第三章-水体遥感.ppt
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第3章水体遥感(海洋遥感),
(一)概况
(二)水体遥感原理一、水体光谱特征1.水体光谱特性与水中叶绿素含量的关系2.水体光谱特性与悬浮泥沙含量的关系3.水体光谱特性与水深的关系4.水体热特征与水温的关系二、水体的微波辐射特征(三)应用研究(海洋遥感),水体遥感-概况,地球表面开放水体约占全球面积的74,其中海洋面积最大,约占95,约占水体体积的97%。
淡水中,有77%以固态形式分布在南、北极;包括地下水在内的河流和湖泊等,人类可利用的主要水资源仅占地球水体面积的0.4,占水体体积的0.62(附表)。
地球水体的组成,研究全球环境,脱离了占71的海洋,显然不行。
海洋是由不断运动着的海水所组成的一个庞大的、完整的动力系统,并具有相当的深度;海洋现象具有范围广、幅度大、变化速度快,且变化具有随机性的特点。
海洋遥感是研究海洋最重要的探测手段。
全球水循环过程,上图说明全球水循环过程(包括固态、液态、气态形式的水)。
大气降水、降雪到达地面,部分转为地表、地下径流水,流入海洋,并蒸发返回大气;部分被植物、土壤吸收,并蒸发、蒸腾返回大气;大气层的水-凝聚为云和大气中水汽,构成全球水循环。
一、水体光谱特征,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。
在可见光波段0.6m之前,水的吸收少、反射率较低、大量透射。
对于清水,在兰绿光波段反射率45,并随着太阳高度角的变化呈310不等的变化;0.6m以下的红光部分反射率降到23;0.75m以上的近红外、中红外部分几乎吸收全部的入射能量,因此水体在这两个波段的反射能量很小。
这一特征与植被和土壤光谱形成十分明显的差异,因而在红外波段识别水体是较容易的。
到达水面的入射光(主要为VIS)约3.5被水面直接反射返回大气,形成水面散射光。
它的强度与水面性质有关,(如表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰层、泡沫带等);其余的光经折射、透射进入水中,大部分被水分子所吸收和散射,以及被水中悬浮物质、浮游生物等所散射形成水中散射光,它的强度与水的混浊度呈正相关;衰减后的水中散射光,部分到达水体底部形成底部反射光,它的强度与水深呈负相关,且随着水体混浊度的增大而减小。
水中散射光的向上部分及浅海条件下的底部反射光共同组成水中光。
水中光、水面反射光、天空散射光共同被空中探测器所接收(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(水色、水温、海面形态等信息),因而可通过高空遥感手段加以探测。
电磁波与水体的相互作用,水体的光谱特性(即水色)主要表现为体散射(通过透射率来体现),即不仅反映一定的表面特征,且包含了一定厚度水体的信息(与陆地特征不同),且这个厚度及反映的光谱特性是随时空而变化的。
水色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(混浊度大小)、营养盐含量(黄色物质、溶解有机物质、盐度指标)以及其它污染物、底部形态(水下地形)、水深等因素。
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4。
水的光谱衰减特性,水面入射光谱中,仅有可见光(0.40.76m)才透射入水,其他波段的入射光或被大气吸收或被水体表层吸收。
对清水而言,光的最大透射率出现在0.450.55m,峰值约0.48m。
入水的透射光,对水中微粒(水分子和溶解性物质)产生瑞利散射,峰值位于兰波段;对较大悬浮物质颗粒产生米氏散射,峰值位于黄橙波段;水中物质分子吸收光-再发射(日光下水中叶绿素经光合作用所发出的荧光),峰值位于橙红波段;海底(浅海)反射,峰值为兰绿波段。
因此水色是复杂的。
1.水体光谱特性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和富营养化作用的最基本的指标。
