CN106053370A - 一种基于hico模拟的反演近海岸水体透明度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及遥感技术领域，具体涉及一种海湾和入海口等近海岸海域水体透明度的遥感定量反演。一种基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法，包括以下步骤：（1）实测高光谱数据和水体透明度数据的获取；（2）高光谱数据的处理；（3）光谱特征分析；（4）相关性分析及反演算法的构建。与水体透明度的传统测量方法相比，本发明的水体透明度遥感反演方法更适用于利用HICO卫星传感器进行近海岸水体透明度的反演；使用本发明方法更快捷，可实现近岸区域水体透明度的快速、准确监测。

Description

一种基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法

技术领域

本发明涉及遥感技术领域，具体涉及一种海湾和入海口等近海岸海域水体透明度的遥感定量反演。

背景技术

海水透明度(Secchi disk depth，SDD)是指放入海水中的赛克盘能够看得见的最大深度。它能直观反映海水清澈和浑浊的程度，是海洋水质调查中的一个重要指标。自1865年意大利物理学家Pietro Angelo Secchi发明塞克盘(Secchi disk)以来，使用塞克盘测量海水透明度迄今已有超过140年的历史。尽管传统测量方法比较精确，但是费时费力，且受人为因素影响较大。此外，对人、船难以到达的区域，传统测法显然无能无力，而且该方法也无法满足对水体快速地周期性监测的需求。而遥感技术具有快速、同步、大面积、价格相对低廉的特点，可以很好的弥补传统测法的缺陷，因而逐渐成为水质监测的有效手段。

卫星遥感为水体透明度监测提供了先进的技术手段。目前用到的卫星数据主要有水色卫星传感器CZCS、SeaWiFS、MODIS、MERIS以及陆地卫星传感器MSS、TM、ETM+、CBERS、Quickbird等。水色卫星传感器用于透明度的遥感估算，优势较多：较高的时间分辨率，如MODIS为1-2d、MERIS为2-3d对于水体透明度快速、周期性监测具有重大应用潜力。然而，水色卫星传感器动辄几百米、甚至上千米的空间分辨率，显然不适用于海湾及入海口等近岸区域水体透明度的监测。陆地卫星传感器与水色卫星传感器相比，普遍具有较高的空间分辨率，如Quickbird卫星的空间分辨率高达0.61m，这对内陆湖泊、河流等较小区域水体透明度的遥感监测极其有利。但是陆地卫星传感器的波普分辨率较低，且没有估测水体组分和大气校正波段；陆地卫星的轨道周期一般较长，如Landsat卫星为16d，如果再加上云雨对卫星影像的影响，显然无法满足快速、周期性监测的需求。近海岸高光谱成像仪HICO是第一颗针对近岸水体遥感的星载高光谱成像仪，其空间分辨率为90m，光谱分辨率为5nm。目前，国内尚未有HICO应用报道。国外学者研究表明，HICO在叶绿素浓度反演、水质评估、浅海水深研究等研究领域得到成功应用。本发明利用实测的高光谱数据模拟HICO波段，建立模拟HICO数据与透明度的遥感定量模型，为以后HICO的开发利用提供参考。

综上，在水体透明度定量遥感反演方面，国内外学者提出了一些方法，但是这些方法都不是基于HICO卫星传感器的水体透明度遥感反演方法。鉴于该传感器优异的空间分辨率和光谱分辨率，业内存在一种技术需求：发明一种基于HICO的反演近海岸水体透明度的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于HICO卫星传感器的反演近岸水体透明度的方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法，其包括以下步骤：

(1)实测高光谱数据和水体透明度数据的获取；

(2)高光谱数据的处理；

(3)光谱特征分析；

(4)相关性分析及反演算法的构建。

本发明的基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法优点是：

(1)与已有的方法相比，本发明的水体透明度遥感反演方法更适用于利用HICO卫星传感器进行近海岸水体透明度的反演；

(2)与水体透明度的传统测量方法相比，使用本发明方法更快捷，可实现近岸区域水体透明度的快速、准确监测。

附图说明

图1是研究区概况及采样站位；

图2是水体光谱观测几何要求示意图；图中：A、I、J、K为仪器观测平面；A、B、C、D为太阳入射平面；O为水面(参考板)上观测点；H为探头位置；S在观测平面上；∠SHI＝45°(测天空光)；∠OHI(测水面、参考板光谱)；∠DOK介于45°与90°之间；

图3是模拟的HICO光谱曲线图；

图4是波段比值与透明度的相关系数矩阵；

图5是反演值与实测值的对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法作进一步详述。

1、研究区概况

本发明较佳的实施例中，研究区为四十里湾及其邻近海域，位于胶东半岛烟台市的东北部海域，毗邻北黄海。四十里湾东南与养马岛相接，西北与芝罘湾相连，西北方向为湾口，其间散布有崆峒群岛。四十里湾海岸线长约25km，面积约182km²，水深为8-15m，平均水深10m左右，是中国北方沿海的一个重要海水养殖区。四十里湾是典型的温带型海湾，年平均气温为12.6℃，年平均降雨量737mm，相对湿度为64％；夏季水温一般为23.3-27.4℃，冬季水温大概为2.5-3.0℃，即夏季温度较高，冬季温度较低；一年中盐度的变化范围为29-31。四十里湾平均潮差为1.66m，潮流为规则的半日潮。四十里湾沿岸的行政区按逆时针方向依次为芝罘区、莱山区、牟平区和高新技术开发区，流入湾内的河流主要有逛荡河、辛安河和小鱼鸟河，其中辛安河最长，达40km，流域面积约为315km²。研究区见附图1。

