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1、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/MSS、SPOT、气象卫星等遥感图像。例如用TM5图像研究都阳湖洪水期和枯水期的水面形状，洪水期湖面好似一只斜放的三角瓶，枯水期时，湖变成了赣江分支众多的岔道形状。若收集历年来丰水年、平水年、枯水年及年内洪水期、中水期、枯水期的图像资料及同步实测的湖水水位资料，分析历史的水位与面积的关系，做出水位面积关系曲线，则可以出任何时刻图像上的湖水面积，从曲线上查出湖水位。

2、若从TM2图像上根据灰度绘出等深线的话，则可根据深度和面积求出容积，这对研究湖泊、水库的调洪能力很有意义。流域形状，可利用TM5图像描出河系网络，由TM3图像勾绘流域分水界线得到。 若在其上面出离河口的等距线，面积的分布按河段统计，并假定流域的最大长度和宽度总是以 100%计，即可绘成极其精确的流域分类曲线。这些流域分类曲线俨如流域的暴雨流量过程线的形式；所以利用遥感图像研究流域形状分类，对分析径流形成及正确了解洪水情况（特别是未经研究的河流）来说，是有用且有效的。水面面积和流域形状测量的精度与遥感图像的地面分辨率有关。地面分辨率低，则精度差；地面分辨率高，则精度高。2）水深探测水深指水的穿深

3、能力，即水体的透光性能。它是由衰减长度来衡量的。衰减长度是表示水中能见度的一个量度单位，一个衰减长度被定义为向下辐照度等于表面辐照度的1/e（或37%）的长度。水体本身的光谱特性是与水深相关的。图5.5显示清澈水体，随水深的增加（00.2220m），其光谱特征的变化，即阳光透入清水的光谱特征，近水面的曲线形态近似于太阳辐射，但随着水深的增大，水体对光谱组成的影响增大。在水深20m处，由于水体对红外波段光的有效吸收，近红外波段的能量己几乎不存在，仅保留了蓝、绿波段能量。所以蓝绿波段对研究水深和水底特征是有效的。光对水的穿深能力，除了受波长的影响外，还受到水体混浊度的影响。图5.6显示不同混浊度水

4、体的不同光谱衰减特征。从图中可见，随着水中悬浮物质含量（混浊度）的增加，反射率明显增强，透射率明显下降，衰减系数增大，光对水的穿深能力减弱，最大透射波长（即最大穿透深度的波长）向长波方向移动。对于清水，光的最大透射波长为0.450.55m，其峰值波长约0.48m，位于蓝绿波长区。水体在此波段，散射最弱，衰减系数最小、穿深能力（即透明度）最强，记录水体底部特征的可能性最大；在红光区，由于水的吸收作用较大，透射相应减小，仅能探测水体浅部特征；在近红外区，由于水的强吸收作用，仅能反映水陆差异。正因为不同波长的光对水体的透射作用和穿深能力不同，所以水体不同波段的光谱信息中，实际上反映了不同厚度水体的信

5、息特征，包涵了“水深”的概念。比如，一般蓝绿波段（如MSS4、或TM1、TM2）穿透深度约1020m，则水体对应的像元可能反映了约1020m厚度水体的综合光谱特性（清水则可能穿深30m）；而红波段（如MSS5或TM3）穿透深度约2m，则可能反映了约2m厚度水体的综合光谱信息。正如前述，水体的光谱特性主要是通过体散射，而不是表面反射测定的，这与陆地截然不同。实际上影响遥感入水深度的因素很多。除了波长、水体混浊度外，还与水面太阳辐照度E（）一一是太阳天顶角。、太阳方位角的函数，水体的衰减系数（）、水体底质的反射率（）、海况、大气效应等有关。Poleyn和Fabian曾提出海面的离水反射辐射Lw与水

6、深Z的关系式：（5-1）式中：n为底质的折射系数。其中衰减系数（）是吸收系数与散射系数之和，它与水中的可溶性有机质及悬浮物有关，而水体中悬浮固体的垂直、水平分布，又受到地球重力场、风场、海流、潮沙等的影响。同一水区水体底质不同，其反射率（）不同，遥感器所接收到的信号大小及信噪比也不同。如试验表明，当=0.05m-1的清晰海水中，底质为砂质（=25%）或底质为泥沙质（p=20%），对于相同的遥感图像数据，前者的最大入水深度明显大于后者。但实验证明，遥感图像数据所能显示的水深信息、入水深度，要比理论推算得大，而且与水深实际测量值的相关程度往往随泥沙含量增加而增大。这说明水中泥沙虽减少了太阳光的入水