它与浮游植物光合作用的环境因素(营养盐、温度、透明度、水动力等)有关。
不同叶绿素含量水面光谱曲线,一般说来,随着叶绿素含量的不同,在0.43-0.70m会有选择地出现较明显的差异。
右图:
在0.44m处有个吸收峰;0.40.48m处反射随叶绿素浓度加大而降低;在0.52m处出现“节点”(即该处的反射值不随叶绿素含量而变化);在0.55m处出现反射辐射峰,并随着叶绿素含量增加,反射辐射上升;在波长0.685m附近有明显的荧光峰。
不同叶绿素含量水面光谱荧光峰,图中显示在0.685m附近有个较窄的荧光峰,要获取此信息,需选择的波段间隔最好5nm。
航空遥感所测的海水的光谱响应,右图:
叶绿素浓度增加,兰光反射率明显下降,绿光反射率上升,0.52m处“节点”明显;且随着海水中悬浮物质浓度的增加,此“节点”向长波方向移动。
则沿岸水(悬浮物质浓度较高)随水中叶绿素浓度的增加,TM4(0.76-0.90m)的光谱值相应增高。
因此近红外波段也可作为提取沿岸流叶绿素浓度的重要信息源。
利用叶绿素浓度与光谱响应间的这些明显特征,可采用不同波段比值法,来扩大叶绿素吸收(0.44m附近)与叶绿素反射峰(0.55m附近)或荧光峰(0.685m附近)间的差异,提取叶绿素浓度信息,以监测水体的初级生产力水平。
如TM3TM1,TM2TM1;或建立比值回归方程:
式中,C为叶绿素相对浓度;a、b为相关系数,可通过同步观测求得。
式中,、为回归系数,国内外学者们建立了不少遥感数据与不同叶绿素浓度的水体光谱间的数学模型;但由于水中叶绿素的光谱信号相对较弱,加上水中悬浮泥沙含量的影响,目前遥感估算水中叶绿素含量的精度不高、平均相对误差约2030。
研究表明,水体叶绿素浓度C与水面温度t之间存在线性相关:
CZCScolorcomposites:
theleftoneemphasizeschlorophyll-enrichment(inreds)intheGeorgesBankofftheNewEnglandcoast(BGR=bands3,2,1),全球生物圈,2.水体光谱特性与悬浮泥沙含量的关系,从理论上讲,水体的光谱特性(水色),包含了水中向上的散射光(水中光),它是入水的透射光与水中悬浮物质相互作用的结果,与水中悬浮泥沙含量直接相关。
水色成为泥沙含量的较精确的一种指标。
随着水中泥沙含量的增加,水体的可见光反射增加,水体由暗变得越来越亮;反射峰值波长向长波方向移动,即从兰绿更长波段(0.5m以上)移动;反射峰值本身形态变得更宽。
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14.8清水与浊水的反射光谱特征4,清水与浊水的反射光谱特征,水库中不同泥沙浓度水体的反射率,下图为长春遥感试验对水库中7种不同悬浮泥沙浓度水体进行反射率测定的结果。
图中随着水中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,且受到0.93m、1.13m强吸收的影响,反射峰值在0.8m终止(可能有系统误差)。
对可见光而言,0.43-0.65m为测量水中叶绿素含量的最佳波段;0.58-0.68m对水中不同泥沙浓度反映最敏感,是遥感监测水体混浊度的最佳波段。
因此水色调查中,多选用0.45-0.68m谱段。
水中悬浮泥沙信息提取,遥感定量反演悬浮泥沙含量,多采用基于统计相关分析的半经验模型或基于灰色系统理论的模型。
前者,是通过遥感数据(L)与同步实测样点数据(S)间的统计相关分析,确定两者间的相关系数,建立各种相关模型,如:
线性关系式LABS,关系简单,误差较大;对数关系式LABlogS,当悬浮泥沙浓度不高时,精度较高;指数关系式,R为反射率,A、B、C、D为系数。
统计相关模型,要求样本数据量大,且数据分布典型。
这对浩瀚、多变的大海是难以满足的,而若样本不足或不典型,则误差较大。
后者,可用灰色系统理论中的关联度分析法(即对事态变化趋势的量化分析,其实质是对由遥感数据计算的含沙量曲线与实测的含沙量曲线间几何形状贴近程度的分析比较),确定关联变换系数后,通过少量样本进行遥感图象数据的外推计算。
