舟山桃花到海域水体光谱分析【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）舟山桃花到海域水体光谱分析所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要：水体富营养化污染已成为世界环境问题，舟山桃花岛海域位于浙江省舟山群岛东南部，由于其水体运动规律、陆地径流入海、工业排污、旅游业、养殖业等复杂因素，带来大量的泥沙及营养物质，导致污染频发。在国家十二五规划，特别是浙江舟山国家级海洋经济示范区和宁波-舟山港口建设机遇下，发展海洋经济和开发海洋资源，有加强海洋水质实时、动态监测的必要性。遥感应用已非常广泛，如农业、矿业、军事、地球科学等领域。在海洋水质监测中，因不同的水质对太阳辐射的反射率不同，可用分析水体光谱特征

2、监测水质。水体光谱研究可推断水体含泥沙、叶绿素、黄色物质等水质参数，且遥感监测水质具有高效方便实时的优点，目前这一新技术应用于海洋水质基本成熟。为研究舟山桃花岛海域水质情况，本文根据2009年6月在桃花岛海域用便携式光谱仪监测的数据资料及水色卫星遥感数据，分析桃花岛海域水质参数状况，并讨论了不同水质的光谱特性。用 excel 处理光谱仪数据，运用反射率公式，求得桃花岛海域水体光谱和水体反射率。基于已取得的方法和理论，从定性角度分析悬浮物、叶绿素、黄色物质等浓度，从而得到桃花岛海域的水质现状，经验证于实际情况相符。应用 ERDAS 软件处理 TM 数据，取得该海域水色图像及光谱曲线图，对数据进行

3、预处理、几何校正、非监督分类等处理，得到海域光谱图像及海域水体分类图。关键词：桃花岛海域;水体光谱;悬浮物浓度;叶绿素;黄色物质;水质IIspectral analysis of Zhoushan Taohua watersAbstract:Eutrophication pollution has become a global environmental problems,zhoushan taohua island is located in southeast of zhejiang zhoushan.As its water motion, land runoff into the s

4、ea, industrial sewage, tourism, aquaculture industry and other complex factors, a lot of sediment and nutrients run into the sea ,causing high frequent of the pollution.In the background of the twelfth five-year plans, especially in the chance of zhejiang zhoushan National oceanic economy demonstrat

5、ion area and Ningbo - zhoushan port construction,in order to develop Marine economy and the ocean resources,it is necessary to Strengthen real-time, dynamic monitoring of water quality.Application of remote sensing technique is widely used in agriculture, mining, military, earth scienceand so on. Be

6、cause of different water quality has different solar radiational reflectivity, remote sensing techniquecan be used in Marine water quality monitoring.we can get water quality parameters from Water spectrum, such as water containing sediment, chlorophyll, the yellow substance.Whats more, it is effect

7、ive,convenient and continuous real-time monitoring, Currently the new technology is maturely apply for Marine water quality .As to research zhoushan taohau island water quality, this paper depond on the data of SPECTRO TEST at zhoushan taohua island water in June 2009 and Color remote sensing satell

8、ite, contant of the analysis of the taohua island Marine water quality parameters and the discuss of The spectral characteristics of different water quality.I use EXCEL progess the spectrum data, and apply reflectivity formula to get taohua island sea water spectrum and Water reflectivity. Based on

9、the classical method and theory, I analysis suspended solids, chlorophyll, yellow substances from the qualitative Angle.From my research the situation of zhoushan taohua island sea water quality is understand,which agrees with the facts.And ERDAS is used in TM data anlysis to gain Color image and sp

10、ectral curve of data pretreatment. Further more,in the progress of the data pretreatment, geometric correction, non-supervised classification, I get Marine waters spectrum and water classification figure.KEY WORDS: TaoHua waters;water spectrum;suspended solid concentration;chlorophyll;the yellow sub

