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第二章 水环境遥感.ppt

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水环境遥感

水环境遥感
❖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。

2.1 水环境概述
❖水环境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、和叶绿素含 量的测定，以及污染状况的监测等。
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2.1 水环境概述-理化性质2
❖化学性质 ▪ 天然水是众多元素和化合物的混合液 ▪ 天然水体是一个复杂的氧化还原系统 •有利于天然水体的自净过程和元素的 迁移转化，但也会产生一些有害的效 应 ▪ 天然水体是一个复杂的缓冲溶液系统 •对外来酸碱类物质有一定的抵御能力， 使天然水PH值保持相对稳定 •对保护水生生物的生长繁殖极为有利
▪ 水体混浊时，影像呈绿色或黄绿色。 ❖ 水面的反射波谱主要受如下因素决定：
▪ 纯水及浮游生物或叶绿素、悬浮物、黄色物质 等水中组分的光学特性；
▪ 浅水、清澈水体底质光学特性； ▪ 日照角度与观测角度； ▪ 水面的入射辐射； ▪ 水表面粗糙度； ▪ 气-水界面的相对折射率。
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2.2 水环境遥感物理机理
❖ 河水进入海洋，微量元素溶解性发生本质上的 分配，微量元素的浓度和比例都发生变化。
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2.1 水环境概述-理化性质2
❖ 物理性质 ▪ 温度—水温随季节变化，但月均温低于大气 月均温，且各部分温差不大。 ▪ 臭与味—水中臭与味主要来源于水生动植物 或微生物的繁殖与衰亡。 ▪ 颜色和色度—有机物分解导致水中颜色 ▪ 浑浊度—水中悬浮物和胶体物质对透水光线 的阻碍程度，由泥沙、黏土、有机物导致 ▪ 悬浮物质—主要来自水体所在区域地表 ▪ 电导率—各种无机盐离子使水具有电导率， 天然水电导率低，污染水电导率高 ▪ 溶解气体—溶解氧（DO）

遥感概论水体相关优质PPT资料

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小田
小田
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

遥感应用模型5-水环境遥感

遥感应用模型5-水环境遥感

二、水体污染 3 水质指标
生物化学需氧量： 简称生化需氧量(Bio-cห้องสมุดไป่ตู้emical Oxygen Demand，BOD），表示水中有机物经微生物分解时所需 的氧量，用单位体积的污水所消耗的氧量(mg/L)表示。BOD越高，水中需氧有机物质越多。 微生物的活动与温度有关，一般以20 ℃为测定的标准温度。 20℃时，污水中有机物需20天左右才能完成第一阶段氧化分解过程，为了使测定结果有可比性，通 常以20℃条件下培养5天作为测定生化需氧量的标准时间，简称5日生化需氧量，用BOD5表示。
水环境按其范围大小，可分为区域水环境(如流域水环境、城市水环境等)、全球水环境。 就特定区域而言，水环境又可分为地表水环境和地下水环境。
一、水环境 2 水体
水体有两层含义： 一般指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称； 在环境学领域中，水体包括水中的悬浮物、溶解有机物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完 整的综合自然体。 水环境污染研究中， “水”与“水体”的概念区分十分重要。例如，重金属污染物易从水转移到底 泥中，着眼于水，似乎未受污染，但从水体看，则受到较严重的污染，成为长期的次生污染源。
二、水体污染
3 水质指标
水体污染有时可以直接地察觉到，例如颜色改变，混浊，散发难闻气味，某些生物的死亡、出现、 减少或骤增等；但有时需借助仪器观察分析或调查研究。通常采用水质指标来衡量水质的好坏和被污染的程 度。
水质指标项目繁多，主要可分为三大类： 物理性水质指标： 感官物理性状指标：温度、色度、嗅和味、混浊度、透明度 其他物理性状指标：总固体、悬浮固体、可见固体、电导率
3 I类水体与II类水体
根据水色遥感的研究对象，可以分为大洋开阔水体遥感、近岸水体遥感和内陆水体遥感。 Ⅰ类水体即大洋开阔水体，其光学特性主要是由浮游植物及其降解物决定，光学特性相对简单。 除Ⅰ类水体外的其他水体通常称为Ⅱ类水体，主要包括近岸水体和内陆水体。 Ⅱ类水体的光学特性不仅受浮游植物的影响，而且还受到无生命悬浮物和黄色物质的影响。在水较 浅的情况下，还要考虑水底物质对水体光学性质的影响，因而光学特性复杂多变。

