CN110672805A - 一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水质遥感监测技术领域，具体涉及到一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其包括以下操作步骤：(1)航空高光谱数据获取及预处理；(2)水质参数数据获取；(3)水面光谱数据获取及预处理；(4)水质参数与水面光谱数据相关性分析；(5)构建水质参数高光谱反演模型；(6)输出水质参数反演结果；(7)水质参数反演结果验证。该方法将航空高光谱遥感与水质监测相结合，能够克服传统实地采样分析方法效率低、投入大、数据不连续等不足，模型简单高效，准确率高，方便连续监测固定区域的水质参数，适用范围更广泛。

Description

一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法
技术领域
本发明属于水质遥感监测技术领域，具体涉及一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法。
背景技术
我国内陆淡水资源的紧缺以及水质污染问题已经引起国家和社会的高度关注。尤其是内陆水体，其水质好坏与国民生产、生活息息相关，因而快速、准确的进行水质监测十分重要。传统的水质监测方法一般要消耗大量人力、物力、财力进行实地采样分析，获取的数据不连续，难以满足大范围、高效率水质监测需求。遥感技术以其独特的优势为水质监测研究提供了新的途径，具有大范围、连续性、实时、高效、低成本等优势。然而，由于内陆水体光学特性复杂，使得利用遥感技术对内陆水体进行检测较为困难。近年来，高光谱遥感技术在内陆和近岸水质监测应用中越来越广泛。内陆水体光谱特性复杂多变，多光谱遥感数据难以分辨部分水质参数的诊断性光谱特征位置，只有高光谱分辨率的遥感数据才能更加有效地捕捉这些光谱信息，从而提高内陆水质遥感监测的精度。
因此，需要研究一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，克服传统实地采样分析方法效率低、投入大、数据不连续的问题，方便连续监测固定区域的水质参数。
水质参数反演方法主要有经验法、半经验法和分析法等，其中经验法主要针对光谱分辨率较低的多光谱遥感数据，基于高光谱遥感数据进行水质参数反演主要采用半经验法和分析法。而在化学需氧量(chemical oxygen demand,CODcr)、生化需氧量(biochemicaloxygen demand,BOD5)、总磷(total phosphorus,TP)、总氮(total nitrogen,TN)、悬浮物(suspended solids,SS)等水质参数反演中半经验法应用更为广泛。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，已解决现有技术中实地采样分析方法效率低、投入大、数据不连续等技术问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，包括以下步骤：
步骤一：航空高光谱数据获取及预处理；
步骤二：水质参数数据获取；
步骤三：水面光谱数据获取及预处理；
步骤四：水质参数与水面光谱数据相关性分析；
步骤五：构建水质参数高光谱反演模型；
步骤六：输出水质参数反演结果；
步骤七：水质参数反演结果验证。
所述步骤一：航空高光谱数据获取及预处理包括：
采用机载高光谱成像系统获取目标区域航空高光谱数据；预处理步骤包括①辐射校正：利用定标参数对获取的航空高光谱数据进行辐射校正，得到航空高光谱辐射亮度数据；②几何校正：通过选取控制点，对得到的航空高光谱辐射亮度数据进行几何校正；③大气校正：运用ENVI软件中FLAASH模块对几何校正后的航空高光谱辐射亮度数据进行大气校正，得到航空高光谱影像反射率数据。
所述步骤二：水质参数数据获取包括：在监测水体目标区域选取不同的点作为水样采集点，对采集水样的水质参数浓度进行化验，得到采样点的实际水质参数数据，并按照一定比例将采样点划分为建模数据和验证数据两类。
所述步骤三：水面光谱数据获取及预处理的包括：水面光谱数据测量采用ASD便携式野外光谱仪进行，波长范围是350～2500nm，测量过程中仪器观测平面与太阳入射平面的夹角控制在背向太阳方向135°左右，仪器与目标法线方向的夹角控制在45°左右，每次测量五条光谱曲线，每个水样采集点测量三次，用以去除异常值后做均值处理。最后经过光谱平均及定标处理，获得采样点水面反射率光谱数据。
