遙感水質(zhì)監(jiān)測概述

目錄：研究意義理論基礎(chǔ)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)來源研究流程研究方法第1頁/共22頁第一頁，共23頁。1研究意義

近海水質(zhì)日趨惡化，掌握水質(zhì)狀況對行政部門實施海洋綜合管理，合理開發(fā)以及保護(hù)具有指導(dǎo)作用；常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測耗時耗力,并且很難反映近海海域的整體水質(zhì)狀況；

遙感技術(shù)可快速、及時提供整個近海海域的水質(zhì)狀況，具有監(jiān)測范圍廣、成本低和便于進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，在近海水質(zhì)監(jiān)測中有巨大的應(yīng)用潛力。

第2頁/共22頁第二頁，共23頁。2理論基礎(chǔ)

溶解或懸浮于水中的污染成分、濃度等的不同，導(dǎo)致了水體對不同波長光的吸收和散射也不同，進(jìn)而引起水體顏色、密度、透明度等表觀參數(shù)的差異（水的組分含量不同，水體的反射光譜差異顯著）。因此，通過遙感系統(tǒng)測量并分析水體吸收和散射太陽輻射而形成的光譜特征，是水質(zhì)遙感定量監(jiān)測的基礎(chǔ)。

比如：浮游生物：一可顯示出來；懸浮泥沙：一懸浮泥沙；水溫：紅外影像。第3頁/共22頁第三頁，共23頁。2理論基礎(chǔ)

傳感器上接收到的總輻射亮如圖所示有三部分組成。

大氣散射水表面的方向反射水體的后向散射光和水底的反射水體后向散射光和水體的反射光，這一部分含有水色信息，是可以用來監(jiān)測水質(zhì)的部分，稱為離水輻亮度。第4頁/共22頁第四頁，共23頁。3監(jiān)測指標(biāo)

在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838一2002)中規(guī)定的24個基本水質(zhì)指標(biāo)中,只有部分指標(biāo)可以用遙感技術(shù)監(jiān)測,而在研究和應(yīng)用中比較成熟的僅有葉綠素a和懸浮物。第5頁/共22頁第五頁，共23頁。葉綠素遙感

葉綠素a是最重要的水質(zhì)參數(shù)之一。它能反映水中浮游生物和初級生產(chǎn)力的分布,其含量變化可以反映水體富營養(yǎng)化程度。葉綠素a吸收的藍(lán)光和紅光較多，而綠光較少，因此隨葉綠素濃度增加，海水的后向散射光譜即海水的顏色從深藍(lán)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色。不同濃度浮游植物光譜曲線在440nm處出現(xiàn)明顯的吸收峰，在502nm處出現(xiàn)獨(dú)立于葉綠素濃度的“節(jié)點(diǎn)”。在“節(jié)點(diǎn)”處，海面反射率隨葉綠素濃度變化不大。在550mn附近，普遍出現(xiàn)反射峰值。隨水體葉綠素濃度越高，其輻射峰值也越高。這是葉綠素遙感的波譜基礎(chǔ)。第6頁/共22頁第六頁，共23頁。3.2懸浮固體懸浮固體：指懸浮在水中的微小固體物質(zhì),其直徑一般在2mm以下,包括粘土、淤泥、粉砂、有機(jī)物和微生物等，是形成水體渾濁的主要原因，也是農(nóng)藥、可溶解N和P、重金屬和其他污染物的載體。在可見光以及近紅外波段范圍，隨著懸浮物含量的增加，水體的反射率增加，并且隨著懸浮物濃度的增大，反射峰向長波方向移動（HanL.HandRundquistD.C,1994）。懸浮物質(zhì)濃度、顆粒大小和組成是影像光譜反射率的主要因素（ChoubeyV.K,1998）。因此根據(jù)影像的遙感反射率,可以定量求出水體懸浮固體的含量。

