CN109269987A - 一种基于spot5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属盐湖水体信息提取技术领域，具体涉及一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法。本发明包括如下步骤：一、SPOT5遥感数据源获取；二、SPOT5遥感数据预处理；三、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体水际线提取；四、盐湖水域SPOT5遥感影像不同亮度值点位选取；五、盐湖水域SPOT5遥感影像不同点位光谱信息提取；六、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度遥感指数SISPOT；七、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度三维指数；八、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度信息提取；九、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测。通过本方法，能够快速定性估测盐水水体矿化度信息，对于降低湖水矿化度人工取样和分析成本，分析盐湖水体矿化度演化趋势具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于盐湖水体信息提取技术领域，具体涉及一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法。
背景技术
我国是世界上盐湖分布最多的国家之一，而且以数量多、类型全、资源丰富、富含稀有元素而著称于世。青海、西藏、内蒙古和新疆等西部地区均分布着广泛的盐湖，盐湖卤水不仅含盐度高，而且蕴藏着丰富的钾、镁、锂、硼、和铀等盐类资源，潜在价值极大。一般来讲，淡水湖和咸水湖不成矿，也并非所有的盐湖都含矿，只有成熟度较高的盐湖，即矿化度高的盐湖才能成矿。张彭熹(1987)等人对柴达木盆地盐湖卤水矿化度与卤水离子含量研究，得出了卤水中的锂、钠、镁、钾、硼与卤水矿化度呈线性相关，特别是卤水中的稀散元素大体上存在着随矿化度增高而增加的趋势。因此，定性估测盐湖水体矿化度对于分析盐湖的形成和演化、盐湖矿产资源富集部位具有重要的意义。
传统盐湖水体矿化度信息获取方式为对盐湖全湖域水体进行人工面积性水样采集，而后送至分析测试实验室进行室内阴阳离子含量分析，通过相应公式计算得出矿化度值。由于我国盐湖众多，大多数盐湖区自然交通条件恶劣，很难完成密集的人工面式水样采集。因此，传统盐湖水体矿化度估算方法周期较长、难度较大，不利于众多盐湖含矿性的快速评价。遥感技术作为新的调查手段，具有宏观、综合、动态、和快速的特点，为地球资源调查与开发、国土整治、环境监测以及全球性研究，开辟了一种新的探测手段和方法(梅安新等，2001)。随着遥感数据分辨率的提高和技术手段的日益完善，应用遥感技术研究盐湖受到越来越多的关注(张博，2007；张大林等，2007)。Bhargana等在实验室条件下测试了低浓度单一成分(含NaCl)盐水的波谱，Crowley等进行了硫酸盐盐湖水中芒硝和石膏等矿物光谱测定，总结得出了该种矿物的光谱反射特征。张大林等(2007)基于较低分辨率的ETM数据对西藏扎布耶盐湖氧化硼含量进行了遥感定量研究，揭示了盐湖氧化硼含量的空间大致分布规律。但限于遥感数据的空间分辨率较低，基于卫星遥感手段识别盐湖水体矿化元素含量信息的识别精度受到较大限制。因此，开发一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法十分必要，该方法对于快速识别盐湖水域矿化度相对高低，降低盐湖矿化度调查和分析成本具有十分重要的意义。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，可有效降低盐湖水体矿化度定性识别的勘查和化学分析成本。
本发明采用的技术方案：
一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，包括如下步骤：
步骤一、SPOT5遥感数据源的获取：选取覆盖某一盐湖水域数据采集质量高的高分辨率多波段SPOT5卫星遥感数据；
步骤二、SPOT5遥感数据预处理：对步骤一中获取的盐湖水域SPOT5遥感数据进行预处理，获取预处理后的SPOT5遥感数据；
步骤三、基于SPOT5遥感数据实现盐湖水域水际线提取：对步骤二获取的SPOT5遥感数据进行盐湖水域水际线信息提取，获取精确的盐湖水域轮廓线；
步骤四、盐湖水域SPOT5遥感影像不同亮度值点位选取：依据步骤三获取的盐湖水域SPOT5遥感影像的亮度值大小，选取一条亮度值由高到低的剖面，在剖面上均匀选取代表SPOT5遥感影像不同亮度值的多个点；
步骤五、盐湖水域SPOT5遥感影像不同点位光谱信息提取：对步骤四中选取的SPOT5遥感影像中多个点的光谱曲线进行特征分析，在SPOT5数据可见光-近红外波段域选择影像亮度值最大、谱形变化最大的波段x，在中红外波段域选择影像亮度值最小、谱形变化最小的波段y；
