一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于遙感監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，包括以下步驟：選取水體測量點，實測獲取包含3個紅光波段和1個近紅外波段的水體表面遙感反射率；步驟2：建立四波段藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)遙感估算模型，求出藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)；步驟3：根據(jù)步驟2中求出的藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)求出藻藍(lán)蛋白濃度。本發(fā)明通過所選波段的加減運(yùn)算，減少了水體中其他參數(shù)如懸浮泥沙、黃色物質(zhì)等對藻藍(lán)蛋白光譜信息的干擾，從而提高模型的精度。此外，該算法僅需要輸入實測的遙感反射率，其他參數(shù)都可以從已有文獻(xiàn)或數(shù)據(jù)庫中查閱，提高了計算效率，大大簡化了模型參數(shù)，提高了模型的實用性。
【專利說明】
一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于遙感監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)90年代以來，我國淡水水體富營養(yǎng)狀態(tài)日益嚴(yán)重，范圍不斷擴(kuò)大，60%的天 然淡水湖泊有不同程度的富營養(yǎng)化污染現(xiàn)象，并導(dǎo)致云南滇池、江蘇太湖和安徽巢湖等富 營養(yǎng)化湖泊發(fā)生嚴(yán)重的藍(lán)藻水華。近幾十年來，湖泊藍(lán)藻水華的發(fā)生頻率、發(fā)生規(guī)模以及持 續(xù)時間均呈現(xiàn)增加的趨勢，不僅給湖泊的功能和生態(tài)系統(tǒng)造成了很多有害的影響，而且還 嚴(yán)重影響到人類健康和居民生活。因此，對藍(lán)藻水華進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測，成為湖泊管理和水華 治理的前提。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)具有宏觀性、現(xiàn)勢性的特點，使得遙感技術(shù)在我國內(nèi)陸水體藍(lán)藻 水華的監(jiān)測中發(fā)揮了重要的作用。目前，對藍(lán)藻發(fā)生面積的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是， 如何準(zhǔn)確定量估算藍(lán)藻生物量，還是一個亟待解決的問題。藻藍(lán)蛋白是藍(lán)藻中特有的色素 成分，因此，該參數(shù)的濃度值可以準(zhǔn)確地表征藍(lán)藻生物量的大小，正因為如此，對藻藍(lán)蛋白 的遙感估算方法的研究，成為該領(lǐng)域研究的熱點。
[0003] 目前對藻藍(lán)蛋白濃度的估算主要有以下方法：（1)野外采集水樣，實驗室化學(xué)分析 測定藻藍(lán)蛋白濃度。這種方法測量的精度高，但是，只能用于所采集樣點的估算，無法推算 整個水體區(qū)域的值，此外，該類方法需要到實地采集水樣，耗時耗力；（2)利用遙感光譜信息 估算藻藍(lán)蛋白濃度。該類方法可以利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，建立模型，實現(xiàn)整個水體區(qū)域的藻藍(lán) 蛋白濃度估算。目前，該類方法主要是針對某一特定水域，建立經(jīng)驗統(tǒng)計模型，模型對其他 水體的適用性不夠，此外，這類模型主要是在國外的水體中建立的，對我國的高富營養(yǎng)化水 體不適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中藻藍(lán)蛋白濃度估算方法耗時耗 力，且適用性局限的不足，提供一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，該方法適用 于高富營養(yǎng)化水體的藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明所述的藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，其目的是這 樣實現(xiàn)的：
[0006] -種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟S1，獲得水面遙感反射率高光譜數(shù)據(jù)；