11、stance;water quality1目 录1. 绪论 .31.1 选题背景与研究意义 .31.1.1 选题背景 .31.1.2 研究意义 .31.2 国内外水质光谱研究进展 .41.2.1 国外研究现状 .41.2.2 国内研究进展 .41.3 本文研究内容与研究方法 .51.3.1 研究内容 .51.3.2 研究方法 .52 水体光谱分析基本理论 .62.1 地物光谱特征 .62.2 水体光学特性 .72.2.1 水体分类 .72.2.2 水体光谱物理量 .82.2.3 水体辐射传输过程 .82.3 水质光谱影响要素 .82.3.1 不同水体悬浮物含量光谱特征 .92.3.2 不同水体

12、富营养化程度光谱特征 .92.3.3 黄色物质 .102.4 水色遥感反演模型 .112.4.1 经验统计模型 .112.4.2 理论分析模型 .112.4.3 半经验分析模型 .113 实验区概况、实验方案及实验方法 .113.1 桃花岛海域概况 .113.2 数据采集 .123.2.1 水面光谱实地采集 .123.2.2 卫星遥感数据 .133.3 光谱数据处理 .133.3.1 光谱仪数据处理 .133.3.2 卫星遥感数据处理 .144 桃花岛海域水体光谱分析 .174.1 悬浮物浓度 .1724.2 叶绿素浓度 .184.3 有色可溶性有机物（即黄色物质） .204.4 水体分类 .

13、215 总结与展望 .225.1 结论 .225.2 本实验不足之处 .235.3 总结 .23参考文献： .25致谢：2611. 绪论1.1 选题背景与研究意义1.1.1 选题背景21世纪是海洋的世纪，海洋中蕴含丰富的资源和自然奥秘，发展海洋经济和海洋研究越来越重要。当前人口急剧增长，人类活动范围扩张，自然资源短缺，土地面积小等因素，使人类把目光投向海洋。气候变暖、海平面上升、海浪海啸等海洋现象及变化给人类生产及活动带来威胁，催促人类进行海洋研究及预报。我国位于西太平洋沿岸，海洋资源丰富，有黄海、渤海、东海、南海四大海域，是一个海洋大国。海洋开发体现一个国家的综合实力，关系到国家的利益与主权

14、。我国东海钓鱼岛、南海诸岛受到主权侵害。海岸带附近集中了高密度的人群，沿岸城市、工业、养殖及海洋运输的发展，导致海洋水质下降，海洋生态系统破坏，海洋资源退化，不利于海洋可持续发展。海洋技术是我国新兴产业，如何利用现代化手段探索海洋规律，是我国海洋事业的重心。 “十二五规划 ”中强调坚持陆海统筹，实施海洋发展战略，提高海洋开发、控制、综合管理能力 1。建设浙江海洋经济发展示范区形势下，要加强海洋环境监测，合理开发海岛资源 2。舟山桃花岛海域有较强的海洋旅游、渔业产业，是浙江海洋经济产业建设的组成部分。传统的海洋水质监测通过实地水样采集、实验室水质分析得到水体的基本参数，但耗时耗力，效率低下，无法

15、满足对全球海域及湖泊实时连续监测，遥感监测技术弥补了传统方法的不足，具有大尺度、实时、方便等特点 3，已成为海洋环境监测、治理、保护必不可少的工具，是水质监测的发展方向。1.1.2 研究意义舟山桃花岛海域位于浙江省舟山群岛东南部，是东海大陆架的组成部分，西面临象山港，南面是海上国际通道，东面是东海渔场。该海域潮汐属非正规半日潮，海流范围1-4 节，亚热带季风气候，冬季盛行西北风，夏季东南风。由于其动力环境和沿岸输沙，此海域水色浑浊，根据大洋水体划分，此海域属类水体，悬浮泥沙和污染物较多。海床以淤泥质和粉砂质为主，沉积较快。其桃花岛是国家级风景区，有较强的海岛、人文旅游业优势。桃花岛海域船舶、港