水环境污染遥感监测

水环境污染遥感监测
精品课件
地表水质量标准
• 依据地表水水域使用目的和保护目标将其 划分为五类：
• Ⅰ类 主要适用于源头水、国家自然保护区；
• Ⅱ类 主要适用于集中式饮用水水源地一级 保护区、珍稀鱼类保护区及游泳区；
• Ⅲ类 主要适用于集中式饮用水水源地二级 保护区、一般鱼类保护区及游泳区；
• Ⅳ类 主要适用于一般工业用水及非直接接 触的娱乐用水；
精品课件
四、水污染遥感监测分类
1 泥沙污染 2 石油污染 3 废水污染 4 热污染 5 水体富营养化
精品课件
水污பைடு நூலகம்遥感监测分类
1 泥沙污染 2 石油污染 3 废水污染 4 热污染 5 水体富营养化
精品课件
1.泥沙污染监测
a.浊水的反射率比清水高1.5%~6% b. 0.50~0.55um波段,前者比后者的光谱反射率约高1.5% c. 0.55~0.60um波段,前者比后者约高3% d.0.60~0.75um波段,前者比后者约高4%~6% e.0.75~0.90um波段浑浊河水的反射率为2.5%~5%,而清澈湖 水的反射率几乎趋于零。
• Ⅴ类 主要使用于农业用水和一般景观要求
水域
精品课件
国家标准地面水环境质量标准
精品课件
国家标准地面水环境质量标准
精品课件
一、水环境遥感监测原理
• 水环境的遥感监测是基于污染水的光谱效 应。
• 被污染水体具有不同于清洁水体的光谱特 征,这些光谱特征体现在对特定波长的吸收 或反射,而且这些光谱特征能够为遥感器捕 获并在遥感图像中体现出来
• 定量方法：建立在定性方法之上，需要获 得与遥感成像同步的实测数据，以标定定 量数学模型
精品课件
• 经验三方法、：水基污于染遥遥感感波监段测数据方和法地面实测

水环境污染遥感监测 PPT

水环境污染遥感监测 PPT
污染分类 《水环境石油类污染遥感识别模式及其应用》黄妙芬等
• 第1类,非污染,水体石油类污染<1. 0mg /L,即 小于国家水质标准V类水质的石油类污染限 定值;
• 第2类,水体石油类污染在1. 0～10. 0mg /L之 间,属于轻度污染;
• 第3类,水体石油类污染在>10. 0mg /L,属于 重度污染。
4.热污染监测
• 使用热红外传感器,能根据热效应的差异有 效地探测出热污染排放源。
• 利用光学技术或计算机对热图像作密度分 割,根据少量同步实测水温, 绘制水体的等温 线。
• 在热图像上，热水温度高，反射能量多， 呈浅色调；冷水呈深色调
水污染遥感监测分类
1 泥沙污染 2 石油污染 3 废水污染 4 热污染 5 水体富营养化
• 分析方法：代数法、非线性优化法、矩阵反演 法
四、水污染遥感监测分类
1 泥沙污染 2 石油污染 3 废水污染 4 热污染 5 水体富营养化
水污染遥感监测分类
1 泥沙污染 2 石油污染 3 废水污染 4 热污染 5 水体富营养化
1.泥沙污染监测
a.浊水的反射率比清水高1.5%~6% b. 0.50~0.55um波段,前者比后者的光谱反射率约高1.5% c. 0.55~0.60um波段,前者比后者约高3% d.0.60~0.75um波段,前者比后者约高4%~6% e.0.75~0.90um波段浑浊河水的反射率为2.5%~5%,而清澈湖水 的反射率几乎趋于零。
用水； • Ⅴ类 主要使用于农业用水和一般景观要求水域
国家标准地面水环境质量标准
国家标准地面水环境质量标准
一、水环境遥感监测原理
• 水环境的遥感监测是基于污染水的光谱效 应。
• 被污染水体具有不同于清洁水体的光谱特 征,这些光谱特征体现在对特定波长的吸收 或反射,而且这些光谱特征能够为遥感器捕 获并在遥感图像中体现出来