第7頁/共22頁第七頁，共23頁。3.3其他指標(biāo)黃色物質(zhì)：由黃腐酸、腐殖酸組成的溶解性有機(jī)物,又稱有色溶解性有機(jī)物(DoM)。國內(nèi)外對黃色物質(zhì)的研究都是從海洋開始的。自Kall(c9l49)最先利用紫外線照射海水發(fā)現(xiàn)水體中存在黃色物質(zhì),很多研究表明了對黃色物質(zhì)進(jìn)行遙感監(jiān)測的可能性。有機(jī)物含量：水體中有機(jī)物種類繁多,成分復(fù)雜,難以分別對其進(jìn)行定量分析。因此,一般不對它們進(jìn)行單項定量測定,而是利用其共性,用某種指標(biāo)間接地反映其總量或分類含量。在實際工作中,常用下列指標(biāo)來表示水中有機(jī)物的含量,即化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、總有機(jī)碳(TOC)和總需氧量(TOD)。第8頁/共22頁第八頁，共23頁。9/333.3其他指標(biāo)水溫（工業(yè)廢水）：實際觀測中由于水的比輻射率接近于1(近似黑體),因此往往用所測的亮度溫度表示水體溫度。遙感估算水溫時,由于水體熱容量大、熱慣量大、晝夜溫差小,且水體內(nèi)部以熱對流方式傳輸熱量,故水體表面溫度較為均一,空間變化小。目前世界水體表面溫度的反演主要是利用紅外遙感技術(shù)來進(jìn)行,算法主要是紅外劈窗算法。對于水體熱污染，也可以通過水流形狀判別，在影像上表現(xiàn)為白色或灰白色羽毛狀。羽毛流的影像色調(diào),從羽根到羽尖,由淺逐漸變深,從羽流的中軸向外,色調(diào)也由淺變深。第9頁/共22頁第九頁，共23頁。10/333.3其他指標(biāo)水深：主要依據(jù)可見光波段，原理是基于光線對水體的透射?？梢姽庠谒w中的衰減系數(shù)越小，則其對水體的穿透性就越好。衰減系數(shù)和遙感‘可視’水深之間有一定的關(guān)系。有效波段在藍(lán)色至黃色之間。第10頁/共22頁第十頁，共23頁。4數(shù)據(jù)來源多光譜遙感數(shù)據(jù)：包括landastMSS、TM、SPOT、HRV、IRS一IC、NOAA/AVHRR等數(shù)據(jù)。由于多光譜遙感數(shù)據(jù)光譜分辨率較低,不能在理論上針對地物光譜特征解決問題。①landsatMSS：研究表明，湖泊中的葉綠素a濃度、懸浮物濃度可以通過MSS數(shù)據(jù)監(jiān)測。但是由于波段太寬,MSS數(shù)據(jù)不能用于監(jiān)測懸浮物含量很高的湖泊，也會掩蓋浮游植物水體出現(xiàn)在狹窄波帶處的光譜特征信號。②landsatTM：由于波段較寬,波段設(shè)置相對水質(zhì)遙感來說不盡合理,一些水質(zhì)參數(shù)的特征光譜并不能在TM數(shù)據(jù)上反映出來。因此,TM數(shù)據(jù)并不是理想的遙感水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。③SPOT：高空間分辨率非常適合于湖泊的水質(zhì)遙感監(jiān)測,但PSOT數(shù)據(jù)僅具有4個光譜波段(3個可見光波段、1個近紅外波段),而且數(shù)據(jù)費(fèi)用昂貴,限制其應(yīng)用。第11頁/共22頁第十一頁，共23頁。4數(shù)據(jù)來源高光譜遙感數(shù)據(jù)：包括成像光譜儀和非成像光譜儀。①成像光譜儀：可以為每個像元提供數(shù)十至數(shù)百個窄波段(通常波段寬度<l0nm)光譜信息,能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。國內(nèi)外的學(xué)者利用美國的AVIRSI數(shù)據(jù)、加拿大的CASI數(shù)據(jù)以及芬蘭的AISA數(shù)據(jù)進(jìn)行了湖泊水質(zhì)參數(shù)研究,如葉綠素濃度、水體混濁度、懸浮物濃度的估測。②非成像光譜儀：地面非成像光譜儀在湖泊水質(zhì)監(jiān)測中主要用來在野外或?qū)嶒炇覝y量水體的光譜反射曲線,同時也用于機(jī)載成像光譜儀量測水質(zhì)參數(shù)的表面校準(zhǔn)。機(jī)載高光譜分辨率數(shù)據(jù)是解決星載多光譜數(shù)據(jù)光譜分辨率低的一個有效途徑,提高了水質(zhì)遙感監(jiān)測精度,第12頁/共22頁第十二頁，共23頁。4數(shù)據(jù)來源新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)：landsatETM+、EO-1ALI、MODIS、ENVISATMERIS等多光譜數(shù)和EO-1Hyperion高光譜數(shù)據(jù)。①landsatETM+突出優(yōu)勢在于提高了多光譜波段的空間分辨率,增加了一個分辨率為15m的全色波段,豐富了數(shù)據(jù)的信息量。②EO-1Hyperion光譜范圍在一之間,地面分辨率為30米，不是專門用來監(jiān)測水質(zhì)的傳感器,但其較高的光譜分辨率和地面分辨率,對湖泊的水質(zhì)遙感監(jiān)測有著巨大的價值。③MERIS是專門針對水色遙感的傳感器,波譜范圍412一1050mn。數(shù)據(jù)在星下點(diǎn)的分辨率為300m;在開闊的海洋上,收集的數(shù)據(jù)分辨率有所降低,分辨率為1200m。MERIS,重復(fù)觀測周期2一3天,并且能夠在15個波段上收集數(shù)據(jù)。設(shè)置的三個近紅外波段可以用來完成精確的大氣校正,這就大大的提高了水質(zhì)參數(shù)的反演精度。第13頁/共22頁第十三頁，共23頁。4數(shù)據(jù)來源新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)：landsatETM+、EO-1ALI、MODIS、ENVISATMERIS等多光譜數(shù)和EO-1Hyperion高光譜數(shù)據(jù)。④MODIS:它具有從可見光到熱紅外的36個波段的掃描成像輻計,分布在一14μm電磁波譜范圍內(nèi),波段l一2的地面分辨率為250米,波段3一7的地面分辨率為500米,波段8一36的地面分辨率為1000米。NAAS對MODSI數(shù)據(jù)實行全球免費(fèi)接收的政策，大大降低了利用MODIS監(jiān)測水質(zhì)的費(fèi)用，且MODIS具有較高的時間分辨率(一天可以接受兩次多光譜數(shù)據(jù)和多達(dá)36個波段的光譜數(shù)據(jù),因此成為內(nèi)陸較大湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測最有潛力的遙感數(shù)據(jù)源之一。第14頁/共22頁第十四頁，共23頁。154數(shù)據(jù)來源新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù):中國的衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)⑤HJ-1A：環(huán)境一號”星座A星搭載的“超光譜成像儀(HSI)”，在工作譜段0.45-0.95μm之間擁有115個波段，平均光譜分辨率為5nm，空間分辨率為