7、深度，但同时又从水动力作用关系上，通过水下地形与悬浮固体的分布运动，来传递部分水深信息。这在河口附近的浅海区尤为明显。上述的“衰减系数”指随着深度增加，光变得暗淡的速率，有时又用透射率或透明度来表示或度量。“透明度”表征随深度增加，漫散光沿垂直方向的衰减量。传统测量方法则用直径30cm的白色圆板垂直沉入水中所能看到的最大深度。透明度zm与表层水的线性衰减系数的关系，在许多海区可表示为：（5-2）l为衰减长度，即水中能见度的度量，单位为米。衰减系数、透射率、透明度均可以表征水体的能见度。 图5.5清水不同深度的光谱特征图5.6浊水不同深度的光谱特征此外，水体的光谱特性还与水面粗糙度有关。图5.7

8、显示在可见光-近红外范围内，平静水面与波浪引起的粗糙水面的光谱特性。平静光滑的水面仅有体反射辐射部分的能量进入遥感器，而粗糙波浪水面有表面反射和体反射两部分能量进入遥感器，因此后者比前者亮度更高。图5.7 不同水面粗糙度的光谱特性3）水温探测遥感器所探测的热红外辐射强度而得到的水体温度是水体的亮度温度（辐射温度），本应考虑水的比辐射率，方可得到水体的真实温度（物理温度）。但在实际观测中由于水的比辐射率接近于1（近似黑体），在波长514m段尤为如此。（图5.8），因此往往用所测的亮度温度表示水体温度。图5.8 水体与黑体辐射特征另外，由于水体热容量大、热惯量大、昼夜温差小，且水体内部以热对流方式

9、传输热量，所以水体表面温度较为均一，空间变化小；但是大气效应，特别是大气中水汽含量，对水温测算精度影响较大，因此，遥感估算水温时，必须进行大气纠正。水面遥感测温及水面大气纠正均比陆地表面的简单和成熟。尽管，由于水体（这里是指海洋）中叶绿素、混浊度、表面形态、表面热特征不一，使水体具有不同的光谱特征；尽管不同波谱段对水体有不同穿透能力，同一谱段对不同类型水体有不同穿透能力等，造成水体光谱特征的差异。但是，水体整体反射率低（10%），相互之间的光谱差异小，与陆地上地物光谱特征间差异相比要小得多，因而所得的海洋遥感图像反差很低，可以获得的信息是十分有限的。再加上，海洋信息的获取还受到多变的海洋环境的

10、干扰，如太阳入射角、观察高度、海-气条件（云层、海冰、海浪、传播方向等）、底质条件、水深以及水体本身不同的生物、化学、物理因素等。因此，对水体遥感尤其是海洋遥感来说，光学遥感（主要是可见光遥感）显然是不够的，除了采用可见光，红外波段以外，必须开辟新的电磁波谱段一一微波等。海洋的微波辐射取决于两个主要因素：一是海面及一定深度的复介电常数（E）。它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定。海水是由各种盐类、有机质、悬浮粒等组成的复杂水体。从微波辐射角度，海水可视为含NaCl等盐类的导电溶液。海水的介电常数E是海水温度、盐度的函数。因而海洋微波遥感可以测得海面及水面下一定深度的温度和含盐度等信

11、息。二是海面粗糙度一一海面至一定深度内的几何形状结构。（2） 水域变化监测遥感研究长周期的水域历史变迁，主要是依据它在遥感图像上所遗留下来的“痕迹”进行识别的。由于河流、湖泊、海岸等均有其特定的发生发展规律，有其区别于其它地物的特性，因此尽管经历了漫长的自然历史过程，发生了很大的变化，仍有不少特征通过地表水分条件、植物生长状况、土地利用方式、地貌结构和组合关系等得以不同程度的保留。在遥感图像上，它们以色调、阴影、形态、大小、纹理结构等的差异反映出来，由此可勾绘出它们的变迁轨迹。人们通过寻找这些图像标志及其与周围环境因子的不同之处，来追索它们的分布、变化范围和演变规律，并结合它们的时空变化规律（