水环境污染遥感监测(共24张PPT)

水环境污染遥感监测(共24张PPT)

5.水体富营养化监测
Байду номын сангаас
5 水体富营养化
5.水体富营养化监测
• 水体富营养化：当大量的营养盐进入水体后， 在一定条件下引起藻类的大量繁殖，而后在 藻类死亡分解过程中消耗大量的溶解氧，从 而导致鱼类和贝类的死亡。
• 反映水体富营养化程度的主要因子是叶绿素 a
• 由于浮游植物体内含的叶绿素对可见光和近 红外波段具有“陡坡效应〞,使那些浮游植物 含量高的水体兼有水体和植物的反射光谱特 征。
学模型 0mg /L,属于重度污染。
国家标准地面水环境质量标准 污染物的排放源、扩散方向、影响范围及与清洁水混和稀释的特点
三、水污染遥感监测方法
• 经验方法：基于遥感波段数据和地面实测数 据的相关性统计分析,选择最优波段或波段组 合数据与地面实测水质参数通过统计分析得 到相关模型,进而反演水质参数。
• 半经验方法：根据机载成像光谱仪或野外各 种光谱仪测量的水体光谱特征,选择估算水质 参数的最正确波段或波段组合,然后选用适宜 的数学方法建立遥感数据和水质参数间的定 量经验性算法。
• 分析方法：代数法、非线性优化法、矩阵反
四、水污染遥感监测分类
1 泥沙污染 2 石油污染 3 废水污染 4 热污染
染源。
异常对水环境化学现象进行分析评价。需要 三、水污染遥感监测方法
水体富营养化：当大量的营养盐进入水体后，在一定条件下引起藻类的大量繁殖，而后在藻类死亡分解过程中消耗大量的溶解氧，从而导致鱼 类和贝类的死亡。
了解水环境化学现象与遥感图像的色调之间 在热图像上，热水温度高，反射能量多，呈浅色调；
使用热红外传感器,能根据热效应的差异有效地探测出热污染排放源。
污染分类
?水环境石油类污染遥感识别模式及其应用?黄妙芬等

第二章水环境遥感2016

第二章水环境遥感2016

5.ERS和JERS(SAR)
水体在SAR图像表现为暗色或黑色调，水 陆分界明显
水位越深，颜色越暗
第三节 水资源遥感监测
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
应用实例
青藏高原湖泊调查：300多年150多次考察曾查 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。
地下淡水：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。
对于河口三角洲的调查研究，以往通常是野外地 面调查，随着遥感技术的进步，人们广泛地应用 卫星图像进行典型调查分析
利用遥感图像进行水系变迁、古河道的调查，对 合理开发地下水的资源具有科学现实意义
昌化江河流入海口处泥沙淤积（左2001 年影像右1991 年影像）
4.海岸带演变
海岸带是海陆交汇的过渡地带。其包括陆域的潮 上带、海滩涂的潮间带和近海域的潮下带几部分。 其陆域、滩涂与海域三者之间的面积比约为 4:1:5。我国拥有18000km的大陆岸线，有着独 有的优势区位，是我国经济建设的重要资源之一。
一、水体的光谱特征
天然水体对0.4-1.1μm反射率低于其他物体，总辐 射水平明显低于其他地物，在遥感图像上往往表现 为暗色调
在近红外波段反射率比可见光波段更低
对不同的水体， 在可见光波段， 其反射率有较为 明显的不同，如 随泥沙的含量增 加而加强