100m，幅寬大于50×50km2，是目前比較先進(jìn)的高光譜傳感器．其能獲取的光譜信息非常豐富，重訪周期、幅寬等也可滿足內(nèi)陸湖泊水質(zhì)遙感需求，加上能與同星搭載的多光譜傳感器同步獲取數(shù)據(jù)，因此HSI數(shù)據(jù)應(yīng)用于水質(zhì)遙感監(jiān)測具有獨(dú)特的優(yōu)勢。但是HSI影像的處理方法尚不完善，在廣泛應(yīng)用于水質(zhì)遙感前對其進(jìn)行質(zhì)量研究和評價非常必要。⑥GF-1衛(wèi)星：不僅可以用于精細(xì)探測局部的環(huán)境污染狀況，還可用于水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等大范圍的宏觀監(jiān)測與評價，但是目前應(yīng)用于水體的研究還很少。第15頁/共22頁第十五頁，共23頁。164數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)對比第16頁/共22頁第十六頁，共23頁。174數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)對比第17頁/共22頁第十七頁，共23頁。185研究流程水質(zhì)遙感監(jiān)測的步驟包括五個方面①實地水樣的采集以及水質(zhì)實測數(shù)據(jù)的時空分析；②遙感影像數(shù)據(jù)的選擇與申請，需要與實測數(shù)據(jù)在時間上保持同步；③進(jìn)行實則數(shù)據(jù)的分析和遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括輻射校正、大氣校正以及幾何校正等；④對遙感數(shù)據(jù)和實測水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，找出與各水質(zhì)變相相關(guān)性最為密切的遙感波段或波段組合；⑤利用水質(zhì)實測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建水質(zhì)遙感反演模型與評價模型。第18頁/共22頁第十八頁，共23頁。目前，利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)定量反演的方法主要有三種：理論方法，經(jīng)驗方法和半經(jīng)驗方法。其中最為常見的水質(zhì)反演方法為經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法，即通過建立水質(zhì)變量與遙感數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計關(guān)系，估測水質(zhì)變量指標(biāo)。理論方法：基于大氣輻射傳輸理論及其模型、利用遙感測量得到的反射率或輻射值來計算水實際吸收系數(shù)與后向散射系數(shù)的比值，與水中各組分的特征吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)相聯(lián)系，就可以得到各組分的含量。6方法和特點(diǎn)