所述步骤四水质参数与水面光谱数据相关性分析包括：分别利用单波段、一阶微分和波段比值法分析CODcr、BOD5、TP、TN、SS等5种水质参数与其对应水面光谱数据的相关性，以找到水质参数的敏感波段；通过比较3种方法所计算的水质参数与其对应水面光谱数据相关系数绝对值大小，选择相关系数绝对值最大的方法作为该水质参数反演浓度最理想方法，并将相关系数绝对值最大的波长所对应的航空高光谱影像波段确定为最佳波段。
所述步骤五构建水质参数高光谱反演模型包括：利用步骤四对于CODcr、BOD5、TP、TN、SS等5项水质参数指标确定的最佳波段作为反演因子，使用SPSS软件分别选用二次多项式、指数和线性函数3个模型进行拟合，并计算拟合结果的决定系数R2以衡量模型的好坏，选择R2最大的模型分别作为5项水质参数定量反演的最优拟合模型。
所述步骤六输出水质参数反演结果包括：利用步骤五所构建的5项水质参数定量反演模型，输出基于航空高光谱数据的5项水质参数定量反演结果。
所述步骤七，水质参数反演结果验证包括：将步骤六输出的5项水质参数定量反演结果与步骤二预留的验证样点实测数据对比分析，分别计算各水质参数的平均相对误差，评价其反演效果。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，将航空高光谱遥感与水质监测相结合，能够克服传统实地采样分析方法效率低、投入大、数据不连续等不足，模型简单高效，准确率高，方便连续监测固定区域的水质参数，适用范围更广泛。
附图说明
图1为本发明设计的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明设计的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
步骤1，航空高光谱数据获取及预处理：
本实例中获取的是HyMap航空高光谱数据，包含128个波段，波长范围是350～2500nm，实际应用中也可利用AISA、CASI/SASI或其它航空高光谱测量系统获取目标区域航空高光谱数据。
数据预处理主要包括辐射校正、几何校正和大气校正。辐射校正是将获取的原始航空高光谱数据由DN值转换为辐射亮度值，具体方法是利用自带软件及定标参数进行辐射校正；几何校正是对系统或非系统因素引起的图像变形的校正，具体方法是通过采集地面控制点进行几何校正；大气校正是为了消除大气对原始航空高光谱数据的影响，获得较为准确的反射率数据，具体方法是使用ENVI软件中FLAASH模块进行航空高光谱数据的大气校正，得到航空高光谱影像反射率数据。
步骤2，水质参数数据获取：
在目标区域选取了34个水样采集点，其中30个点用于建模，4个点用于结果验证。采样点均匀分布于整个研究区域，每个样点采集400mL水样，并使用GPS手持机记录采样点经纬度位置。在实验室环境对水样的CODcr、BOD5、TP、TN、SS共5种水质参数浓度进行化验，最终得到采样点的实际水质参数数据。
步骤3，水面光谱数据获取及预处理：
水面光谱数据测量采用ASD便携式野外光谱仪进行，波长范围是350～2500nm，测量过程中仪器观测平面与太阳入射平面的夹角在背向太阳方向135°，仪器与目标法线方向的夹角在45°，每次测量5条光谱曲线，每个水样采集点测量3次，用以去除异常值后做均值处理。最后经过光谱平均及定标处理，获得采样点水面反射率光谱数据。
步骤4，水质参数与水面光谱数据相关性分析：
分别利用单波段、一阶微分和波段比值法分析CODcr、BOD5、TP、TN、SS等5种水质参数与其对应水面光谱数据的相关性，以找到水质参数的敏感波段。以TP水质指标为例，单波段方法计算得到的TP水质指标与其对应的水面光谱数据相关系数最大绝对值为0.607，对应波段为724nm；一阶微分方法计算得到的相关系数最大绝对值为0.686，对应波段为741nm；波段比值方法计算得到的相关系数最大绝对值为0.861，对应波段为698nm/657nm。通过比较可以发现，波段比值方法得到的相关系数绝对值明显高于单波段和一阶微分方法，因此选择波段比值法作为反演TP浓度最理想的方法，对应的最佳波段比值是698nm/657nm。CODcr、BOD5、TN、SS等水质参数指标的相关性分析过程类似。
步骤5，构建水质参数高光谱反演模型：