遥感应用模型5-水环境遥感

遥感应用模型5-水环境遥感

3 I类水体与II类水体
根据水色遥感的研究对象，可以分为大洋开阔水体遥感、近岸水体遥感和内陆水体遥感。 Ⅰ类水体即大洋开阔水体，其光学特性主要是由浮游植物及其降解物决定，光学特性相对简单。 除Ⅰ类水体外的其他水体通常称为Ⅱ类水体，主要包括近岸水体和内陆水体。 Ⅱ类水体的光学特性不仅受浮游植物的影响，而且还受到无生命悬浮物和黄色物质的影响。在水较 浅的情况下，还要考虑水底物质对水体光学性质的影响，因而光学特性复杂多变。
二、水体污染
3 水质指标
悬浮物： 指水中呈固体状的不溶解物质。它是水体污染基本指标之一。如水中的各类矿物微粒，含铝、铁、 锰、硅水合氧化物等无机物质，以及腐殖质、蛋白质等有机大分子物质。 有机物含量： 水体中有机物种类繁多，组成复杂，难以分别对其进行定量、定性分析。因此，一般不对它们进行 单项定量测定，而是利用其共性，用某种指标间接地反映其总量或分类含量。 在实际工作中，常用下列指标表示水中有机物的含量：化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总 有机碳(TOC)和总需氧量(TOD)。
二、水体在不同传感器上的表现
水体浑浊度愈大，水下散射光愈强， 两者呈正相关；
衰减后的散射光到达水体底部形成 底部反射光，强度与水深呈负相关， 且随水体浑浊度增大而减小。
水中散射光的向上部分及底部反射 光共同组成水中光或称离水反射辐射。
二、水体在不同传感器上的表现
传感器接收信息： L=Ls＋Lw＋Lp 水中光Lw、水面散射光Ls、天空散射光 LP 。
二、水体污染 1 水体污染
当污染物进人河流、湖泊、海洋或地下水等水体，其含量超过水体的自净能力，使水质和底质的物 理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象，称水体污染。
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《遥感地学分析》课程编写小组
2001年1月15日FY-1C观测到的渤海海域海冰监测图像
《遥感地学分析》课程编写小组
2001年2月15日FY- 1C观测到的渤海海域海冰监测图像
《遥感地学分析》课程编写小组
2.3 水体污染监测
利用遥感技术能迅速、同步地监测大范围水环境质 量状况及其动态变化，在这些方面弥补了常规监测手段 的不足，因此引起许多环境科学工作者的重视。就精度 而言，遥感方法通常低于常规监测方法，但遥感技术正 是通过这种精度上的损失，换取了水环境研究的区域性、 动态性和同步性，这正是把遥感技术应用于水环境研究 的意义所在。
在彩色红外图像上呈红褐色或紫红色, 在MSS7图像上呈浅色调
悬浮泥沙
水体浑浊
在MSS5像片上呈浅色调,在彩色红外片上呈淡蓝、 灰白色调,浑浊水流与清水交界处形成羽状水舌
石油污染
油膜覆盖水面
在紫外、可见光、近红外、微波图像上呈浅色调, 在热红外图像上呈深色调,为不规则斑块状
水中某些成分对波谱信号的散射远远大于水分子本 身对波谱信号的散射。不同水质呈现出不同的光谱特性。
《遥感地学分析》课程编写小组
2.1 水体的光谱特性
不同叶绿素含量水体的反射光谱曲线
《遥感地学分析》课程编写小组
2.1 水体的光谱特性
不同泥沙含量水体的反射光谱曲线
《遥感地学分析》课程编写小组
2.2 水资源遥感
从水体中得到的遥感光谱信号是多种信号的复合体， 它包括了大气散射及水面、水底的反射以及水体中多种 综合因素的散射辐射。波长为的遥感光谱信号的传播过 程如下图所示 ：
《遥感地学分析》课程编写小组
2组
2.1 水体的光谱特性
由高度为Z的传感器接受到的遥感光谱信号L可用下式表 示：
《遥感地学分析》课程编写小组
2.1 水体的光谱特性

