遥感应用模型

---- 水质遥感

• 组员名单（以姓氏笔画为序）

王杰栋

叶 岚

曹一辛

陶孟斯

主 题

水环境遥感监测

冯丽超 : 2005 后，美国计划实施国家极轨环境卫星业务化系统（ NPOESS ）计划，这将是继 TIROS/NOAA 极轨系列卫星之后的又一业务化系统。美国国防部将执行国防气象卫星计划（ DMSP ）计划。 NPOESS 计划于 2008 年进入业务运行。目前，该计划中的海洋水色探测器已列入传感器开发计划。 NASA 建议研制高级全球成像仪（ AGI ） , 该仪器类似 MODIS ，可以对大气、 海洋、陆地进行科学探测。主要技术指标： GAC 和 LAC 的空间分辨率分别为2.6 km 和 1.3 km ； 7 个 水色波段中心波长分别为 412 、 443 、 490 、 555 、 645 、 748 和 854 nm ；叶绿素浓度探测范围： 0.05 ～ 50 mg/m 3 ；运行于太阳同步极地轨道。 NASDA 已制定了超级全球成像仪（ S-GLI ）的开发 计划，该水色传感器将搭载 ADEOS-3 卫星，于 2003 年发射。 S-GLI 与 GLI 相比，两者在性能设计方面类似，但 S-GLI 减少了波段数，缩小了仪器体积。 S-GLI 包括 3个独立部分：海洋水色成像仪（ OCI ）、大气及陆地成像仪（ ALI ）和红外成像仪（ IRI ）。其中，海色成像仪 (OCI) 设计有 10 个波段， 中心波长分别为 402 、 443 、 490 、 520 、 565 、 625 、 680 、 710 、 749 及 865 nm ，空间分辨率为 1 km ，具有多角度探测能力，这将满足全球 I 、 II 类水体的观测要求。 NASDA 也正在计划研制高分辨率海岸带探测器，专用于监测亚洲海岸带水体状况，其空间分辨率约在 100 m 左右。 问题：比较两类传感器的差别，并说明这些改进对海洋水色遥感探测的意义

对该问题的理解• 比较两类传感器

NASA ------- 高级全球成像仪（ AGI ）

NASDA-------- 超级全球成像仪（ S-GLI ）

• 这两类传感器的特点对水色遥感的意义

两类传感器的比较 类型比较内容 AGI S-GLI

水色波段中心波长

412 、 443 、 490 、555 、 645 、 748

和 854 nm

402 、 443 、 490 、520 、 565 、 625 、680 、 710 、 749

及 865 nm

空间分辨率GAC

2.6km

LAC

1.3km1 km

轨道 太阳同步极地轨道 太阳同步轨道

特点及应用 可以对大气、 海洋、陆地进行科学探测。 具有多角度探测能力

对海洋水色遥感探测的意义一、波段的选择 海岸带 II 类水体中主要含有叶绿素、黄

色物质及悬浮沉积物等。这些物质的光学特性随时间空间而变化。适于 I 类水体的蓝 / 绿光比值法，不再适于 II 类水体，为了提取这些物质的信息，需增加波段数。 增加 了 660 ～ 680 nm 波段： II 类水体中叶绿素的提取，可利用 680 nm 处的荧光效应，通过量测 680 nm 与 660 nm 处的相对辐射量，计算得到。该方法避免了其他物质对吸收和散射的影响，适于 II 类水体叶绿素浓度较高的情况。

在波长 0.685μm

附近有明显的荧光峰。这是由于浮游植物分子吸收光后，再发射引起的拉曼效应——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，叶绿素的吸收系数在该处达到最小 。

荧光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浓度的指示。

对海洋水色遥感探测的意义

对于黄色物质，可增加 410 nm 波段将其与叶绿素分开，因为它在此波段有一明显吸收峰，而叶绿素的吸收峰在 440 nm 。 为了监测大量繁殖的有害藻类，可利用某些有害藻类在 480 ～ 560 nm 的吸收光谱特性加以识别。

水体浑浊度的灵敏波长是 620 nm ，悬浮沉积物浓度测量可充分利用这一波段， SGLI 为提取悬浮 沉积物设置了 620 nm 波段。

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。由于受

0.93μm～1.13μm红外强吸收的影响，反射峰值移到0.8μm终止。

对海洋水色遥感探测的意义

增加了近红外波段：对于 || 类水体，尤其是近岸高泥沙含量的浑浊水体，由于 700 nm 外的离水辐射率不为零（不存在离水辐射率为 0 的波段）， II 类水体的大气校正变得复杂。一种解决方法是增加红外波段。（具体计算实例可参见 p101 ） 。

对海洋水色遥感探测的意义二、轨道 为了获得全球初级生产力的时空分布数据．为了

实现全球定时观测，要求采用近极轨太阳同步轨道。

对 | 类水体：大洋生物过程主要表现在叶绿素场的变化，监测叶绿素变化的时间分辨率选为 3 ～ 5天比较适合。

对 || 类水体：这里海洋现象的发生周期多为 2 ～10 天，为此，卫星的重复观测间隔最小为 1 天。

对海洋水色遥感探测的意义

• 研究表明一颗水色卫 星每天只能覆盖 15%的海洋面积， 4 天为 40% ，不能满足全球海洋观测的需要。利 用三颗极轨卫星同时观测， 3 天可以覆盖 60% 的海洋面积。再通过合理配置，可 以进一步提高覆盖率，以满足全球生物过程监测的需要。

• 未来的解决方案可能是建立地球静 止卫星（ 4 ～ 5 颗）与极轨太阳同步卫星相互配合的多星监测系统，实现全球的短周期重复观 测。

对海洋水色遥感探测的意义

三、 S-GLI 的多角度探测能力

尽量避免太阳耀斑的影响，提高遥感数据的质量。

太阳耀斑：来自海面的太阳反射光

存在的问题与对策

在未来几年，将有 10 多个水色传感器同时对海洋进行探测，但这些传感器往往是为了特定的目的专门设计的，性能技术指标都有差异。各类数据如何进行复合，以实现资源共享，优势互补，更好地为全球变化研究服务是国际海洋水色遥感界面临的问题之一。为此，要充分了解各类传感器的辐射和光谱探测性能；保证处理的数据有统一的格式和级别类型，并且使各类算法具有可比性。

存在的问题与对策• 作为国际海洋科学发展的前沿领域，以海洋生态动力学为核心的各项国际研究合作计划层出不穷。同时，我国的海洋环境质量日趋恶化，渔业、生物资源日渐衰竭，在这样的形势下，全面启动我国的海洋水色研究计划有着十分重要的现实意义和应用价值。长期以来，由于没有自己的水色卫星，限制了我国水色遥感应用研究的深入发展，为此，必须加快水色卫星发射计划的步伐并开展海洋卫星应用的研究；加大我国近海、河口水域 II 类水体光学特性的研究，建立具有本海域特色的反演模式；加强生态动力学研究，海洋生态系统与海洋环境变化关系研究等基础性工作的力度。

谢谢观赏！

（此处有掌声）