一種懸浮泥沙定量遙感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對入海河口及其近岸海域懸浮泥沙的定 量反演和遙感監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 懸浮泥沙是水體中最重要的水質(zhì)參數(shù)之一，其含量的多少及其沉積運動的規(guī)律直 接影響河口的治理與行洪安全。常規(guī)的懸浮泥沙測定方法是通過現(xiàn)場采集水樣，然后對水 樣進(jìn)行過濾，烘干稱重后計算濃度。這種方法費時、費力，并且難以滿足大面積監(jiān)測的要求。 遙感技術(shù)以其宏觀、大面積監(jiān)測的特點，能夠提供同一時刻大范圍水域的遙感影像，因此在 水環(huán)境監(jiān)測中有其特有的優(yōu)勢。
[0003] 當(dāng)前，懸浮物遙感方面有不少屬于國內(nèi)領(lǐng)先水平的研究，但多數(shù)為粗分辨率的遙 感監(jiān)測，模型的非線性關(guān)系也沒有統(tǒng)一，部分研究僅為對泥沙分布和流場的定性分析；而把 所有入海河口近岸作為整體，進(jìn)行統(tǒng)一研究的更是鮮有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種懸浮泥沙定量遙感方法， 其通過建立定量遙感反演模型并將該定量遙感反演模型應(yīng)用到衛(wèi)星遙感影像上，即可自動 制圖研究區(qū)域入海河口及其近岸海域泥沙的時空分布。
[0005] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種懸浮泥沙定量遙感方法，其包括以下步驟：
[0007] 步驟S1、根據(jù)Landsat衛(wèi)星傳感器經(jīng)過研究地區(qū)的時間，在該時間內(nèi)利用地物光 譜儀同步在所述研究地區(qū)的入海河口近岸區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場水體光譜測量，同時對所述區(qū)域進(jìn) 行水樣采集，采集的水樣進(jìn)行懸浮泥沙含量測量；
[0008] 步驟S2、利用地物光譜儀測量的現(xiàn)場水體光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合Landsat衛(wèi)星傳感器光 譜響應(yīng)函數(shù)，通過卷積的方法把所述現(xiàn)場水體光譜數(shù)據(jù)等效到Landsat衛(wèi)星傳感器的藍(lán)、 綠、紅、近紅四個波段上：
[0010] 其中：x是等效遙感反射率，i = 1，2, 3, 4分別代表藍(lán)、綠、紅、近紅四個波段，λ是 波長，f( λ)是光譜響應(yīng)函數(shù)，r( λ)是地物光譜儀測量的現(xiàn)場水體光譜數(shù)據(jù)，λ ιηαη、λ _χ 分別為第i個波段的波長λ i的最小值和最大值，即Landsat衛(wèi)星傳感器第i個波段通道 區(qū)間的最小值和最大值；
[0011] 步驟S3、隨機將采集的水樣樣本分成建模樣本和驗證樣本；
[0012] 步驟S4、通過建模樣本進(jìn)行泥沙遙感定量模型的建立，其包括以下步驟：
[0013] 步驟S41、建立泥沙遙感定量模型：
[0014] y = kx+b (2)
[0015] 其中，k和b為模型參數(shù)，X為等效遙感反射率數(shù)據(jù)，y為懸浮泥沙數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟S42、利用步驟S2測得的等效遙感反射率以及步驟Sl測得的懸浮泥沙含量數(shù) 據(jù)，進(jìn)行相關(guān)性分析，分別得到建模樣本中的藍(lán)、綠、紅、近紅四個波段與懸浮泥沙的相關(guān)系 數(shù) P1、P2、P3、P4 :
[0018] 其中，ΡΛ建模樣本的第i個波段的相關(guān)系數(shù)，X iy是建模樣本中某一樣本的第i 個波段的等效遙感反射率與該樣本的懸浮泥沙數(shù)據(jù)的乘積，Σ X1為建模樣本中所有樣本的 第i個波段的等效遙感反射率之和，Σ y為建模樣本中所有樣本的懸浮泥沙數(shù)據(jù)之和，N為 建模樣本個數(shù)；
[0019] 步驟S43、選取相關(guān)系數(shù)PU P2、P3、P4中絕對值最大的一個值對應(yīng)的等效遙感反 射率數(shù)據(jù)以及懸浮泥沙含量數(shù)據(jù)，將選取的等效遙感反射率數(shù)據(jù)以及懸浮泥沙含量數(shù)據(jù)對 公式（2)中的模型參數(shù)k和b進(jìn)行求解；
[0020] 步驟S5、獲取Landsat衛(wèi)星傳感器在研究地區(qū)的衛(wèi)星影像并將所述衛(wèi)星影像在 ENVI軟件中進(jìn)行預(yù)處理；
[0021] 步驟S6、在ENVI軟件下，利用波段運算工具把步驟S4建立的泥沙遙感定量模型應(yīng) 用到步驟S5處理后的衛(wèi)星影像上，反演得到研究地區(qū)的懸浮泥沙含量。
