CN109406457B - 一种基于半分析模型的沉水植被光谱水体影响校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于半分析模型的沉水植被光谱水体影响校正方法，其步骤如下：测量沉水植被水面以下遥感反射率、水体叶绿素与悬浮物浓度以及有色可溶有机物的吸收系数和水深，记录或计算测量期间的太阳天顶角；由水色要素浓度估算水体吸收系数和后向散射系数；由水色要素浓度与水深生成输入样本，由辐射传输模型生成训练数据集；通过最优化方法拟合研究区半分析沉水植被光谱校正模型的待定系数；将沉水植被水面以下遥感反射率、水体吸收系数和后向散射系数、水深以及太阳天顶角输入至水体影响校正模型，得到沉水植被本征植被反射率。本发明能将水体光学信号从沉水植被与水体浑浊介质的反射率中去除，恢复沉水植被的本征植被反射率。

Description

一种基于半分析模型的沉水植被光谱水体影响校正方法

(一)所属技术领域

本发明涉及一种基于半分析模型的沉水植被光谱水体影响校正方法，属于光学遥感领域，在水色遥感技术研究以及水生生态学研究方面具有重要意义。

(二)背景技术

湿地具备涵养水源、蓄水泄洪、保持生物多样性等生态功能，是地球三大生态系统之一。沉水植被是湿地的重要组成部分，它具有降低水体浑浊度、吸收水体重金属离子、抑制水体富营养化的生态功能，因此监测沉水植被的生长状态和分布范围对于保护湿地具有极其重要的意义。由于沉水植被生长于水中，常规地面调查方法的实施难度大，且难以对大面积湿地的沉水植被进行长期、持续的监测，而遥感技术具有大范围、周期短、无需接触的优势，利用遥感技术监测湿地沉水植被的优势十分明显。

不同于陆地植被，沉水植被生长于水底，其植物体全部浸没在水中，传感器观测得到的光谱信号不仅会受到植物叶片生理、生化参数、冠层结构参数等植物因素的影响，还会受到水体以及水底光学特性的干扰。水体的强吸收特性不仅会削弱传感器接收的植物信号，还会导致其曲线形状发生改变，原有的典型植物光谱特征逐渐弱化乃至趋于消失。因此，分离水体与沉水植被的光谱信号，恢复沉水植被本征植被反射率将有助于提高沉水植被相关遥感算法的应用精度。

(三)发明内容

本发明涉及一种基于半分析模型的沉水植被光谱水体影响校正方法，其技术解决方案是：在一种水生植被辐射传输模型和陆地植被辐射传输模型的基础上，计算模拟数据集并通过最优化方法求解半分析光学浅水模型的待定系数，在已知沉水植被水面以下遥感反射率、水深以及水色三要素的前提下，解算模型从而得到沉水植被本征植反射率。其具体步骤如下：

步骤一：按照水体反射光谱测量相关方法和规范，测量并获取含有沉水植被的水体的水面以下遥感反射率

测量并获取水色三要素，即水体叶绿素浓度、悬浮物浓度以及有色可溶有机物吸收系数，测量水体深度H，记录测量期间的太阳天顶角θ_w；

步骤二：根据水色三要素的测量结果，计算目标区域水体总的吸收系数和散射系数：

a(λ)＝a_pw(λ)+a_ph(λ)+a_NAP(λ)+a_CDOM(λ)

b_b(λ)＝b_bpw(λ)+b_bp(λ)