2、现场光谱采集及水体透明度测量

现场光谱采集所用的光谱仪为USB4000，总波段数为3648，波谱范围为345.34～1046.12nm，光谱分辨率约为0.19nm，视场角为15度。依据水面之上测量法进行光谱采集。水体透明度按《海洋调查规范》(GB/T 12763.2-2007)中海水透明度观测方法进行。光谱采集与透明度的测量同步进行。采样站位见附图1，水面之上测量法观测几何要求见图2。

3、现场光谱测量卫星传感器等效计算

利用USB4000高光谱仪测量的现场水体光谱数据，结合HICO卫星传感器的光谱响应函数进行等效处理，具体计算公式如下：

$R_{rs}\left(Bandx\right)=\frac{{\∫}_{460nm}^{820nm}{R}_{rs}\left(\mathrm{\λ}\right)F_s\left(\mathrm{\λ}\right)S_X\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}{{\∫}_{460nm}^{820nm}{F}_s\left(\mathrm{\λ}\right)S_X\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

式(1)中，R_rs(Bandx)为HICO卫星传感器Bandx波段的等效遥感反射率；R_rs(λ)为USB4000高光谱仪现场获取的遥感反射率；F_s(λ)为日地平均距离处大气层外太阳辐照度；S_X(λ)为

Bandx波段的光谱响应函数。

4、光谱特征分析

由实测光谱模拟得到的HICO光谱如图3所示，大部分站位的光谱曲线是相似的，最大的遥感反射率低于0.02sr^-1，具有明显的二类水体特征。在小于480nm的短波波段，由于叶绿素和有色可溶性有机物的强吸收，反射率较小。随着波长的增加，遥感反射率迅速增大。光谱的反射峰谱较窄，最大反射率位于550nm附近。在达到峰值之后，反射率随着波长增加迅速较小，尤其是近红外波段，反射率更小。这是因为随着波长的增加，纯水的后向散射系数迅速减小，对于大于550nm的波段，其值小于0.002^-m；另外一个原因是，纯水吸收的主要波段是紫外和近红外波段。

5、相关性分析及反演算法的构建

波段比值算法是反演水质参数常用的方法，使用两个波段反射率的比值，有利于校正大气、光照等环境背景对测量结果的影响。为寻找模拟HICO反演水体透明度的最佳波段比值，利用公式(1)计算出的等效遥感反射率以及步骤2中的现场实测透明度数据，在matlab软件的支持下，我们分析了所有波段比值与透明度的相关性(图4)。结果表明，相关系数较高的区域基本集中在蓝绿光波段，其中507.18nm与518.64nm波段遥感反射率的比值与透明度相关性最高。据此建立了反演该海域透明度的线性模型：

y＝98.153x-92.328(R²＝0.936,p<0.001) (2)

式中，y为透明度，x为507.18nm与518.64nm两个波段遥感反射率的比值。

6、算法精度的评价

本文使用统计方法作为检验反演值和实测值是否一致的标准。统计标准引用2种方法，即均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)，表达式如下：

$RMSE=\sqrt{\frac{{\&Sigma;}_{i=1}^n{({\mathrm{SDD}}_{est,i}-{\mathrm{SDD}}_{mea,i})}^2}{n}}---\left(3\right)$

$MRE=\frac{\left|{\mathrm{SDD}}_{est}-{\mathrm{SDD}}_{mea}\right|}{{\mathrm{SDD}}_{mea}}\&times;100\%---\left(4\right)$

其中，SDD_est表示透明度的反演值，SDD_mea表示透明度实测值，n为样本数。

根据公式(3)和(4)计算出由模型(2)反演得到的透明度与实测透明度之间的均方根误差为0.29m，平均相对误差为5.6％。反演得到的透明度与实测值基本均匀的分布在1:1线附近，见图5所示，表明该算法模型能够用来反演该海域的水体透明度。

Claims (4)

1.一种基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法，其包括以下步骤：

(1)实测高光谱数据和水体透明度数据的获取；

(2)高光谱数据的处理；

(3)光谱特征分析；

(4)相关性分析及反演算法的构建。

2.根据权利要求1所述的基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法，其特征在于：步骤(2)高光谱数据的处理方法为：利用USB4000高光谱仪测量的现场水体光谱数据，结合HICO卫星传感器的光谱响应函数进行等效处理，具体计算公式如下：

$R_{rs}\left(Bandx\right)=\frac{{\&Integral;}_{460nm}^{820nm}{R}_{rs}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)F_s\left(\mathrm{\&lambda;}\right)S_X\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}}{{\&Integral;}_{460nm}^{820nm}{F}_s\left(\mathrm{\&lambda;}\right)S_X\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}}---\left(1\right)$

式(1)中，R_rs(Bandx)为HICO卫星传感器Bandx波段的等效遥感反射率；R_rs(λ)为USB4000高光谱仪现场获取的遥感反射率；F_s(λ)为日地平均距离处大气层外太阳辐照度；S_X(λ)为Bandx波段的光谱响应函数。

3.根据权利要求2所述的基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法，其特征在于：步骤(4)所述的相关性分析方法为：利用公式(1)计算出的等效遥感反射率以及步骤2中的现场实测透明度数据，在matlab软件的支持下，分析所有波段比值与透明度的相关性，其中507.18nm与518.64nm波段遥感反射率的比值与透明度相关性最高。

4.根据权利要求3所述的基于HICO模拟的反演近海岸水体透明度的方法，其特征在于：根据波段比值与透明度的相关性分析结果，构建的反演算法公式为：

y＝98.153x-92.328(R²＝0.936,p<0.001) (2)

式中，y为透明度，x为507.18nm与518.64nm两个波段遥感反射率的比值。