[0022] 所述步驟S4和步驟S5之間還包括通過驗證樣本對求解模型參數(shù)k和b的公式 (2)進(jìn)行精度驗證，驗證的方法是：選取驗證樣本中每個樣本中與相關(guān)系數(shù)P1、P2、P3、P4* 絕對值最大的一個值對應(yīng)的等效遙感反射率數(shù)據(jù)作為自變量代入公式（2)中求得每個驗 證樣本的懸浮泥沙模擬值，基于每個驗證樣本的懸浮泥沙模擬值以及步驟Sl中獲取的每 個驗證樣本的懸浮泥沙數(shù)據(jù)，用均方根誤差RMSE來表征泥沙遙感定量模型的精度：
[0024] 其中，yj為第j個驗證樣本的懸浮泥沙數(shù)據(jù)，太j為第j個驗證樣本的懸浮泥沙 模擬值，η為驗證樣本個數(shù)。
[0025] 所述步驟S43中，將選取的等效遙感反射率數(shù)據(jù)以及懸浮泥沙含量數(shù)據(jù)利用SPSS 軟件的回歸分析功能對模型參數(shù)k和b進(jìn)行求解。
[0026] 所述步驟S5中的預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌、水陸分離和裁剪。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明懸浮泥沙定量遙感方法，因為衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的獲取 及預(yù)處理很確定，定量遙感反演模型已經(jīng)建立，只須通過ENVI軟件把定量模型應(yīng)用到衛(wèi)星 遙感影像上，就能自動制圖研究地區(qū)泥沙的時空分布，是科學(xué)、高效的河口近岸泥沙研究方 法。
【附圖說明】
[0028] 圖1為研究地區(qū)及現(xiàn)場實驗空間位置示意圖；
[0029] 圖2為泥沙遙感反演定量模型的建立曲線；
[0030] 圖3為泥沙遙感反演定量模型的驗證曲線；
[0031] 圖4河口近岸真彩色合成遙感影像及預(yù)處理；
[0032] 圖5珠江口、磨刀門、韓江口近岸懸浮泥沙遙感反演結(jié)果。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034] 實施例：
[0035] 1、研究地區(qū)及水沙特征：
[0036] 本發(fā)明較佳的實施例中，研究地區(qū)為廣東省主要入海河口及其近岸海域。其主要 包括，珠江：全長2214公里，流域面積453690平方千米，年徑流量3300多億立方米，居全國 江河水系的第二位；韓江：韓江流域位于粵東、閩西南，是廣東省除珠江流域以外的第二大 流域，流域面積30112平方千米，韓江多年平均輸沙量為693. 22萬噸，多年平均輸沙模數(shù)為 每平方公里212. 68噸，韓江多年平均含沙量每立方米0. 258千克；磨刀門：磨刀門位于廣 東省珠海市洪灣企人石，是西江徑流的主要出?？陂T，年徑流量923億立方米，占珠江人海 總徑流量的28. 3%，年輸沙量2314萬噸，占珠江入?？傒斏沉康?3% ;漠陽江：漠陽江位 于廣東省西南部，流域總面積6091平方公里，河長199公里，徑流量為82. 1億立方米，多年 平均水資源總量為86. 5億立方米；鑒江：南海水系河流，粵西沿海最大的河流，集水面積為 9464平方公里，河長232公里；九洲江：九州江，南海北部灣水系，全長162公里，總流域面 積3337平方公里。研究區(qū)見附圖1。
[0037] 2、同步（準(zhǔn)同步）水體實驗
[0038] 利用ASD地物光譜儀，依據(jù)水面之上測量法，在廣東省主要入海河口近岸區(qū)域進(jìn) 行現(xiàn)場水體光譜測量和水體采樣，水體實驗點見圖1。
[0039] 3、懸浮泥沙實驗室測量
[0040] 采集的水樣裝入水樣瓶中，避免陽光照射并于24小時之內(nèi)送回實驗室進(jìn)行懸浮 泥沙含量測定，測量方法為過濾、烘干法。
[0041] 4、現(xiàn)場光譜測量衛(wèi)星傳感器等效計算
[0042] 利用ASD地物光譜儀測量的現(xiàn)場水體光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合Landsat衛(wèi)星傳感器光譜響 應(yīng)函數(shù)，通過卷積的方法把ASD測量的光譜數(shù)據(jù)等效到Landsat衛(wèi)星傳感器的藍(lán)、綠、紅、近 紅四個波段上，計算公式如下：
[0044] 式（5)中，x是等效遙感反射率，i = 1，2, 3, 4分別代表藍(lán)、綠、紅、近紅四個波段， λ是波長，f( λ)是光譜響應(yīng)函數(shù)，r( λ)是地物光譜儀測量的現(xiàn)場水體光譜數(shù)據(jù)，λ inun、 λ _x分別為第i個波段的波長λ i的最小值和最大值，即Landsat衛(wèi)星傳感器第i個波段 通道區(qū)間的最小值和最大值。
[0045] 5、懸浮泥沙定量遙感模型建立及驗證
[0046] 根據(jù)采集的水樣總樣本數(shù)（40個樣本），隨機選擇25個樣本構(gòu)成建模樣本，進(jìn)行泥 沙遙感定量模型的建立，余下的15個樣本構(gòu)成驗證樣本，用于泥沙遙感定量模型的精度驗 證。
[0047] 建模的具體方法是：
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