上图和上式可以看出，由于水体的透光性和水面的
反射性，由传感器接受到的水体遥感光谱信号包含了来
自大气、水面、水体以及水底各个不同层次的光谱信号，
是一个经过了叠加的综合信号。包括了水体中叶绿素的
光谱信号、悬浮泥沙、污染物、流场等的光谱信号。水
体遥感是复杂的。
《遥感地学分析》课程编写小组
2.3 水体污染监测
在江河湖海各种水体中，污染物种类繁多。为了便 于用遥感方法研究各种水污染，习惯上将其分为富营养 化、悬浮泥沙、石油污染、废水污染、热污染和固体漂 浮物等几种类型。
《遥感地学分析》课程编写小组
2.3 水体污染监测
污染类型
生态环境变化
遥感影像特征
富营养化 浮游生物含量高
《遥感地学分析》课程编写小组
2.3 水体污染监测
从原理上说，遥感传感器记录的是地表物体的电磁 波辐射特性（强弱变化及空间变化），因此只有在较大 程度上直接或间接影响水体的电磁波辐射性质的水环境 化学物质才有可能通过遥感技术加以探测，并非所有水 环境化学研究的内容都可以辅以遥感手段。
《遥感地学分析》课程编写小组
《遥感地学分析》课程编写小组
2.2 水资源遥感
水域变化监测 遥感研究自然历史变迁，尤以研究水域的演 变
最为突出，效果明显。这是因为，一是水域面积大，变 化快，形态独特；二是水在各波段具有明显的特性；三 是水域演变后多能在原地保留一定湿度和形态， 即“痕 迹”较为明显。因而，在遥感图像上图斑清晰，信息丰 富，较易辨别。 （1）河流、水系变化 （2）湖泊演变 （3）河口三角洲演变 （4）海岸带演变
能量 (Ed)，但水的散射会增加天空辐射能量(Eu)，而水 的吸收则会同时减少 Ed和 Eu。遥感探测的波谱信息就 是这种吸收和散射过程综合作用的结果。
《遥感地学分析》课程编写小组
2.2 水资源遥感
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。
遥感地学分析
Geography Analysis for Remote Sensing
第2章 水环境遥感
《遥感地学分析》课程小组编写
内容提要
2.1 水体的光谱特性 2.2 水资源遥感 2.3 水体污染监测
2.3.1 内陆水体污染遥感监测 2.3.2 海洋污染遥感监测
2.1 水体的光谱特性
《遥感地学分析》课程编写小组
2.2 水资源遥感
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 （2）水深探测 （3）水温探测 （4）径流估算
《遥感地学分析》课程编写小组
2.1 水体的光谱特性

纯水在 400～ 1100 nm之间的吸收和散射特 性
《遥感地学分析》课程编写小组
2.1 水体的光谱特性
上图为纯水在400-1100nm之间分辨率为1nm的吸收和 散射特性。
然而,就多种传感器的表面水质监测而言,还必须知 道波谱段探测信号的反演能力。因为适当的波段划分,选 择和组合会带来许多优点:减少数据的选择过程,优化波 段组合算法,并减少多波段组合引起的噪声影响等。
2.3 水体污染监测
利用遥感技术研究水环境化学包括定性和定量两种 方法。定性遥感方法是通过分析遥感图像的色调（或颜 色）特征或异常对水环境化学现象进行分析评价的，这 往往需要了解水环境化学现象与遥感图像的色调（或颜 色）之间的关系，建立图像解译标志。定量遥感方法建 立在定性方法的基础之上，为了消除随机因素的影响， 通常需要获得与遥感成像同步（或准同步）的实测数据， 以标定定量数学模型。
水体遥感原理 水既可以吸收也可以散射通过水汽界面的波谱辐射
能量 (Ed)，但水的散射会增加天空辐射能量(Eu)，而水 的吸收则会同时减少 Ed和 Eu。遥感探测的波谱信息就 是这种吸收和散射过程综合作用的结果。
《遥感地学分析》课程编写小组
2.2 水资源遥感
水体遥感原理 水既可以吸收也可以散射通过水汽界面的波谱辐射