CN105158172A - 一种内陆ii类水体水色参数遥感反演的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法，该方法利用改进的QAA方法反演II类水体固有的光学量，基于反演的II类水体固有光学量实现水体水色参数，如叶绿素a和悬浮物，浓度反演，具体步骤如下：(1)输入水体水面以上遥感反射率数据，基于改进QAA方法实现水体固有光学量参数反演，获取水体的吸收系数、散射系数和浮游植物的吸收系数；(2)输入采样点水体叶绿素a浓度数据和悬浮物浓度数据，以叶绿素a浓度数据与浮游植物吸收系数建立叶绿素a浓度定量反演模型，以悬浮物浓度数据与剔除纯水的水体吸收系数建立悬浮物浓度定量反演模型；(3)输入完成大气纠正的高光谱数据，利用步骤(1)(2)实现监测区域内陆II类水体的水色参数浓度反演。

Description

一种内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法

技术领域

本发明涉及水体环境监测技术领域，具体涉及一种内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法。

背景技术

内陆水体是为人类提供生态多样化的重要自然资源，但是目前却遭遇了全球性的污染，水环境污染是众多的城市环境问题中较为突出的一个，目前，常规的地面水质监测方法是设置众多的监测站点或者采用定点自动监测设备定时获取监测点的水质参数数据，以站点监测的结果数据评价监测面水体的水质情况、指导面水体监测与治理，这种方法虽然对于单点水样的精度较高，但是却存在费时费力效率较低的问题，而且局部的点并不一定具有代表性。虽然传统的水质监测方法在目前在水环境监测中发挥着不可替代的作用，但难以满足动态、快速、宏观的水质监测要求，遥感技术的出现为水体水质监测提供了新的机遇，目前遥感技术已经成功应用于海洋、内陆湖泊、江河的水质水质监测，而且在某些重点区域已经实现了动态监测。

目前常规的水质参数遥感监测多以经验、半经验的方法为主，虽然在水质监测中可以获取较高的精度，但是这些方法是建立在数学统计的基础上，并不具有明确的物理意义，基于辐射传输理论的分析方法由于有明确的物理意义和理论支撑，在水质遥感监测中将得到更广泛的应用，尤其是对于内陆II类水体的算法还较少。

发明内容

本发明针对内陆II类水体的特点，提出了一种针对II类水体固有光学量的反演方法，基于此实现了水体叶绿素a浓度和悬浮物浓度一体化反演算法，适用于内陆II类水体的定量遥感理论和方法研究；本发明从水体固有光学量角度出发，利用地面实测光谱和高光谱数据，实现水体固有光学量的反演，基于水体固有光学量和地面采样点水体浓度数据实现水体两项水色参数叶绿素a和悬浮物浓度的一体化反演。

为了实现上述目的，本发明的内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法采用以下步骤进行：

(1)实测光谱数据的预处理和高光谱遥感数据的预处理；

(2)利用改进的QAA方法实现水体固有光学量的反演，反演结果包括总吸收系数a、浮游植物吸收系数a_ph、黄色物质和碎屑吸收系数a_dg三部分，其中，a＝a_w+a_ph+a_dg，a_w为纯水吸收系数；

(3)以地面实测光谱反演获取的浮游植物的吸收系数a_ph和叶绿素a浓度数据建立叶绿素a浓度反演模型，以地面实测光谱反演获取的剔除纯水的总吸收a_t-w与悬浮物浓度数据建立悬浮物反演模型；

(4)将叶绿素a和悬浮物两种水色参数定量反演模型应用到高光谱数据，反演获取研究监测区域的叶绿素a浓度和悬浮物浓度的分布图，制图输出。

本发明优点为利用该方法可以实现基于光谱数据的水体叶绿素a和悬浮物的定量反演，而且反演浓度结果精度高，方法具有区域普遍适用性的特点。

附图说明

图1内陆II类水体水色参数遥感反演方法流程；

图2改进QAA方法的流程；

图3水色参数(叶绿素a)浓度反演制图输出结果。

具体实施方式

为实现本发明，下面结合附图说明具体实施步骤如下：

(1)数据预处理，数据预处理包括实测光谱数据的预处理和高光谱遥感数据的预处理。实测光谱数据预处理，通过测得的观测方向水体的总辐射L_sw和天空光漫散射L_sky来计算获取离水辐射L_w，其中L_w＝L_sw-rL_sky，r是气水界面反射率，在平静的水面r＝0.022；高光谱数据预处理包括格式转换、辐射校正、几何校正、大气校正以及水体提取。经过数据预处理，获得实测光谱的遥感反射率数据和高光谱数据的遥感反射率数据。