12、在空间组合上的规律性），进一步从宏观上恢复此地当时的古地理环境。这种水域历史变迁“痕迹”的识别，往往在大范围内才能奏效。一个地区的自然历史变迁与该地的水域演变有着十分密切的联系。遥感研究自然历史变迁，尤以研究水域的情变最为突出，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。正因为遥感图像上详细地记录了水域的分布形态，并且方位准确，形象逼真，所以有利于水域演变的定位定量研究，可以起到在宏观上“再现”演变模式的作用，因此为水域的动态研究提供了新手段

13、和新途径。自然环境变迁中，河湖水系的变迁最为明显，它们在卫星影像特征中有较好的表征，这为河道的分布及其变迁研究提供了重要的依据。因为水体在遥感图像上表征出的形迹，除了其河湖本身特征外，还反映在其他相关要素的间接标志上。另外，从水体分布的地理规律及其发生发展的特点，可通过地学分析加以揭示。例如，对古河道与三角洲变迁的研究，除由其色、形、位等直接标志分析外；还可从植物（包括农作物）生长情况、地貌结构特征、土地利用方式等相关因素进行综合分析。2.4 水质遥感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。近些年

14、来出现了“水质遥感”和“污染遥感”研究课题，它们分别对自然水体和污染水体的水质（或污染物）进行遥感研究。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。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。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

15、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。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，表5.1列举了各种污染水体在遥感影像上的特征。表5.1 水污染的遥感影像特征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

16、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,为不规则斑块状废水污染水色水质发生变化单一性质的工业废水随所含物质的不同色调有差异,城市污水及各种混合废水在彩色红外像片上呈黑色热污染水温升高在白天的热红外图像上呈白色或白色羽毛状,也称羽状水流固体漂浮物各种图像上均有漂浮物的形态水质遥感由于种类很多，不同的监测目的对于遥感影像的地面分辨率和光谱段及获取周期各有不同。表5.2表示在水污染遥感监测中，对于不同污染源所需要的遥感参数。表5.2 水质遥感对影像的要求测

17、定项目遥感参数地面分辨率（m）光谱分辨率（mm）波长范围（nm）摄影周期视场角（离铅直方向的角度）摄影范围（kmkm）10-30*（300）紫外、可见、微波2-4小时（1天）注意光晕200200（2020）20（500）0.15（0.15）350-800400-7002小时0-+15（-5-+30）350100（1010）固体废物10（200）5小时（10天）- +15353530温度分辨率0.2C（1C）10-20mm（10-14mm）（2000）0.052天（14天）（0- +30350（3535）赤潮0.015（0.015）（2天）100）注：表内数字是指理想值，括弧内的数字是最低限度允

18、许值。（1）水体富营养化遥感监测当大量的营养盐进入水体后，在一定条件下台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溶解氧，从而导致鱼类和贝类的死亡。这一过程称为水体的富营养化。反映水体富营养化程度的最主要因子是叶绿素，其中又以叶绿素-a最为突出。m附近，普遍出现辐射峰值。而且水体叶绿素浓度越高，其辐射峰值也越高。这就是叶绿素遥感的波谱基础。m处出现“节点”。在“节点”处，水面反射率随叶绿素浓度变化不大。在0.55m处出现明显的吸收（辐射微弱）；在0.52叶绿素遥感是基于不同浓度浮游植物有着不同的辐射光谱特性。不同浓度浮游植物的光谱特征曲线在0.441）水体光谱特征与水中叶绿素含量的关

19、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。一般说来，随着叶绿素含量的不同，在0.430.70m光谱段会有选择地出现较明显的差异。图5.9显示不同叶绿素含量水面光谱曲线。从图中可见，在波长0.44m处有个吸收峰。0.40.48m（蓝光）反射辐射随叶绿素浓度加大而降低；在波长0.52m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0.55m处出现反射辐射峰，并随着

20、叶绿素含量增加，反射辐射上升；在波长0.585m附近有明显的荧光峰（图5.10）。这是由于浮游植物分子吸收光后，再发射引起的拉曼效应一一即进行水分子破裂和氧分子生成的光合作用，激发出的能量荧光化的结果。从图中可知，以上的波峰-波谷带宽较窄，为获取这些有指示意义的信息，需要选择的波段间隔不宜宽，最好小于或等于5nm。图5.11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。图5.9 不同叶绿素含量水面光谱曲线 图5.10 不同叶绿素含量水面光谱曲线图5.11航空遥感所测的海水的光谱响应2）水体富