步骤六、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度遥感指数SISPOT：将步骤五中获取的SPOT5遥感影像亮度值最大、谱形变化最大的波段x，与亮度值最小、谱形变化最小的波段y的比值作为反演湖水矿化度信息的指数，其表达式为：
SISPOT＝SPOT5(band x)/SPOT5(band y)
该矿化度指数SISPOT是用SPOT5(band x)与SPOT5(band y)波段比值来定义，其取值范围大于零；
步骤七、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度三维指数：为了充分反映SPOT5不同波段对湖水矿化度的光谱特征，依据步骤六中的矿化度指数的定义，将矿化度指数维度进行推广，可得到盐湖水体的SPOT5三维矿化度指数，即SPOT5(band x1)/SPOT5(band y1)、SPOT5(band x2)/SPOT5(band y2)、SPOT5(band x3)/SPOT5(band y3)，该三维矿化度指数提供了较步骤六中的一维矿化度指数更丰富的信息，为盐湖矿化度含量的定性估测奠定了良好基础；
步骤八、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度信息提取：基于盐湖水体遥感信息提取方法对步骤七中构建的湖水矿化度SPOT5遥感三维指数进行信息分离，得到SPOT5遥感数据3个组分的遥感影像(PC1、PC2、PC3)；结合盐湖湖水水深等值线图，验证第一主成分影像(PC1)亮度值的高低定性反映了湖水矿化度含量的高低信息，而非湖水的深度信息；
步骤九、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测：对步骤八中获取的反映盐湖水体矿化度信息的第一主成分影像(PC1)，按照一定量值间隔进行密度分割，对分割后亮度值由小到大的每个量级分别赋以由浅到深的颜色，盐湖SPOT5遥感影像颜色的深浅代表了盐湖水体矿化度的高低，即为该盐湖水体矿化度定性估测图。
所述步骤一中，数据采集质量高是指SPOT5卫星遥感数据的采集时间为正午时间，且天空无云；多波段是指SPOT5遥感数据可见光-中红外四个波段。
所述步骤二中，预处理过程包括基于辐射回归分析法完成SPOT5遥感数据的辐射校正，基于多项式纠正法完成SPOT5数据的几何校正。
所述步骤三中，水际线信息提取方法为采用非监督分类方法对SPOT5遥感数据第4波段影像进行信息提取。
所述步骤四中，选取SPOT5遥感影像不同亮度值的多个点数量需大于5个点。
所述步骤五中，SPOT5数据可见光-近红外波段域波长范围为350nm～1500nm；SPOT5数据中红外波段域波长范围为1500nm～2500nm；选取的波段x指SPOT5第三波段数据，选取的波段y指SPOT5第四波段数据。
所述步骤六中，SISPOT为湖水矿化度SPOT5遥感指数；SPOT5(band x)/SPOT5(bandy)指SPOT5遥感影像亮度值最大、谱形变化最大波段的辐射亮度值与亮度值最小、谱形变化最小波段的辐射亮度值进行相除。
所述步骤七中，SPOT5(band x1)/SPOT5(band y1)指SPOT5遥感影像第3波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除；SPOT5(band x2)/SPOT5(band y2)指SPOT5遥感影像第2波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除；SPOT5(band x3)/SPOT5(band y3)指SPOT5遥感影像第1波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除。
所述步骤八中，遥感信息提取方法为主成分分析法；3个组分的遥感影像(PC1、PC2、PC3)指对SPOT5遥感三维指数进行主成分变换后，得到的第一主成分(PC1)、第二主成分(PC2)和第三主成分(PC3)。
所述步骤九中，按照一定量值间隔进行密度分割指按照SPOT5第一主成分影像亮度值大小均匀分为8个等级。
本发明的有益效果：
本发明的方法能够快速识别盐湖水域矿化度含量相对高低，大大降低盐湖湖水矿化度调查和分析成本，对分析盐湖演化和含矿性评价具有重要的意义，也为基于航空/航天遥感技术快速识别盐湖富矿水域奠定了基础。
附图说明
图1为某盐湖水域SPOT5遥感数据第二波段影像图；
图2为某盐湖SPOT5不同波段影像不同点位波谱曲线图；
图3为某盐湖SPOT5遥感影像多维矿化度指数主成分分析第一主分量图；
图4为某盐湖水体矿化度SPOT5遥感数据定性估测图(色标1-8表示矿化度由低到高)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，包括如下步骤：
步骤一、SPOT5遥感数据源的获取。选取覆盖某一盐湖水域高分辨率可见光-中红外4波段SPOT5卫星遥感数据，数据采集时间正午时间，且天空无云；
步骤二、SPOT5遥感数据预处理。对步骤一中获取的盐湖水域SPOT5遥感数据进行预处理，基于辐射回归分析法完成SPOT5遥感数据的辐射校正，基于多项式纠正法完成SPOT5数据的几何校正，获取预处理后的SPOT5遥感数据，如图1所示；
