水中光），它是入水的透射光与水中悬浮物质相互作用的结果，与水 中悬浮泥沙含量直接相关。水色成为泥沙含量的较精确的一种指标。
随着水中泥沙含量的增加，水体的可见光反射增加，水体由暗变 得越来越亮；反射峰值波长向长波方向移动，即从兰→绿→更长波段 （0.5 μm以上）移动； 反射峰值本身形态变得 更宽。当水中泥沙含量 近于饱和时，水色也接 近于泥沙本身的光谱。
水色湖泊遥感
内陆二类水体
1.陆地卫星多光谱传感器 Landsat TM/ETM、SPOT HRV、CBERS CCD、EO-1 ASTER、beijing-1 CCD等； 评价:具有较高的空间分辨率（20-30m左右），但时间分辨率较低（15-30d）， 无法及时的监测水体污染事件，实用性受限。 2.星载及机载高光谱传感器 EO-1 Hyperion及AVRIS、OMIS、CASI、AISA+ 评价：信噪比一般较低切传感器刈(yi)幅较窄，监测范围有限。 特别：HJ-1 A/B HIS,空间分辨率（20-30m）、高时间分辨率、高光谱分辨 （450-950nm）且观测幅宽（720km）
• 水色参数反演
凡存在显著光谱特征或光学特性的水体组分参数, 即光活性物质, 都可以通 过遥感实施定量反演,如叶绿素、悬浮物、DOC 等； 主要反演方法： 经验/半经验方法，核心是水色参数光谱特征的先验已知性。虽然基于卫星遥 感影像数据的半经验算法的理论基础不明确, 但在特定的湖区, 针对特定的传感器, 半经验算法却具有较强的稳定性, 同时具有较高的反演精度。 半分析方法，核心是生物光学模型，它是目前湖泊水色遥感的研究热点，使 用的方法是矩阵分解法。
影响水体光学特性因素
大洋一类水体主要是叶绿素，内陆湖泊等Ⅱ类水体中, 包含浮游植物色素、悬 浮颗粒以及黄色物质等, 引起的光学特性远比Ⅰ类水体复杂的多。
• 基础理论及模型
理论:水体辐射传输是水色要干的基础理论 水体辐射传输模型：
国外著名的有：Hydrolight辐射传输模型以及Monte Carlo辐射传输模型，这 两个模型在辐射传输方程的参数化过程中起了重要作用。这些模型可以应用于湖 泊水色遥感中。 存在的问题：由于湖泊存在光学深水和光学浅水，在光学浅水中，基本的辐 射传输过程没有变化，但光的传播环境发生了变化, 从而影响了解决辐射传输问 题的假设和边界条件(潘德炉等，2008) 国内：这方面研究还处于起步阶段。