它较统计法反映的规律性更明显,结果稳定。
NOAA监测黄河、长江口泥沙流,渤海、黄河口CH1,长江口CH4、2、1(BGR)(1985.1.7),3.水体光谱特性与水深的关系,水深指水的穿深能力,即水体的透光性能。
它是由衰减长度来衡量的。
一个衰减长度l被定义为向下辐照度等于表面辐照度的1e(或37%)的长度(它是水中能见度的量度,单位为米)。
衰减系数指随着深度增加,光变得暗淡的速率,也可用“透射率”或“透明度”表示。
它们均可表征水中能见度。
水体本身的光谱特性是与水深相关的。
清水不同深度的光谱特征变化,右图显示清澈水体,随水深的增加,光谱特征的变化。
清水近水面的光谱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20米处,因水体对近红外光的强吸收,仅保留了兰、绿波段能量。
可见,兰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。
随着水中悬浮物质含量(混浊度)的增加,反射率明显增大,衰减系数增大,最大透射波长向长波方向移动。
清水,光的最大透射波长为0.45-0.55m(兰、绿光区)。
此处水体衰减系数最小、穿深能力最强(一般穿深约1020m,清水则可能穿深30m),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(一般穿深约2m);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息特征,包涵了“水深”的概念。
不同浊度水体的光谱衰减特征,实际上影响遥感入水深度的因素很多。
除波长、水体混浊度外,还与水面太阳辐照度是太阳入射方向、的函数,水体衰减系数、水体底质的反射率、海况、大气效应等有关。
Polcyn&Fabian曾提出海面的离水反射辐射LW与水深Z的关系式:
式中,n为底质的折射系数。
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;而水中悬浮泥沙的垂直、水平分布,又受到地球重力场、风场、海流、潮汐等的影响。
同一水区水体底质不同,其反射率不同,传感器所接收到的信号大小也不同。
实验证明,遥感水深信息,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深度,但同时又从水动力作用关系上,通过水下地形与悬浮泥沙的分布运动,来传递部分水深信息。
这在河口附近的浅海区尤为明显。
水体光谱特性与水面粗糙度的关系,不同水面粗糙度的光谱特性,下图显示在可见光-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传感器,而粗糙波浪水面有表面反射和体反射两部分能量进入传感器,因此后者比前者亮度更高。
4.水体热特征与水温的关系,水体与黑体辐射特征(614m),传感器所探测的水体热红外辐射强度而得到的水体的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)。
但由于水的比辐射率接近于1(近似黑体),在波长614m段尤为如此。
因此往往用所测的亮度温度表示水体温度。
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。
全球海温,NOAA7-CH4(1983.3.10),我国近海海温图(黑潮暖流)左:
假彩色处理(高温处为绿色);右:
海温等值线图(高温处为浅色);,尽管,由于水体中叶绿素、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象反差很低,可以获得的信息是十分有限的。
加之,海洋信息的获取还受到多变的海洋环境的干扰,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微波等。
二、水体的微波辐射特征,这里的水体主要指海洋,海洋的微波辐射取决于2个主要因素:
1.海面及一定深度的复介电常数()。