步骤三、基于SPOT5遥感数据实现盐湖水域水际线提取。对步骤二获取的SPOT5第四波段遥感数据，采用非监督分类方法(ISODATA法)进行盐湖水域边界轮廓线信息提取，获取精确的盐湖水域轮廓线；
步骤四、盐湖水域SPOT5遥感影像不同亮度值点位选取。依据步骤三获取的盐湖水域水际线SPOT5遥感影像的辐射亮度值(ND值)大小，选取一条光谱亮度值由高到低的剖面，在剖面上均匀选取代表SPOT5遥感影像不同亮度值的多个点，点数需大于5个点；
步骤五、盐湖水域SPOT5遥感影像不同点位光谱信息提取。对步骤四中选取的SPOT5遥感影像中多个点的光谱曲线进行特征分析，在SPOT5数据可见光-近红外波段域(350nm～1500nm)选择影像亮度值最大、谱形变化最大的波段即SPOT5第三波段数据(SPOT5-band3)，在中红外波段域选择影像亮度值最小、谱形变化最小的波段即SPOT5第四波段数据(SPOT5-band4)，如图2所示；
步骤六、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度遥感指数SISPOT。将步骤五中获取的SPOT5遥感影像亮度值最大、谱形变化最大的波段(SPOT5-band3)，与亮度值最小、谱形变化最小的波段(SPOT5-band4)的比值作为反演湖水矿化度信息的指数，其表达式为：
SISPOT＝SPOT5(band 3)/SPOT5(band 4) (式1)
该矿化度指数SISPOT是用SPOT5(band 3)与SPOT5(band 4)波段比值来定义，其取值范围大于零；
步骤七、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度三维指数。为了充分反映SPOT5不同波段对湖水矿化度的光谱特征，依据步骤六中的矿化度指数的定义，将矿化度指数维度进行推广，可得到盐湖水体的SPOT5三维矿化度指数，即SPOT5遥感影像第3波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除(SPOT5(band 3)/SPOT5(band 4))，SPOT5遥感影像第2波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除(SPOT5(band 2)/SPOT5(band4))，SPOT5遥感影像第1波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除(SPOT5(band1)/SPOT5(band 4))。该多维矿化度指数提供了较步骤六中的一维矿化度指数更丰富的信息，为盐湖矿化度含量的定性估测奠定了良好基础；
步骤八、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度信息提取。基于主成分分析法(简称“PCA”法)对步骤七中构建的湖水矿化度SPOT5遥感三维指数进行信息提取，得到SPOT5遥感数据第一主成分(PC1)、第二主成分(PC2)和第三主成分(PC3)3个组分的遥感影像；结合盐湖湖水水深等值线图，验证第一主成分影像(PC1)亮度值的高低定性反映了湖水矿化度含量的高低信息，而非湖水的深度信息，如图3所示；
步骤九、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测。对步骤八中获取的反映盐湖水体矿化度信息的第一主成分影像(PC1)，按照一定量值间隔进行密度分割，均匀分为8个等级，对分割后亮度值由小到大的每个量级分别赋以由浅到深的颜色，盐湖SPOT5遥感影像颜色的深浅代表了盐湖水体矿化度的高低，即为该盐湖水体矿化度定性估测图，如图4所示。
综合上述分析，盐湖水体矿化度均可以通过本方法进行快速定性估测，大大降低了盐湖水体矿化度调查和分析成本，提高了盐湖富矿水域的勘查效率，对于分析盐湖的形成和演化、矿产资源富集部位具有重要的意义。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、SPOT5遥感数据源的获取：选取覆盖某一盐湖水域数据采集质量高的高分辨率多波段SPOT5卫星遥感数据；
步骤二、SPOT5遥感数据预处理：对步骤一中获取的盐湖水域SPOT5遥感数据进行预处理，获取预处理后的SPOT5遥感数据；
步骤三、基于SPOT5遥感数据实现盐湖水域水际线提取：对步骤二获取的SPOT5遥感数据进行盐湖水域水际线信息提取，获取精确的盐湖水域轮廓线；
步骤四、盐湖水域SPOT5遥感影像不同亮度值点位选取：依据步骤三获取的盐湖水域SPOT5遥感影像的亮度值大小，选取一条亮度值由高到低的剖面，在剖面上均匀选取代表SPOT5遥感影像不同亮度值的多个点；
步骤五、盐湖水域SPOT5遥感影像不同点位光谱信息提取：对步骤四中选取的SPOT5遥感影像中多个点的光谱曲线进行特征分析，在SPOT5数据可见光-近红外波段域选择影像亮度值最大、谱形变化最大的波段x，在中红外波段域选择影像亮度值最小、谱形变化最小的波段y；
步骤六、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度遥感指数SISPOT：将步骤五中获取的SPOT5遥感影像亮度值最大、谱形变化最大的波段x，与亮度值最小、谱形变化最小的波段y的比值作为反演湖水矿化度信息的指数，其表达式为：
