新大遥感地学分析讲义第6章 水环境遥感.docxVIP

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第6章 水环境遥感 水环境是由地球表层水圈所构成的环境,它包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。 水环境的遥感监测多是对地表各种水体进行空间识别、定位、及定量计算面积、体积或模拟水体动态变化。随着遥感基础研究的进展,对水体本身的光谱特性有了深入研究,同时进行许多水质光谱数据测试。对水体的遥测也转换到水体属性特征参数的定量测定,如水深的控制、悬浮泥沙浓度的测定、和绿素含量的测定,以及污染状况的监测等。 第一节 水体的光谱特征 太阳辐射到达水面后,—部分被水面直接反射回空中形成水面反射光,它的强度与水而状况有关,但除了发生镜面反射的情况之外,一般仅占到入射光的3.5%左右;其余光透射进水中,大部分被水体吸收,部分被水体悬浮泥沙和有机生物散射,构成水体散射光,其中返回水面的部分称后向散射光;部分透过水层,到达水底再反射,构成水底反射光,这部分光与后向散射光一起组成水中光,回到水面再折向空中,所以遥感器接收到的光包括水面反射光和水中光(当然还有天空散射光)(参见图6.1)。一般清水的反射率在可见光区都很低(仅蓝光波段稍高),以后随波长增加而进一步降低,至0.75μm以后的红外波段水几乎成了全吸收体。泥沙含量很高的混浊水,在可见光的反射率明显提高了,提高的幅度随悬浮泥沙的浓度与粒径而增加。图6.2展示了不同泥沙含量水样的光谱反射曲线。从图中可以看比,随着泥沙含量的增高,水体反射率急剧增其最高反射率则有黄绿光区向红光和近红外区移动的趋势。因此,0.6μm~0.7μm左右是定量分析悬浮泥沙的最佳波段之一。 图6.1 电磁波与水体的相互作用 图6.2不同泥沙含量水体的反射光谱曲线 在清澈的水体中,水底的反射光和水中的散射光强度,与水的深度呈良好的负相关。据测定,清洁水对0.47μm~0.55μm左右的光谱散射作用最弱,消散系数最小,即穿透能力最强,故可以认为0.47μm~0.55μm是遥感探测清洁水深的最佳波段。 近年我国部分水域遭受不问程度的污染,其中最普遍的是水体富营养化,促使藻类等水生生物大量繁殖。水生生物体中的叶绿素与藻胆素等会改变纯水在近红外波段的强吸收性,使曲线多少显示出近红外的“陡坡”效应(参见图6.3),其程度则取决于水生生物量的多寡。由此提供了遥感监测海洋赤潮和湖泊富营养化暴发水华的依据。 图6.3藻类对水体反射曲线的影响 第二节 水资源遥感 在水资源监测中,实测数据必不可少。但是,仅通过这些水文观测点得到的数据并不能得到我们所需要的区域水资源分布图。实际上,利用个别点的观测信息很难得到水资源的空间分布信息。在某些地区,水资源状况的实地测量根本无法进行。在这种情况下,遥感以其实时、高效、数据量大、观测范围广的优点在水资源监测中发挥了重要的作用。随着多传感器、多光谱遥感的发展和应用,结合地面实测数据,遥感会在河流湖泊动态监测、冰雪覆盖、地下水监测、水质监测、土壤水分等水资源监测方面发挥巨大作用,成为研究水文循环、进行水资源有效监测和管理的重要手段。 遥感在水文水资源方面的应用,包括水资源的调查、流域规划、水域面积分布及变化、径流估算、水深、水温、冰雪覆盖、土壤水分监测、冰雪监测、河口海岸带及浅海地形调查、海洋调查研究等方面。特别是在人类足迹难以到达的荒凉地区,遥感技术可成为水文、水资源调查的有效手段。例如,我国青藏高原在以往300年来先后经历了150多次探险考察,曾查出500多个湖泊,而近年来采用航空像片、卫星图像判读,不仅对这些湖泊的面积、形状进行了修正定位,而且还补充了地面考察或地图上未标明的300多个湖泊。另外,红外遥感图像在识别含水层、判断充水断层、查明富水地段位置方面是很有利的。例如,美国在夏威夷群岛,利用红外遥感发现了200多处地下淡水出露点,从而解决了该岛对淡水的需求。 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。 一、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 要测量水面面积,首先要准确标定水边线。根据水体对近红外和红外线部分几乎全吸收及雷达波在水中急速衰减的特性,应用航空像片和机载雷达图像可以获得准确的水边线位置,从而保证水面面积量测的精度。而目前最常用的却是陆地卫星Landsat TM/M

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