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息。
海面粗糙度海面至一定深度内的几何形状结构。
从这一角度可将海面分为4类:
平静海面:
海面无风或风速很小,可用物理光学理论处理,当水面粗糙度较微波波长小得多时,可视为平坦表面,以镜面反射为主。
风浪海面:
海面有波浪而成为一个随机起伏的粗糙面。
此时电磁波在界面上产生复杂多变的多次反散和散射,散射回波增强。
同时,大风浪海面往往伴有泡沫带(含大量气泡和水滴)。
它的特征除与辐射亮度温度有关外,还与海浪谱、海面风速等有关。
污染海面:
一般指油污染等形成两层介质,引起亮度温度的显著差异。
油膜使海面趋于平滑,减弱回波强度,而呈黑色。
冻结海面:
海面有海冰、冰山等,由于冰雪的介电常数较水体小,引起亮度温度的明显差异。
海洋遥感(水体遥感)的特点,1)大尺度、同步覆盖。
由于海洋现象范围大、幅度大、变速快,因而海洋遥感需航天高平台的宏观、同步观察。
2)海洋的光谱特征差异小、受干扰因素大,因此海洋光学传感器必须具有较窄的光谱谱段,以捕捉有指示意义的特征谱段;较大的瞬时视场(IFOV),以保证有足够的接收能量,故空间分辨率较低。
如海洋带水色扫描仪(CZCS)的可见光波段,带宽20nm,空间分辨率800m。
可见光红外多光谱扫描辐射仪(海洋水色水温扫描仪),根据海洋生物过程海洋叶绿素场的时空变化及光谱特征要求:
时间尺度:
一般35天为宜;空间尺度:
45km为宜,但对于海岸带环境研究则需1km或更小;波段选择:
水色信息提取至少应包含叶绿素吸收峰(0.44m)、叶绿素反射峰(0.55m),以及对悬浮泥沙含量敏感的波长(0.62-0.68m),带宽以20nm为宜;含泥沙水体中叶绿素的提取,最好应有荧光峰(0.68m),以区别于其它物质对吸收和散射的影响;黄色物质提取,可加黄色物质的吸收峰(0.41m);而对于大气纠正(特别是对气溶胶散射的纠正),一般应避开水汽和臭氧吸收带,而至少选用0.704-0.713m及0.855-0.89m两个波段。
我国海洋一号卫星(HY-1)遥感器的波段与应用领域,我国“海洋一号”卫星于2002年5月15日发射,3)由于水体向上的反射辐射能太低,卫星探测器所接收的辐射能量中85来自大气的干扰,因此对于水体(海洋)遥感,排除大气干扰尤为重要。
B3(0.54-0.56m)B3大气纠正后可见光B1、B3、B4处理后美国西海岸Nimbus-7/CZCS图像,4)微波遥感能全天时、全天候获取大量海温、海水含盐度、海面形态结构等海况信息,这是光学遥感所无法比拟的。
因此海洋遥感离不开微波微波。
5)海洋有一定深度。
但微波在水中急速衰减,其穿透海水的深度仅为厘米量级。
激光可使遥测水深扩大;而声波在水中传播性能好(约1500m/s),可克服遥感在深度上的局限。
目前声纳的最大探测范围约22km(侧视)、分辨率约7m。
我国自制的海底剖面仪、侧向扫描声纳最大作用深度50m,可为研究水下地貌、沉积类型、结构等为水利施工提供可靠依据。
6)海洋遥感依赖于海洋调查船、海洋浮标、海洋潜水器等海洋实测资料的支持,以作为海洋遥感传感器标定的依据。
“海面大地水准面”指仅有重力和地转偏向力作用下的海面。
它与地下物质密度分布、洋中脊、断裂带、海沟等有关。
由于地球重力场不均匀,大地水准面并非均匀的球面,而是有起伏的不规则的曲面。
对它的研究对大地测量、天体测量、海洋测绘等意义重大。
“海面形态”指除上述两种力,还受到大尺度海水运动、地转流(洋流、涡旋等)、潮流、波浪等的影响,使海面偏离了大地水准面。
ALT可通过对海面回波信号(波形和强度)的分析与处理,提取海面有效波高(SWH)及后向散射系数();再经过重力和卫星轨道的精确测量,获得星下轨迹的海面形态特征;由海面形态参数可以推导出使海面与大地水准面偏离的作用力(如潮汐、海流、科氏力、风力、压力、波力等),进而消除波浪等因素的干扰,获得海面高度相对于大地水准面的起伏,则可得理论上的海面大地水准面。
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- 第三 水体 遥感