CN112697752B - 估算全球内陆水体透明度的方法 - Google Patents

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Abstract

估算全球内陆水体透明度的方法，涉及一种估算内陆水体透明度的方法。本发明的目的是为了解决现有湖库的透明度测试无法大尺度范围实现连续监测的缺陷，而提供一种利用遥感卫星的天顶角反射率估算全球内陆水体透明度的方法。本发明全球内陆水体透明度估算采用陆地卫星系列卫星的天顶角反射率波段组合模型进行估算，所述波段组合模型为红波段/蓝波段+蓝波段/绿波段。本发明估算湖库透明度的模型效果好，经实测样点模型验证发现该模型可以准确的估算全球湖库水体的透明度，具有极高的可信度和可应用性。

Description

估算全球内陆水体透明度的方法
技术领域
本发明涉及一种估算内陆水体透明度的方法。
背景技术
水体透明度(Secchi disk Depth，SDD)是通过赛克盘垂直放入水体中测量极限能见度。透明度可以直接反映水体的混浊程度和水下透射情况，是水体的重要物理参数之一，也是重要的水质参数指标，能够作为评价判断水体富营养化程度的重要依据。湖库是地球水圈的重要组成，在全球气候变化和人类生存发展等方面都具有具足轻重的作用。近年来受人类活动和生产生活的直接影响，湖库面临着污染物输入、水体富营养化和水资源分配不均等多重影响，同时在土地利用和气候变化的压力下全球湖库都发生了明显的生态环境变化。全球湖库数量众多，大约有1.1亿个湖库，因此在全球范围内进行连续水质监测具有极大的挑战，而传统的野外采样监测只能获得一定时间和地点内的水质监测数据。对于大尺度范围内的湖库实时连续采样可以获得更全面的水质参数数据，对于环境监测和管理具有积极的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有湖库的透明度测试无法大尺度范围实现连续监测的缺陷，而提供一种利用遥感卫星的天顶角反射率估算全球内陆水体透明度的方法。
本发明全球内陆水体透明度估算方法采用陆地卫星系列卫星的天顶角反射率波段组合模型进行估算，所述波段组合模型为红波段/蓝波段+蓝波段/绿波段。
进一步，本发明方法采用Landsat-8卫星，波段组合模型的估算公式为Ln(SDD)＝-2.27*R/B+3.50*B/G+1.52；其中，R为卫星传感器获取的该采样点红波段天顶角反射率，B为卫星传感器获取的该采样点蓝波段天顶角反射率，G为卫星传感器获取的该采样点绿波段天顶角反射率。
进一步，本发明方法采用Landsat-7卫星，波段组合模型的估算公式为Ln(SDD)＝-2.35*R/B+2.99*B/G+2.26；其中，R为卫星传感器获取的该采样点红波段天顶角反射率，B为卫星传感器获取的该采样点蓝波段天顶角反射率，G为卫星传感器获取的该采样点绿波段天顶角反射率。
进一步，本发明方法采用Landsat-5卫星，波段组合模型的估算公式为Ln(SDD)＝-3.22*R/B+2.63*B/G+3.26；其中，R为卫星传感器获取的该采样点红波段天顶角反射率，B为卫星传感器获取的该采样点蓝波段天顶角反射率，G为卫星传感器获取的该采样点绿波段天顶角反射率。
遥感技术具有连续快速获得大范围动态观测数据的特点，因此本发明利用卫星遥感技术对大尺度范围的湖库水体进行水质监测。美国NASA的陆地卫星(Landsat)计划从1972年7月23日以来已发射8颗，Landsat-5卫星是美国陆地卫星系列中的第五颗，携带有效载荷为专题制图仪(TM)(蓝波段：0.45-0.52μm绿波段：0.52-0.60μm红波段：0.63-0.69μm)。Landsat-7卫星装备有增强型专题制图仪(ETM+)(蓝波段：0.45-0.515μm绿波段：0.525-0.605μm红波段：0.63-0.69μm)，ETM+有8个波段的感应器，覆盖着从红外到可见光的不同波长范围(蓝波段：0.45-0.51μm绿波段：0.53-0.59μm红波段：0.64-0.67μm)。与Landsat-5卫星的TM传感器相比，ETM+增加了15米分辨率的一个波段，在红外波段的分辨率更高，因此有更高的准确性。Landsat-8卫星装备有陆地成像仪(简称OLI)和热红外传感器。OLI有9个波段的感应器，覆盖了从红外到可见光的不同波长范围。
本发明通过卫星传感器获得水体离水反射光谱推演湖库透明度等水质参数可以快速了解大尺度范围内水体透明度在时间和空间上的分布变化，及时了解湖库的水质情况和富营养化程度，对于全球水体的水质监测和科学管理具有重要的实际意义。