利用步骤(4)对于CODcr、BOD5、TP、TN、SS等5项水质参数指标确定的最佳波段作为反演因子，使用SPSS软件分别选用二次多项式、指数和线性函数3个模型进行拟合，并计算拟合结果的决定系数R2以衡量模型的好坏，选择R2最大的模型分别作为5项水质参数定量反演的最优拟合模型。最终选择结果是CODcr最优拟合模型为二次多项式模型，BOD5最优拟合模型为二次多项式模型，TP最优拟合模型为指数模型，TN最优拟合模型为二次多项式模型，SS最优拟合模型为二次多项式模型。
步骤6，输出水质参数反演结果：
利用步骤(5)所构建的5项水质参数定量反演模型，输出基于航空高光谱数据的5项水质参数定量反演结果。
步骤7，水质参数反演结果验证：
将步骤(6)输出的5项水质参数定量反演结果与步骤(2)预留的4个验证样点实测数据对比分析，分别计算各水质参数的平均相对误差，评价其反演效果。

Claims (8)

1.一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：航空高光谱数据获取及预处理；
步骤二：水质参数数据获取；
步骤三：水面光谱数据获取及预处理；
步骤四：水质参数与水面光谱数据相关性分析；
步骤五：构建水质参数高光谱反演模型；
步骤六：输出水质参数反演结果；
步骤七：水质参数反演结果验证。
2.根据权利要求1所述的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于：所述步骤一：航空高光谱数据获取及预处理包括：
采用机载高光谱成像系统获取目标区域航空高光谱数据；预处理步骤包括①辐射校正：利用定标参数对获取的航空高光谱数据进行辐射校正，得到航空高光谱辐射亮度数据；②几何校正：通过选取控制点，对得到的航空高光谱辐射亮度数据进行几何校正；③大气校正：运用ENVI软件中FLAASH模块对几何校正后的航空高光谱辐射亮度数据进行大气校正，得到航空高光谱影像反射率数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于：所述步骤二：水质参数数据获取包括：在监测水体目标区域选取不同的点作为水样采集点，对采集水样的水质参数浓度进行化验，得到采样点的实际水质参数数据，并按照一定比例将采样点划分为建模数据和验证数据两类。
4.根据权利要求3所述的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于：所述步骤三：水面光谱数据获取及预处理的包括：水面光谱数据测量采用ASD便携式野外光谱仪进行，波长范围是350～2500nm，测量过程中仪器观测平面与太阳入射平面的夹角控制在背向太阳方向135°左右，仪器与目标法线方向的夹角控制在45°左右，每次测量五条光谱曲线，每个水样采集点测量三次，用以去除异常值后做均值处理。最后经过光谱平均及定标处理，获得采样点水面反射率光谱数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于：所述步骤四水质参数与水面光谱数据相关性分析包括：分别利用单波段、一阶微分和波段比值法分析CODcr、BOD5、TP、TN、SS等5种水质参数与其对应水面光谱数据的相关性，以找到水质参数的敏感波段；通过比较3种方法所计算的水质参数与其对应水面光谱数据相关系数绝对值大小，选择相关系数绝对值最大的方法作为该水质参数反演浓度最理想方法，并将相关系数绝对值最大的波长所对应的航空高光谱影像波段确定为最佳波段。
6.根据权利要求5所述的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于：所述步骤五构建水质参数高光谱反演模型包括：利用步骤四对于CODcr、BOD5、TP、TN、SS等5项水质参数指标确定的最佳波段作为反演因子，使用SPSS软件分别选用二次多项式、指数和线性函数3个模型进行拟合，并计算拟合结果的决定系数R2以衡量模型的好坏，选择R2最大的模型分别作为5项水质参数定量反演的最优拟合模型。
7.根据权利要求6所述的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于：所述步骤六输出水质参数反演结果包括：利用步骤五所构建的5项水质参数定量反演模型，输出基于航空高光谱数据的5项水质参数定量反演结果。
8.根据权利要求7所述的一种基于航空高光谱数据的水库水质参数定量反演方法，其特征在于：所述步骤七，水质参数反演结果验证包括：将步骤六输出的5项水质参数定量反演结果与步骤二预留的验证样点实测数据对比分析，分别计算各水质参数的平均相对误差，评价其反演效果。
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