水体和海洋遥感.ppt
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1、第十三章水体和海洋遥感王力、李朝艳12/1/20221重庆交通大学 第十三章第十三章 水体和海洋遥感水体和海洋遥感13.1概况13.2水体遥感原理13.3海洋卫星及遥感器12/1/20222重庆交通大学 13.1概况概况12/1/20223重庆交通大学 13.1概况概况地球表面面积100地表开放水体74全球海洋面积7112/1/20224重庆交通大学 13.1概况概况海洋是人类最大的资源宝库。它蕴藏极为丰富的矿物资源、生物、化学资源和能源,尤其在人口增长,陆上资源大量消耗的情况下,海洋将日益成为人类获得食品、能源、原材料的基地。12/1/20225重庆交通大学 13.1概况概况研究全球环境,不
2、能脱离了占全球面积71%的海洋。遥感能提供大尺度、动态的观测,且不受地理位置、天气和认为条件限制,恰好适用于对茫茫大海的观测。遥感是研究海洋最重要的探测手段之一,所以美国、前苏联、欧洲空间局、日本、加拿大等均先后发射了海洋卫星,我国也发射了自己的海洋卫星。12/1/20226重庆交通大学 13.2 13.2水体遥感原理水体遥感原理水体光谱特征1.水体界限的确定2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系4.水体光谱特征与水深的关系5.水体光谱特征与水温的关系6.水体光谱特征与水体污染物的关系水体的微波辐射特征12/1/20227重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特
3、征对水体来说,水的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定,同时又受到各种水状态的影响。0.76可见光波段近红外、短波红外可见光波段可见光波段3%10%5%蓝 青 绿 黄 橙 红对于清水,在蓝绿波段反射率4%5%,0.6m以下的红光部分反射率降到2%3%水的吸收少反射率较低大量透射可见光反射包含:水表面反射、水体底部物质反射、水中悬浮物质反射3个方面。几乎吸收全部入射能量水体在近红外、短波红外这两个波段的反射能量很小。这一特征与植被和土壤光谱有十分明显的差异,因而在红外波段识别水体是较容易的。0.8?12/1/20228重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特征图13.2反映了水的光谱递减规律,由于水
4、在红外波段的强吸收,水体的光学特征集中表现在可见光在水体中的辐射传输过程。它包括界面的反射、折射、吸收、水中悬浮物质的多次散射(体散射特征)等。这些过程及水体“最终”表现出的光谱特征又是由以下因素决定的:水面的入射辐射、水的光学性质、表面粗糙度、日照角度与观测角度、气-水界面的相对折射率以及在某些情况下还涉及水底反射等。12/1/20229重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特征到达水面的入射光到达水面的入射光(太阳光和天空光)它的强度与水面性质有关:表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰层、泡沫带等。3.5%水面散射光水面散射光Ls少量水体本身信息其余的光经折射、透射进入水中,大部分被水分子吸收和散
5、射,以及被水中悬浮物质所散射、反射、衍射成水中散射光。它的强度与水的混浊度混浊度成正相关,与水的深度深度成正相关。部分衰减后的水中散射光到达水体底部形成底部反射光它的强度与水的混浊度混浊度成正相关,与水的深度深度成负相关水中散射光的向上向上部分部分及浅海条件下的底部反射光共同组成Lw水中光或称离水反射辐射。天空散射光Lp遥感器接收L=Lw+Ls+Lp12/1/202210重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特征L(接收)=Lw(水中光)+Ls水面反射光)+Lp(天空散射光)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,因而可以通过高空遥感手段探测水中光和水面反射光,以获取水色
6、、水温、水面形态等信息,并由此推测有关浮游生物、浑浊水、污水等的质量和数量以及水面风、浪等有关信息。12/1/202211重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特征说明1:上述的水体的散射和反射主要出现在一定深度的水体中,称之为“体散射”。水体的光谱特性主要是通过透射率,而不仅是通过表面特征确定的,它包含了一定深度水体的信息,且这个深度及反映的光谱特性是随时空而变化的。水色(水体的光谱特性)主要决定于水体中浮游生物含量(叶绿素浓度)、悬浮泥沙含量(混浊度)、营养盐含量(黄色物质、溶解有机物质、盐度指标)以及其他污染物、底部形态(水下地形)、水深等因素。12/1/202212重庆交通大学 水体光谱特
7、征水体光谱特征大量研究表明,叶绿素、悬浮泥沙等主要水色要素的垂直分布并非均匀的(见图13.4)。水体中的水分子和细小悬浮质(粒径波长)造成大部分短波光的瑞利散射(散射系数与波长的4次方成反比,波长越短,散射越强),因此较清的水或深水体呈蓝或蓝绿色(清水光的最大透射率出现在0.450.55 m,其峰值波长约为0.48 m。12/1/202213重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特征说明2:离开水面的辐射部分(即水中光经折射出水面的部分),除了水中散射的向上部分外,还包含在日光激励下水中叶绿素经光合作用所发出的的荧光。12/1/202214重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特征说明3:水面入射光谱