SISPOT＝SPOT5(band x)/SPOT5(band y)
该矿化度指数SISPOT是用SPOT5(band x)与SPOT5(band y)波段比值来定义，其取值范围大于零；
步骤七、构建基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度三维指数：为了充分反映SPOT5不同波段对湖水矿化度的光谱特征，依据步骤六中的矿化度指数的定义，将矿化度指数维度进行推广，可得到盐湖水体的SPOT5三维矿化度指数，即SPOT5(band x1)/SPOT5(band y1)、SPOT5(band x2)/SPOT5(band y2)、SPOT5(band x3)/SPOT5(band y3)，该三维矿化度指数提供了较步骤六中的一维矿化度指数更丰富的信息，为盐湖矿化度含量的定性估测奠定了良好基础；
步骤八、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度信息提取：基于盐湖水体遥感信息提取方法对步骤七中构建的湖水矿化度SPOT5遥感三维指数进行信息分离，得到SPOT5遥感数据3个组分的遥感影像(PC1、PC2、PC3)；结合盐湖湖水水深等值线图，验证第一主成分影像(PC1)亮度值的高低定性反映了湖水矿化度含量的高低信息，而非湖水的深度信息；
步骤九、基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测：对步骤八中获取的反映盐湖水体矿化度信息的第一主成分影像(PC1)，按照一定量值间隔进行密度分割，对分割后亮度值由小到大的每个量级分别赋以由浅到深的颜色，盐湖SPOT5遥感影像颜色的深浅代表了盐湖水体矿化度的高低，即为该盐湖水体矿化度定性估测图。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤一中，数据采集质量高是指SPOT5卫星遥感数据的采集时间为正午时间，且天空无云；多波段是指SPOT5遥感数据可见光-中红外四个波段。
3.根据权利要求2所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤二中，预处理过程包括基于辐射回归分析法完成SPOT5遥感数据的辐射校正，基于多项式纠正法完成SPOT5数据的几何校正。
4.根据权利要求3所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤三中，水际线信息提取方法为采用非监督分类方法对SPOT5遥感数据第4波段影像进行信息提取。
5.根据权利要求4所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤四中，选取SPOT5遥感影像不同亮度值的多个点数量需大于5个点。
6.根据权利要求5所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤五中，SPOT5数据可见光-近红外波段域波长范围为350nm～1500nm；SPOT5数据中红外波段域波长范围为1500nm～2500nm；选取的波段x指SPOT5第三波段数据，选取的波段y指SPOT5第四波段数据。
7.根据权利要求6所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤六中，SISPOT为湖水矿化度SPOT5遥感指数；SPOT5(band x)/SPOT5(band y)指SPOT5遥感影像亮度值最大、谱形变化最大波段的辐射亮度值与亮度值最小、谱形变化最小波段的辐射亮度值进行相除。
8.根据权利要求7所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤七中，SPOT5(band x1)/SPOT5(band y1)指SPOT5遥感影像第3波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除；SPOT5(band x2)/SPOT5(band y2)指SPOT5遥感影像第2波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除；SPOT5(band x3)/SPOT5(band y3)指SPOT5遥感影像第1波段的辐射亮度值与第4波段的辐射亮度值进行相除。
9.根据权利要求8所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤八中，遥感信息提取方法为主成分分析法；3个组分的遥感影像(PC1、PC2、PC3)指对SPOT5遥感三维指数进行主成分变换后，得到的第一主成分(PC1)、第二主成分(PC2)和第三主成分(PC3)。
10.根据权利要求9所述的一种基于SPOT5遥感数据的盐湖水体矿化度定性估测方法，其特征在于：所述步骤九中，按照一定量值间隔进行密度分割指按照SPOT5第一主成分影像亮度值大小均匀分为8个等级。
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