(2)基于实测光谱数据、高光谱数据进行水体固有光学量反演，具体实施步骤如下，步骤中的专有名词和代表符号为：水下遥感反射率r_rs、表观遥感反射率R_rs、总吸收系数a、纯水吸收a_w、剔除纯水的总吸收a_t-w、浮游植物的吸收系数a_ph、黄色物质及碎屑物的吸收系数a_dg，总后向散射系数b_b、颗粒物后向散射系数b_bp、纯水后向散射系数b_bw、后向散射系数与吸收系数和后向散射系数之和的比值μ，利用改进的QAA方法实现水体固有光学量的反演，反演结果包括总吸收系数a、浮游植物吸收系数a_ph、黄色物质和碎屑吸收系数a_dg三部分，其中，a＝a_w+a_ph+a_dg，a_w为纯水吸收系数；

(201)计算水下遥感反射率r_rs，r_rs＝R_rs/(0.52+1.7R_rs)；

(202)计算μ， $\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)==\frac{b_b\left(\mathrm{\λ}\right)}{a\left(\mathrm{\λ}\right)+b_b\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{-g_1+\sqrt{{g_1}^2+4\×g_2{r}_{rs}}}{2\×g_2},$ g₁＝0.089，g₂＝0.125；

(203)获取参考波段总吸收系数a，a(λ₀)≈a_w(λ₀)，取近红外参考波段纯水的吸收近似代替总吸收，λ₀＝812nm；

(204)由于纯水的后向散射系数已知，由步骤(202)(203)计算参考波段的颗粒物后向散射系数 $b_{bp}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)=\frac{\mathrm{\μ}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)a\left({\mathrm{\λ}}_0\right)}{1-\mathrm{\μ}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)}-b_{bw}\left({\mathrm{\λ}}_0\right),{\mathrm{\λ}}_0=812nm;$

(205)计算所有波段的颗粒物后向散射系数，由于II类水体悬浮泥沙的影响，考虑无选择性散射的作用，颗粒物后向散射系数计算方法为 $b_{bp}\left(\mathrm{\λ}\right)=b_{bp}\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\λ}}\right)}^Y+{\mathrm{\ρR}}_{rs}\left({\mathrm{\λ}}_0\right),$ 其中 $Y=2.0(1-1.2\exp (-0.9\frac{r_{rs}\left(443\right)}{r_{rs}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)})),\mathrm{\ρ}=10,$ λ₀＝812nm；

(206)由于纯水的后向散射系数已知，由步骤(202)(205)计算所有波段的总吸收系数 $a\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{(1-\mathrm{\μ}(\mathrm{\λ}\left)\right)\left(b_{bw}\right(\mathrm{\λ})+b_{bp}(\mathrm{\λ}\left)\right)}{\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)};$

(207)基于QAA算法中计算黄色物质及碎屑物a_dg的吸收系数方法，获取参考波段443nm的a_dg(443)，同时获取经验系数S，

$S=0.015+\frac{0.002}{0.6+r_{\mathrm{rs}}\left(443\right)/r_{\mathrm{rs}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)},{\mathrm{\λ}}_0=812\mathrm{nm};;$

(208)由于纯水的吸收系数已知，基于步骤(206)和步骤(207)，计算获取浮游植物的吸收系数，a_ph(λ)＝a(λ)-a_w(λ)-a_dg(443)e^-S(λ-443)。

(3)以地面实测光谱反演获得的浮游植物吸收系数、剔除纯水的吸收系数以及地面叶绿素a浓度和悬浮物浓度水质化验数据建立叶绿素a浓度和悬浮物浓度的一体化反演模型，以地面实测光谱反演获取的浮游植物的吸收系数a_ph和叶绿素a浓度数据建立叶绿素a浓度反演模型，以地面实测光谱反演获取的剔除纯水的总吸收a_t-w与悬浮物浓度数据建立悬浮物反演模型；