8、中,仅有可见光(0.40.76 m才透射入水,其他波段的入射光或被大气吸收或被水体表面吸收,如图13.5所示。该图中还显示蓝光(0.40.5 m)水的透射性最好,对于清洁水可达几十米。12/1/202215重庆交通大学 水体光谱特征水体光谱特征水体光谱特征1.水体界限的确定2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系4.水体光谱特征与水深的关系5.水体光谱特征与水温的关系6.水体光谱特征与水体污染物的关系12/1/202216重庆交通大学 1.水体界限的确定水体界限的确定在可见光范围内,水体的反射率总体上比较低,不超过10%,一般为4%5%,并随波长的增大逐渐降低
9、,到0.6 m处约2%3%,过了0.75 m,水体几乎成为全吸收体。因此,在近红外的遥感影像上,清澈的水体呈黑色。为区分水陆界线,确定地面上有无水体覆盖,应选择近红外波段影像。12/1/202217重庆交通大学 2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系水中叶绿素浓度是浮游生物分布的指标,是衡量水体初级生产力(水生植物的生物量)和富营养化作用的最基本的指标。它与水体光谱响应间关系的研究是十分重要的。当然,这种指示作用的有效性海域还与浮游植物光合作用的环境因素(如营养盐、温度、透明度等)以及叶绿素含量变化的制约条件有关。12/1/202218重庆交通大学 2.水体光
10、谱特征与水中叶绿素含量的关系水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系一般说来,随着叶绿索含量的不同,在0.430.70m光谱段会有选择地出现较明显差异。图13.6显示不同叶绿索含量水面光谱曲线。12/1/202219重庆交通大学 2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系从图中可见,在波长0.44 m处有个吸收峰。0.40.48 m(蓝光)反射辐射随叶绿索浓度加大而降低;在波长0.52 m处出现“节点”,即该处的辐射值不随叶绿素含量而变化;在波长0.55 m处出现反射辐射峰,并随叶绿素含量增加,反射辐射上升;在波长0.685 m附近有明显的荧光峰(图13.7)。12/1
11、/202220重庆交通大学 2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系图13.8反映航空遥感所测的不同叶绿素浓度的海水的光谱响应差异。从图中可见,当叶绿素浓度增加时,可见光的蓝光部分的光谱反射率明显下降,但绿光部分的反射率则上升。12/1/202221重庆交通大学 2.水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系水体光谱特征与水中叶绿素含量的关系利用叶绿素浓度与光谱响应间的这些明显特征,人们采用不同波段比值法或比值回归法等,以扩大叶绿素吸收(0.44 m附近蓝光波段)与叶绿素反射峰(0.55 m附近绿光波段)或荧光峰(0.685 m附近的红光波段)间的差异,提取叶绿素浓度信
12、息,以指示并遥感监测水体(海洋)的初级生产力水平。以Landsat/TM为例(略)。P41812/1/202222重庆交通大学 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系自然因素和人类活动造成水土流失、河流侵蚀,河流带走了大量泥沙入湖入海,是水中悬浮泥沙物质的主要来源。这些泥沙物质进入水体,引起水体的光谱特性发生变化。水体反射率与水体混浊度之间存在着密切的相关关系(正相关)。随着水中悬浮泥沙浓度增加,即水的混浊度增加,水体在整个可见光谱段的反射亮度增加,同时反射峰值波长向长波方向移动(“红移”),即从蓝(B)绿(G)更长波段(0.5m以上)移动,而且反射峰值本身形态变
13、得更宽。12/1/202223重庆交通大学 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系如图13.2所示,自然环境下测量的清水(清澈湖水,悬浮泥沙含量10mg/L)和浊水(混浊泥水,悬浮泥沙含量达99mg/L)的反射光谱曲线有着明显的差异,浊水的反射率比清水高得多,且与清水相比浊水的反射峰值都出现在更长的波段。正因为水色与泥沙含量关系密切,水色成为泥沙含量的较精确的一种指标。水色随混浊度的增加,由蓝绿黄,当水中泥沙含量近于饱和时,水色也接近泥沙本身的光谱。12/1/202224重庆交通大学 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系图13.9为
14、长春遥感试验对7种不同悬浮泥沙浓度的水库进行反射率测定,所得的水体反射光谱曲线与泥沙浓度的关系。图示,随着水中悬浮泥沙浓度的增加及泥沙粒径的增大,水体的反射率增大,反射峰值向长波方向移动,但由于受到0.93 m、1.13m红外强吸收的影响,反射峰值移到0.8m终止(可能有系统误差)。12/1/202225重庆交通大学 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系一般说来,对可见光遥感而言,波长0.43m0.65m为测量水中叶绿素含量的最佳波段;0.58 m 0.68m 对不同泥沙浓度出现辐射峰值,即对水中泥沙反映最敏感,是遥感监测水体混浊度的最佳波段,被NOAA,风云气
15、象卫星及海洋卫星选择。因此,调查水色多选用0.45 m 0.65m 谱段。12/1/202226重庆交通大学 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系当然,泥沙含量的多寡具有多谱段响应的特性。因而水中泥沙含量信息的提取除用可见光红波段数据外还多用近红外波段数据(与红波段数据正相反,其光谱反射率较低,且受水体悬浮泥沙含量的影响不大),利用两波段的明显差异,选用不同组合可以更好地表现出海中悬浮泥沙分布的相对等级。12/1/202227重庆交通大学 3.水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系水体光谱特征与悬浮泥沙含量的关系如何运用遥感获取的水体光谱数据提取出水中悬浮泥沙的专题信
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