其中，λ是波长，a(λ)是水体吸收系数，b_b(λ)是水体后向散射系数；a_pw(λ)、a_ph(λ)、a_NAP(λ)和a_CDOM(λ)分别是纯水体、叶绿素、非藻类颗粒物和有色可溶有机物的吸收系数；a_pw(λ)可参考Buiteveld等的测量结果；

a_ph(λ)、a_NAP(λ)和a_CDOM(λ)分别表示为：

a_ph(λ)＝Cchla×A(λ)×Cchla^-B(λ)

a_NAP(λ)＝0.041×SPM×0.75e^{-0.0123(λ-443)}

a_CDOM(λ)＝a_CDOM(375)e^{-0.0192(λ-375)}

其中Cchla、SPM和a_CDOM(375)分别表示水体叶绿素浓度、悬浮物浓度以及有色可溶有机物在375nm波段处的吸收系数，A、B是Bricaud等通过实测数据拟合得到的参数；b_bpw(λ)和b_bp(λ)分别表示纯水体和颗粒物的后向散射系数，分别表示为：

其中E是经验系数，可按照水体浑浊程度的高低分别取值为5.0、1.0和0.3；模拟数据集还包含水体的吸收系数和后向散射系数的模拟结果，由步骤二各式得到；数据集的波段范围设为400-800nm，步长为10nm；

步骤三：根据水色三要素与水深的测量结果，生成输入样本；输入样本包含水色三要素、水深以及水生植被的叶面积指数；假设水色三要素与水深其中的某一被测量参数X的最大值、最小值分别为X_max和X_min，标准差为σ_X，将X的取值范围设为[X_min-3σ_X,X_max+3σ_X]；叶面积指数的取值范围设为0-4；假设各参数的概率分布形式为均匀分布，由拉丁超立方采样法(Latin hypercube sampling)生成输入样本；将输入样本输入至辐射传输模型以得到模拟数据集；由一种水生植被辐射传输模型模拟沉水植被反射率R，通过下式计算沉水植被水面以下遥感反射率模拟值

由陆地植被辐射传输模型生成与之对应的沉水植被本征植被反射率模拟值ρ_model；

步骤四：通过最优化方法拟合如下半分析光学浅水校正模型的待定系数：

其中u和α分别表示为：

α＝a+b_b

式中g₀、g₁、g₂、A₀、A₁、D₀、D₁、D₀'和D₁'均为待定系数；

步骤三生成的模拟数据集包含上式除待定系数以外的各参数取值；通过最优化方法拟合上式各待定系数，优化的目标函数为：

式中ρ_SA表示半分析模型模拟的本征植被反射率，ρ_model表示陆地植被辐射传输模型模拟的本征植被反射率，N和K分别表示样本总数和波段总数，i和j分别为样本序号和波段序号；优化后得到模型各待定系数，构成目标区域的水体影响校正模型；

步骤五：将步骤一测量获得的水面以下遥感反射率、目标区域水体吸收系数和后向散射系数、水深以及太阳天顶角等输入至步骤四得到的水体影响校正模型，解算模型得到目标区域沉水植被的本征植被反射率，从而实现对沉水植被光谱水体影响的校正。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明相比复杂的辐射传输模型具有形式简洁、输入参数少、计算效

率高的优势，同时兼具一定的精度，更具备实用性；

(2)本发明的模型系数产生于水生植被辐射传输模型和陆地植被辐射传输

模型的模拟数据集，数据集规模大且具备代表性，具有很好的应用场景适

用性，因此计算结果更可靠可信；

(四)附图说明

图1为本发明流程框图。

(五)具体实施方式

为更好说明本发明涉及的水体影响校正方法，利用本发明的模型进行了测试与验证，取得了良好的效果。具体实施方法如下：

(1)测量并获取含有沉水植被的水体的水面以下遥感反射率、水体叶绿素浓度、悬浮物浓度以及有色可溶有机物吸收系数，测量水体深度，记录测量期间的太阳天顶角；

(2)根据水色三要素的测量结果，估算目标区域水体的吸收系数和后向散射系数；

(3)根据水色三要素与水深的测量结果，生成输入样本，由水生植被辐射传输模型和陆地植被辐射传输模型生成模拟数据集；

(4)通过最优化方法拟合半分析光学浅水模型的待定系数，得到目标区域的水体影响校正模型；

(5)将步骤二获得的水面以下遥感反射率、目标区域水体吸收系数和后向散射系数、水深以及太阳天顶角等输入至步骤四得到的水体影响校正模型，解算模型得到目标区域沉水植被的本征植被反射率。