16、口、渔业产业发展迅速，陆地及象山港污染物造成该海域水质下降。为了保护其良好的环境资源及舟山海域的可持续发展，海洋环境监测必不可少。虽然有航行监测、人工监测，但遥感光谱监测更省时省经费，效果也较好,符合未来海洋立体实时监测的发展趋势。本实验以海洋遥感的方法，基于不同物质发射出的电磁波不同，各种水质参数在遥感图像上都有不同程度地反映。通过对遥感影像的分析获得水体分布、泥沙、有机物的状况，及水深、水温等要素的信息，从而评价水质。此方法也可用于水污2染监测，监控石油、废水、泥沙、营养化及热水污染。我国对国土资源和环境保护的监测非常重视，大量的学者分别用遥感的方法对各大小湖泊、海洋进行监测，但还是刚刚起

17、步，没有形成一套完善的综合监测体系。以前没有学者对桃花岛海域水体进行过遥感光谱分析，所以这项研究是有一定价值的。这项研究成果可给海洋管理提供一些水体参数信息，并可以大面积、多时相监测，推动海洋监测水平的提高。利于及时掌握此海域的动态变化，防止污染。1.2 国内外水质光谱研究进展1.2.1 国外研究现状20世界50年代以来，遥感技术应用已非常广泛，在农业、矿业、军事、地球科学等领域都起着很大的作用。遥感技术是人类视觉上的重大突破，视野范围扩大，观测电磁辐射波段增加。1957年苏联发射第一颗人造地球卫星，是遥感史上的重要事件，由此开启了航天遥感时代。从此以后，各国竞相开发航天技术，发射各类遥感卫星

18、，应用于民事、军事及科研领域。遥感技术发展迅速，监测波段从可见光到红光、微光，遥感监测从定性分析到定量计算，空间、辐射、光谱分辨率不断提升，满足各类遥感应用 3。平台是遥感技术的载体，但平台携带的传感器是核心其先进性随着科技进步不断提升，从红外片之后，陆续出现了多光谱相机，多波段扫描仪，微波辐射计，合成孔径雷达，电视摄像等传感器，分辨率和精度也逐步提高。随着计算机技术的发展，遥感解译技术已经由人工目视解译向计算机模式解译转换，使精确度大大提升，是遥感技术更方便与普及。目前水色遥感最前沿的方法是将海洋水色卫星和计算机技术相结合，建立水色监测系统，利用反演模型，提取水体各种物理信息。 20世纪70

19、年代以来，美国、日本、英国等水质监测以建立水体污染综合指标及特定参数为基础的水质污染自动监测系统。系统包括总站、子站、仪器设备。该系统可以及时预测水质的变化情况，及时为相应部门提供水质异常现象，以利于迅速进行防灾与治理，保护社会安全与资源可持续发展。当前人类面临全球气候问题、地震频发、臭氧层破坏等全球性问题，环境监测有一国监测转变为国际合作，各国加强国际合作与交流，建立共享数据库。收集各种地物波谱特征，是遥感研究与应用的重要环节。1911年国际地质相关计划就提出国际遥感光谱特性数据库建议书 ，建议建立多样化、开放式光谱数据库 4。光谱数据库建设已完成很大一部分，但随着遥感分辨率及计算机技术不断

20、提高，仍需要扩充与完善，从各专业数据库基础上建立综合数据库。地物波谱研究应进行全球性联合，光谱数据库对外开放性也亟待解决 51.2.2 国内研究进展我国水质监测多用传统的人工操作，通过对象断面定时定点取样，带回实验室3或现场分析。这种监测方法受人力物力的局限，不能动态反映海域水质变化，并且准确度和实效性较低。在现代海洋、气象预报中，不能提供及时、有效、连续的情报，无法满足环境监测、防灾预警的需要。我国目前环境问题十分严重，高速的经济发展使我国46.5%的河流、90%以上的城市水域污染严重 6。80年代，北京、上海引进国外遥感测水质技术，由于国内没技术自产仪器，主要依赖进口，遥感监测系统建设非常

