高光谱遥感在内陆水质监测中应用.pdfVIP

现代测量技术与地理信息系统科技创新及产业发展研讨会 高光谱遥感在内陆水质监测中的应用 王新鸿，唐伶俐，马灵玲 (中国科学院光电研究院，北京100190) 摘要：本文分析了内陆水体及主要水质参数的光谱特征与遥感机理，介绍了近年来国内外应用机载 ，星载高光谱数据监测内陆水体水质的应用实例，在此基础上给出了我国高光谱水质遥感的现状并提 出了发展高光谱水质遥感应用能力的发展方向和未来研究工作的重点。 关键词：高光谱遥感；水质监测；环境应用； 内陆水体 1 引言 我国内陆淡水资源的紧缺以及水质污染问题已经引起国家和社会的高度重视。水质监测是水质 评价与水污染防治的主要依据，随着水质污染问题的日益严重，水质监测的意义愈显重大。尤其是 内陆水体，其水质影响到人们的生产和生活，因而准确高效的水质监测显得尤为重要。作为一种重 要的监测手段，遥感技术以其独特的优势为水质监测开辟了新的途径，它可以实现水质大范围、快 速、低成本、周期性动态监测。内陆水体的光学特性比较复杂，相较海洋遥感而言有更多的难点。 到目前为止，经常被应用到内陆水质监测中的卫星遥感数据主要包括地球资源卫星数据和海洋 水色卫星数据。然而，这些卫星遥感数据都不能很好地满足内陆水质监测的需求。内陆水体光学特 性复杂多变，往往高光谱分辨率的遥感数据才能更精确地捕捉其光谱特征【lI． 2水质遥感原理 遥感系统用于量测一定波长范围的电磁辐射能量。地表特征和水体参数因影响光的反射、吸收 和后向散射而通过遥感系统记录的光谱信号反映出来。湖泊、河流中的成分如浮游植物、溶解性有 机物、悬浮颗粒物等还有水本身在不同波长区不同强度地吸收入射光并对光进行散射，引起反射率、 向上辐照、颜色等表观参数的改变BJ。 透射地球大气的太阿j辐射剑达气一水界面，一部分被反射，另一部分折射进入水体内部。这部 分入射光在水面-卜．被多种分子选择吸收和散射。主要的吸收者为四种物质：纯水、溶解性有机物(黄 物质)、藻类色素和非生命颗粒物。除了非生命颗粒物在其自然浓度条件下对光不发生明显吸收外， 其余二种物质分别选择吸收一定波长范围的光，形成各臼的特征吸收波谱。水中的分子及分子聚集 体对光的散射使光改变方向，其中的向上散射光与水底的反射光一起返同水面，通过水—气界面同 到人气中，最后被传感器接收。对丁一定的水体，水表面和水底的反射可视为常数，当水较深或浑 浊时，水底反射剑水面的能鼙为零，这时唯一能反映水体特征的是水体内部向上散射光13J，这一部 分光既反映了水体内部的吸收特征，也与不同物质的散射相关，所以可以反映水体组分特征。 在干净海水中，反射光谱主要与以卜因素相关：藻类色素和低浓度有机酸在短波区的吸收和纯 水在长波区的吸收，水分子在短波区的散射和中波区的拉曼散射，藻类色素在更长波段的荧光辐射。 在浑浊海水和内陆水体中，除这些冈素外，反射光谱义受剑颗粒物显著的向上散射的影响，高浓度 有机酸的吸收还导致短波区反射率人幅度减小14J。不同类犁内陆水体的反射光谱中，水中组分含量 的筹别会造成一定波K范围反射率的显著不同，这成为定耸遥感水体物质含量的基础。 藻类住不同波长处的光谱反射率与色素的光学活性、细胞的几何形态、藻类细胞外表面组成等 参数有关。对特定的藻类，光谱反射率是色素吸收与细胞表面散射相互作刚的结果，因为藻类中都 118 现代测量技术与地理信息系统科技创新及产业发展研讨会 含有叶绿素，所以反射率波谱曲线的大致形态基本相似，不同藻类因细胞形状、色素含量组成的不 同其反射率峰的具体位置和数值而有变化15J。叶绿素在蓝紫光波段(400--,500am)和670nm附近都有 吸收峰，当藻类密度较高时水体光谱反射率曲线在这两处出现峰值，但同时由于散射作用的影响， 对藻类密度变化不敏感；550--570nm范围的反射峰是由于叶绿素和胡萝I-素弱吸收和细胞的散射作 nm 用形成的，该反射峰值与色素组成有关，可以作为叶绿素定量标志；因为藻青蛋白的吸收峰在624 处，所以630am附近出现反射率谷值或呈肩状161：685-715rim范围反射峰的出现是含藻类水体最 显著的光谱特征，其存在与否通常被认为是判定水体是否含有藻类叶绿素的依据，反射峰的位置和 数值是叶绿素a浓度的指示，其出现原因是由