21、营养化遥感监测的可行性对于富营养化的两个不同阶段藻类大量繁殖阶段和藻类大量死亡分解阶段（耗氧阶段），水体有不同的光谱特征。由于浮游植物中的叶绿素对近红外光具有明显的“陡坡效应”，因而这种水体兼有水体和植物的光谱特征在红光区特别是在近红外区具有高的反射率。因此，在赤潮发生时，水体在彩色红外像片上（或标准假彩色图像上）呈现红色斑块，在彩色红外图像上，富营养化水体呈红褐色或紫红色；当藻类大量死亡后，水中含有丰富的消光性有机分解物，在上述两种图像上水体会呈现近于蓝黑的暗色调。当然，富营养化的这两个阶段不是截然分开的，因此图像上有时会呈现综合特征。在AVHRR可见光谱段，水体表现为一片漆黑，当海洋水体中

22、浮游生物和悬浮固体浓度增加，使海洋水体向后散射光增加，但是增加得很小，在影像上水体还是黑暗的。只有发生藻华现象时（高浓度的颗石藻在成熟死亡过程中与藻层即碳酸钙层脱离，其骨架自由悬浮在水中）会造成水体反射率增加，在影像上表现为发亮的高反射率影像。暖流在这个过程中起了促进作用，即加速了过程的进行。m处有很高的反射峰。m和橙光区0.590.52由于水体富营养化及赤潮的发生，海面浮游植物大量繁殖和生长，蓝、绿光被吸收，而红光和近红外则有强烈的反射，而偏离了正常的浮游植物的反射波谱，表现出强烈的吸收和反射特性。因此，赤潮发生时，在蓝、绿波段表现吸收特性，在红光区的0.590.72通过监测沿岸海面，发现赤

23、潮、水体富营养化，并确定其程度和圈定其范围。并对发现的赤潮进行短期内的重复监测，以获取其发生、发展的进度和机理，寻求减少这类灾害出现的方法和措施。（2）悬浮固体遥感监测悬浮固体的运移特征是沿海河口形状和演变规律的核心问题。了解和掌握河口悬浮固体的来源、含量、分布、运移、沉积，可分析河口演变的动力特征。其作用在于它将直接影响到河口区资源的开发利用、环境变化、经济发展和人民生命财产问题。它是河口区发展决策的重要依据之一。所以用遥感的方法监测悬浮固体是很有必要的。1）水体光谱特征与悬浮固体含量的关系由于自然因素和人类活动造成水土流失、河流侵蚀等，河流带走了大量泥沙入湖、入海，是水中悬浮固体物质的主要

24、来源。这些泥沙物质进入水体，引起水体的光谱特性的变化。水体反射率与水体混浊度之间存在着密切的相关关系。随着水中悬浮固体浓度的增加，即水的混浊度的增加，水体在整个可见光谱段的反射亮度增加，水体由暗变得越来越亮，同时反射峰值波长向长波方向移动，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得更宽。自然环境下测量的清水（清澈湖水，悬浮固体含量10mg/L）和浊水（混浊泥水，悬浮固体含量达99mg/L）的反射光谱响应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

25、随混浊度的增加，由蓝色绿色黄色，当水中泥沙含量近于饱和时，水色也接近于泥沙本身的光谱。图5.12为长春遥感试验对7种不同悬浮固体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。图中所示，随着水中悬浮固体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0.93m、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）。一般说来，对可见光遥感而言，波长0.430.55m，为测量水中叶绿素含量的最佳波段；0.580.58m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，风云气象卫星及海洋

26、卫星选择。因此调查水色，多选用0.450.55m谱段。当然泥沙含量的多寡具有多谱段响应的特性。因而水中悬浮固体含量信息的提取，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，且受水体悬浮固体含量的影响不大），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水中悬浮固体分布的相对等级。以下介绍一下水中悬浮固体信息提取的方法。图5.12 水库中不同悬浮固体浓度水体的反射率从理论上讲，水体的光谱特性，包含了水中向上的散射光（水中光），它是透射的入水光与水中悬浮物质相互作用的结果，与水中的悬浮固体含量直接相关。因而，水体的反射辐射与水中悬浮物质含量之间存在着密切的关系。如何运用遥感获取的