内陆水体泥沙含量遥感模型初探.pdfVIP

1 内陆水体泥沙含量遥感模型初探 1 2, 杨丙丰 ，化存才 * 1. 云南师范大学旅地学院，昆明 650092 ；2. 云南师范大学数学学院, 昆明 650092 E-mail: Cuncai-hua@ 摘 要：本文针对当前水资源不合理利用和水污染所造成的水资源危机的现状，以数学建模 思想为指导，从含沙水体光谱特征出发，根据光谱传播的物理性质，建立了关于遥感影像与 含沙水体光谱特征间相互联系的数学模型，即遥感图像灰度值与出水反射率的相互关系。最 终实现对内陆河流湖泊的含沙状况进行实时、动态、快速的监测。 关键词：悬浮泥沙, 光谱特性, 数学模型 1. 引 言 水是生态和环境的核心要素之一，是地球环境中最重要和最有活力的因素，是人类赖以 生存和发展的基本要素之一，尤其是内陆水体，其水质影响到社会生产和国民的生活用水。 然而，随着我国经济的稳定发展，水污染问题也变得日益严峻[1-3] 。如何准确、快捷的水质 监测就成了经济社会可持续发展必须解决的重大课题。 水体中悬浮泥沙的含量是最重要的水质参数之一。含沙量的大小直接影响水体透明度、 混浊度、水色等光学性质，也影响水生生态条件和河口海岸冲淤变化过程，因此水体含沙量 的研究对河口海岸带水质、地貌、生态环境的研究及海岸工程、港口建设等都有重要的意义。 对水体悬浮泥沙含量的常规的调查方法是利用船只逐点采样、分析，但其调查速度慢、 周期长，而且费时费力，并不经济。本文则以数学建模思想为指导，利用遥感技术和方法， 从含沙水体光谱特征出发，根据光谱传播的物理性质，建立起遥感影像与含沙水体光谱特征 间相互联系的数学模型，从而实现大范围、快速、实时动态的监测。该方法不但可以反映水 质在空间和时间上的分布情况和变化，发现一些常规方法难以解释的污染源和污染物的迁移 特征，而且具有成本低和便于进行长期动态监测的优势。 2. 合理假设 2.1 遥感水体泥沙反演的物理机理 当太阳发射的地磁波穿过大气层到达气水交界面时，一部分被水反射，一部分折射进入 水体。透射进入水体的电磁波又经水分子等的吸收遭到削减，剩余的电磁波经水分子和悬浮 泥沙的散射进入大气层与大气的散射光一起被遥感平台所带的传感器接收并将其转变为数 字存储的灰度值[4-7] (见图1)。 1 本课题得到云南师范大学数学学院 “数学建模课外实习与科技活动”课程建设项目(2004)，云南省引进高 层次人才工作经费(2003), 云南师范大学科研启动基金(2002)资助。*通讯联系人。 - 1 - 2.2 模型假设 在基本没有出现水体富营养化时,水质较好，没有受到严重的人为污染(主要是指生活污 水和工农业污水)的内陆水体可以作为饮用水使用的一、二类内陆水体。我们假设电磁波由 大气进入水体到从水体出射的过程中，只有泥沙及水分子本身的影响而无污染物及藻类等的 影响。这样，根据电磁辐射在水中传输的特征，我们可建立反射比与吸收比、后向散射比等 水体固有光学性质之间的定量关系；然后确定出水反射率与吸收比、散射比等的关系，再根 据这两个关系，就可导出水体中悬浮泥沙含量的数学模型。 传感器 天空光 大气散射光 天阳光 表面散射光 水中光 水面