本发明估算湖库透明度的模型效果好，经实测样点模型验证发现该模型可以准确的估算全球湖库水体的透明度，具有极高的可信度和可应用性。
附图说明
图1是实施例1中全球湖库透明度估算模型的样点分布图；
图2是实施例1中全球3600个样点所构建的四种效果较好的透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图；图2a为采用单波段——红波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图，图2b为采用波段组合——红/绿波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图；图2c为采用波段组合——蓝/绿波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图；图2d为采用波段组合——红/绿+蓝/绿波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图；
图3是实施例1中全球1800个样点验证所构建的四种效果较好的透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图；图3a为采用单波段——红波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图，图3b为采用波段组合——红/绿波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图；图3c为采用波段组合——蓝/绿波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图；图3d为采用波段组合——红/绿+蓝/绿波段天顶角反射率构建的效果较好透明度估算模型的透明度估算值与实测值回归分析图.
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
实施例1
全球七大洲范围内通过实际采样测量和文献检索共获取湖库实测透明度数据的样点5400个，对于上述5400个湖库样点(如图1所示)采用不同卫星传感器(包括Landsat-5TM、Landsat-7ETM+、Landsat-8OLI传感器)的天顶角反射率建模进行估算。
从上述5400个湖库样点中随机挑选3600个样点，检验Landsat-5TM、Landsat-7ETM+、Landsat-8OLI卫星传感器获取的卫星天顶角反射率的单波段或波段组合与实测透明度的相关性，最终筛选、构建出四种效果较好的透明度估算模型(如表1所示)。在三种不同卫星传感器模型中，线性回归系数R2最高的模型均为本发明波段组合模型即红波段/蓝波段+蓝波段/绿波段(R/B+B/G)。利用模型对所选3600个样点进行估算，估算值与实测值的相关性结果中发现波段组合模型的均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和偏差(Bias)最低如图2和表1所示。
表1
Figure GDA0003886252870000031
再利用5400个湖库样点中剩余的1800个样点进行验证，估算值与实测值的相关性结果如表2所示，发现本发明波段组合模型的均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和偏差(Bias)最低(如图3所示)。说明本发明方法估算数据对全球湖库水体的透明度都具有极高的可信度和可应用性。
表2
Figure GDA0003886252870000032
Figure GDA0003886252870000041

Claims (1)

1.估算全球内陆水体透明度的方法，其特征在于全球内陆水体透明度估算采用陆地卫星系列卫星的天顶角反射率波段组合模型进行估算，所述波段组合模型为R/B+B/G；其中，R为卫星传感器获取的采样点红波段天顶角反射率，B为卫星传感器获取的采样点蓝波段天顶角反射率，G为卫星传感器获取的采样点绿波段天顶角反射率；
该方法采用Landsat-8卫星，波段组合模型的估算公式为Ln(SDD)＝-2.27*R/B+3.50*B/G+1.52；
该方法采用Landsat-7卫星，波段组合模型的估算公式为Ln(SDD)＝-2.35*R/B+2.99*B/G+2.26；
该方法采用Landsat-5卫星，波段组合模型的估算公式为Ln(SDD)＝-3.22*R/B+2.63*B/G+3.26。
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