第19頁/共22頁第十九頁，共23頁。20經(jīng)驗方法：建立遙感數(shù)據(jù)與地面實測水質(zhì)變量數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計關(guān)系來反演水質(zhì)變量值。容易理解，但是由于水質(zhì)變量與遙感數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性關(guān)系得不到保證，因此水質(zhì)變量反演結(jié)果精度較低，且該方法受到時間和空間的限制。半經(jīng)驗方法：將已知的水質(zhì)變量光譜特征與統(tǒng)計分析模型（或其他數(shù)學(xué)模型，如線性光譜分析模型）相結(jié)合，選擇最佳的波段或者波段組合作為相關(guān)變量估算水質(zhì)變量值的方法，具有一定的物理意義。也是目前最常用的方法。6方法和特點(diǎn)

第20頁/共22頁第二十頁，共23頁。21存在的問題對水體的內(nèi)在光學(xué)特性的了解不夠深入：水體的光學(xué)特性是決定水體光譜特征的本質(zhì)因素，將直接影響水色，只有充分把握了水體的光學(xué)特性才能從遙感數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)水體中物質(zhì)成分的區(qū)別，但目前這方面的研究仍然是比較欠缺的。遙感監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)有限：主要集中于懸浮物、葉綠素a濃度、透明度和濁度等，對于水體中重要的物質(zhì)-黃色物質(zhì)的研究不夠多，這將直接影響對懸浮物和葉綠素遙感估算的精度，因黃色物質(zhì)是影響水體光譜特征的一個重要因素，對于BOD5、COD、DO、TN、TP等水質(zhì)參數(shù)的可行性分析與定量研究更少。反演方法的精度不高、適用性差：反演方法主要是以經(jīng)驗、半經(jīng)驗方法為主，分析方法由于參數(shù)獲取原因研究較少，但經(jīng)驗、半經(jīng)驗方法受時空限制較大，推廣上受到很大限制，而分析方法是從機(jī)理出發(fā)，具有物理意義，適用性強(qiáng)，因此應(yīng)重視對分析方法的研究，以提高模型的適應(yīng)