Claims (1)

1.一种基于半分析模型的沉水植被光谱水体影响校正方法，其特征在于包括步骤如下：

步骤一：按照水体反射光谱测量相关方法和规范，测量并获取含有沉水植被的水体的水面以下遥感反射率

测量并获取水色三要素，即水体叶绿素浓度、悬浮物浓度以及有色可溶有机物吸收系数，测量水体深度H，记录测量期间的太阳天顶角θ_w；

步骤二：根据水色三要素的测量结果，计算目标区域水体总的吸收系数和散射系数：

a(λ)＝a_pw(λ)+a_ph(λ)+a_NAP(λ)+a_CDOM(λ)

b_b(λ)＝b_bpw(λ)+b_bp(λ)

其中，λ是波长，a(λ)是水体吸收系数，b_b(λ)是水体后向散射系数；

a_pw(λ)、a_ph(λ)、a_NAP(λ)和a_CDOM(λ)分别是纯水体、叶绿素、非藻类颗粒物和有色可溶有机物的吸收系数；a_pw(λ)可参考Buiteveld的测量结果；

a_ph(λ)、a_NAP(λ)和a_CDOM(λ)分别表示为：

a_ph(λ)＝Cchla×A(λ)×Cchla^-B(λ)

a_NAP(λ)＝0.041×SPM×0.75e^{-0.0123(λ-443)}

a_CDOM(λ)＝a_CDOM(375)e^{-0.0192(λ-375)}

其中Cchla、SPM和a_CDOM(375)分别表示水体叶绿素浓度、悬浮物浓度以及有色可溶有机物在375nm波段处的吸收系数，A、B是Bricaud等通过实测数据拟合得到的参数；b_bpw(λ)和b_bp(λ)分别表示纯水体和颗粒物的后向散射系数，分别表示为：

其中E是经验系数，可按照水体浑浊程度的高低分别取值为5.0、1.0和0.3；模拟数据集还包含水体的吸收系数和后向散射系数的模拟结果，由步骤二各式得到；数据集的波段范围设为400-800nm，步长为10nm；

步骤三：根据水色三要素与水深的测量结果，生成输入样本；输入样本包含水色三要素、水深以及水生植被的叶面积指数；假设某一被测量参数X的最大值、最小值分别为X_max和X_min，标准差为σ_X，将X的取值范围设为[X_min-3σ_X,X_max+3σ_X]；叶面积指数的取值范围设为0-4；假设各参数的概率分布形式为均匀分布，由拉丁超立方采样法生成输入样本；将输入样本输入至辐射传输模型以得到模拟数据集；由一种水生植被辐射传输模型模拟沉水植被反射率R，通过下式估算沉水植被水面以下遥感反射率模拟值

由陆地植被辐射传输模型生成与之对应的沉水植被本征植被反射率模拟值ρ_model；

步骤四：通过最优化方法拟合如下半分析光学浅水校正模型的待定系数：

其中u和α分别表示为：

α＝a+b_b

式中g₀、g₁、g₂、A₀、A₁、D₀、D₁、D₀'和D₁'均为待定系数；

步骤三生成的模拟数据集包含上式除待定系数以外的各参数取值；通过最优化方法拟合上式各待定系数，优化的目标函数为：

式中ρ_SA表示半分析模型模拟的本征植被反射率，ρ_model表示陆地植被辐射传输模型模拟的本征植被反射率，N和K分别表示样本总数和波段总数，i和j分别为样本序号和波段序号；优化后得到模型各待定系数，构成目标区域的水体影响校正模型；

步骤五：将步骤一测量获得的水面以下遥感反射率、目标区域水体吸收系数和后向散射系数、水深以及太阳天顶角输入至步骤四得到的水体影响校正模型，解算模型得到目标区域沉水植被的本征植被反射率，从而实现对沉水植被光谱水体影响的校正。

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