21、缓慢，监测效果也有待提高。如何建立一种完善、连续的广水域遥感监控系统，自主生产优良设备仪器，迫在眉睫。 。我国数据库建设基本和国际相接轨，但开放性和应用能力不足，仪器规格和精确度方面的不足也造成了影响。我国学者已经应用遥感技术对内河湖泊及近海进行大量的研究工作，但局限于定性分析，定量研究技术不是很成熟 4。在国际大型海洋综合调查中我国的科技工作者正在发挥越来越大的作用，在西北太平洋和印度洋取得了一系列成果。1.3 本文研究内容与研究方法1.3.1 研究内容遥感基于不同地物具有不同光谱特征原理，是人类视觉上远距离及大范围上的一次较大的飞跃，其目的在于识别地物并提取地物特性信息。本实验应用遥感技术

22、，根据含杂质水体与纯净水体有着不同光谱特征的理论，文中较详细的阐述了水体光学性质和水质参量。运用实地监测和卫星水色遥感两种方法，运用计算机数据处理技术，定性反演桃花岛海域叶叶绿素、悬浮物、黄色物质的含量与分布。桃花岛海域水质情况较复杂，运用 ERDAS 软件用非监督分类方法对该海域进行水体分类。从文献上看，很少有学者关注其水质变化，该研究可以为浙江省海洋经济十二五规划提供海洋水质资料及治理方法。1.3.2 研究方法基于前人对水体光学性质和水体主要参数的研究，利用光谱仪实测水体光谱图像，计算桃花岛海域表面水体反射率。将结果和纯净水体作对比，分析该水体反常波段，从而定性推断该海域叶绿素浓度、悬浮泥

23、沙及黄色物质基本情况。水体光谱测量于09年暑期用 ISI921VF 野外地物光谱辐射计实地测量所得，导出数据后，用EXCEL 表格处理数据。为了对桃花岛海域水体进行分类，采用老师提供的 Landsat 遥感影像卫星 TM 数据，用 ERDAS 软件导入数据，得到7种波段的遥感图像。将数据与处理后，选择水质参数适合的波段，分析水质参数。用非监督分类方法，把该海域水体做水域分类。结合实地经验，利用实验得到的结果，分析桃花岛海域水质现状，提出治理和保护措施。从桃花岛海域的水质现状可以反映出我国近海海洋水质情况，可以为我国海洋保护和开发提供建议。42 水体光谱分析基本理论2.1 地物光谱特征到达地球的

24、太阳辐射能为地面反射能量、地表吸收能量和透射能量之和，所以反射率范围大于0小于1。不同的物体，光谱反射率不同；同一物体，成分不同，光谱反射率也会不同（图2.1） 。光谱反射率取决于物体本身的性质（表面状况） ，以及入射电磁波的波长及入射角度。从物体光谱反射率曲线，可以判断物体的一些性质。地物波谱特征是传感器工作的基本原理，根据不同地物选择不同电磁波波段。不同传感器得到的光谱数据，如地面、航空、航天传感器之间可以根据光学性质，相互转换。将得到的光谱资料建立光谱数据库，利于学者灵活运用，根据地物和光谱的特征，建立反演模型，捕捉目标物的特征。图 2.1 不同地物的光谱曲线 Fig.2.1 objec

25、ts spectral curves（图中横轴为电磁波波长，纵轴为相应波段光谱反射率）从上图我们知道不同地物光谱曲线不同，且物体对不同波长的电磁波的反射和吸收能力也不同。纯净水体将近红外波段完全吸收，对蓝绿波段有反射；植被将蓝、红光波段用于光合作用，将绿大部分吸收，近红外形成强烈反射 7。同一物体，不同含量时，光谱曲线不同，植被的光谱和植被种类、季节等相关。理论上可用双向反射分布函数可以计算在给定方向上每单位立体角内的反射率，描述反射空间分布特性的规律。但由于双向反射分布函数本身是两个无穷小量的比，测量和计算都很难进行，所以在实际测量中很少采用。在实际水体反射率测量中，海域水体反射率等于物体反射的辐射能量 P 于总入射能量 P0的百分比，即（1-1）5%10P(1-1)