叶绿素a浓度反演模型为： $C\left(Chla\right)=8.717*\frac{a_{ph}\left(678\right)}{a_{ph}\left(726\right)}-3.068$

悬浮物浓度反演模型为： $C\left(SS\right)=66.05*\frac{a_{t-w}\left(734\right)}{a_{t-w}\left(790\right)}-62.8$

(4)基于步骤(3)建立的反演模型，应用高光谱数据，反演获取研究监测区域的叶绿素a浓度和悬浮物浓度的分布图，制图输出。

Claims (4)

1.一种内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)实测光谱数据的预处理和高光谱遥感数据的预处理；

(2)利用改进的QAA方法实现水体固有光学量的反演，反演结果包括总吸收系数a、浮游植物吸收系数a_ph、黄色物质和碎屑吸收系数a_dg三部分，其中，a＝a_w+a_ph+a_dg、、由，a_w为纯水吸收系数；、黄色物质和碎屑吸收系数a_dg(3)以地面实测光谱反演获取的浮游植物的吸收系数a_ph和叶绿素a浓度数据建立叶绿素a浓度反演模型，以地面实测光谱反演获取的剔除纯水的总吸收a_t-w与悬浮物浓度数据建立悬浮物反演模型；

(4)将叶绿素a和悬浮物两种水色参数定量反演模型应用到高光谱数据，反演获取研究监测区域的叶绿素a浓度和悬浮物浓度的分布图，制图输出。

2.根据权利要求1所述的一种内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法，其特征在于步骤(2)中所述水体固有光学量的反演步骤如下：

(201)计算水下遥感反射率r_rs，其中r_rs＝R_rs/(0.52+1.7R_rs)，R_rs为表观遥感反射率；

(202)计算μ，其中 $\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{b_b\left(\mathrm{\λ}\right)}{a\left(\mathrm{\λ}\right)+b_b\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{-g_1+\sqrt{{g_1}^2+4\×g_2{r}_{rs}}}{2\×g_2},$ g₁＝0.089，g₂＝0.125；其中，λ表示波长，a(λ)代表波长λ处的吸收系数；

(203)获取参考波段总吸收系数a(λ₀)≈a_w(λ₀)，其中，a_w为纯水吸收系数，取近红外参考波段纯水的吸收系数近似代替总吸收系数，λ₀＝812nm；

(204)由于纯水的后向散射系数已知，由步骤(202)(203)计算参考波段的颗粒物后向散射系数λ₀＝812nm；

(205)计算所有波段的颗粒物后向散射系数，由于II类水体悬浮泥沙的影响，考虑无选择性散射的作用，颗粒物后向散射系数计算方法为：

$b_{bp}\left(\mathrm{\λ}\right)=b_{bp}\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\λ}}\right)}^Y+{\mathrm{\ρR}}_{rs}\left({\mathrm{\λ}}_0\right),$ 其中 $Y=2.0(1-1.2\exp (-0.9\frac{r_{rs}\left(443\right)}{r_{rs}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)})),$ ρ＝10，λ₀＝812nm；

(206)由于纯水的后向散射系数已知，由步骤(202)(205)计算所有波段的总吸收系数其中b_bw代表纯水的后向散射系数；

(207)基于QAA算法中计算黄色物质及碎屑物的吸收系数方法，获取参考波段443nm的a_dg(443)，a_dg为黄色物质及碎屑吸收系数，同时获取经验系数S， $S=0.015+\frac{0.002}{0.6+r_{rs}\left(443\right)/r_{rs}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)},$ λ₀＝812nm；

(208)由于纯水的吸收系数已知，基于步骤(206)和步骤(207)，计算获取浮游植物的吸收系数，a_ph(λ)＝a(λ)-a_w(λ)-a_dg(443)e^-S(λ-443)。

3.根据权利要求1所述的一种内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法，其特征在于，步骤(3)水色参数定量反演模型建立。

4.根据权利要求1所述的一种内陆II类水体水色参数遥感反演的分析方法，其特征在于，步骤(1)所述的实测光谱数据的预处理是指：根据测得的观测方向水体的总辐射L_sw和天空光漫散射L_sky来计算获取离水辐射L_w，其中，L_w＝L_sw-rL_sky，r是气水界面反射率，在平静的水面r＝0.022；所述高光谱遥感数据的预处理包括格式转换、辐射校正、几何校正、大气校正以及水体提取。