[0008] 步驟S2,通過所述水面遙感反射率建立四波段模型估算藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)；
[0009] 以及步驟S3,通過所述藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)，計算藻藍(lán)蛋白濃度。
[0010] 作為優(yōu)化，步驟S1中，選取水體測量點，利用地面光譜輻射儀測量獲得水面遙感反 射率高光譜數(shù)據(jù)，要求所獲取的波段包含3個紅光波段和1個近紅外波段。分別將3個紅光波 段記為1 1，12和\4，將近紅外波段記為\3，并將其水體表面遙感反射率分別記作1^(\ 1)，1^ (入2)，Rrs(^4)，Rrs(^3);
[0011]作為優(yōu)化，步驟S2中，根據(jù)所述步驟SI實測的水面遙感反射率數(shù)據(jù)，建立四波段藻 藍(lán)蛋白吸收系數(shù)遙感估算模型：
[0013]其中，￥(&)是藻藍(lán)蛋白在波長心處的吸收系數(shù)，Rrs(h)是水體在\波段處的遙感 反射率，aw(Ai)是純水在波段處的吸收系數(shù)，i = 1，2，3，4;
[0014]作為優(yōu)化，步驟S3中，將步驟S2中求出的藻藍(lán)蛋白在波長h處的吸收系數(shù)apjAj 代入下列公式，求出藻藍(lán)蛋白濃度pc:
[0016] 其中，pc是藻藍(lán)蛋白濃度，￥(λ〇是藻藍(lán)蛋白在波長心處的吸收系數(shù)，<仏)是藻 藍(lán)蛋白在波長h處的單位吸收系數(shù)。
[0017] 原理:步驟1中，用地面光譜輻射儀測量3個紅光波段h，\2和\4和1個近紅外波段λ 3 的水面遙感反射率，由于在這些波段中，水體的后向散射近似相等，并且滿足：
[0019] 其中，是波段λ!處水體中黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)，aph-pc^i)是波段λ!處水體 中浮游藻類剔除藻藍(lán)蛋白色素后的吸收系數(shù)，因此，通過所選波段的加減運(yùn)算，可以減少水 體中其他參數(shù)如懸浮泥沙、黃色物質(zhì)等對藻藍(lán)蛋白光譜信息的干擾，從而提高模型的精度。 此外，該算法僅需要輸入實測的遙感反射率，其他參數(shù)都可以從已有文獻(xiàn)或數(shù)據(jù)庫中查閱， 因此，大大簡化了模型參數(shù)，提高了模型的實用性。
[0020] 有益效果:本發(fā)明所述的藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，通過所選波 段的加減運(yùn)算，可以減少水體中其他參數(shù)如懸浮泥沙、黃色物質(zhì)等對藻藍(lán)蛋白光譜信息的 干擾，從而提高模型的精度。此外，該算法僅需要輸入實測的遙感反射率，其他參數(shù)都可以 從已有文獻(xiàn)或數(shù)據(jù)庫中查閱，提高了計算效率，因此，大大簡化了模型參數(shù)，提高了模型的 實用性;加快算法的計算速度，易于實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的計算，適用性強(qiáng)。
【具體實施方式】
[0021] 為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，這些實施 例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0022] -種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，包括以下步驟：
[0023] 步驟S1:通過野外實驗觀測獲取了太湖、巢湖、洞庭湖、洪澤湖的實驗數(shù)據(jù)，共包括 150個樣點，利用ASD野外光譜輻射儀測量水體水面的遙感反射率，其光譜范圍為400nm-900腦，在此波段范圍內(nèi)，分別選取人 1 = 620腦，人2 = 600腦，人3 = 780腦，人4 = 65011111，將其遙感 反射率分別記作Rrs(Xl)，Rrs(X2)，Rrs(X4)，Rrs(入3);
[0024] 步驟S2:建立四波段藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)遙感估算模型，根據(jù)下列公式求出藻藍(lán)蛋 白在波長1:處的吸收系數(shù)apc^Ai):
[0026] 其中，是藻藍(lán)蛋白在波長心處的吸收系數(shù)，Rrs(h)是水體在\波段處的遙感 反射率，aw(M)是純水在\波段處的吸收系數(shù)，i = l，2,3,4，aw(M)值通過標(biāo)準(zhǔn)的水色參數(shù)數(shù) 據(jù)庫查找；
[0027] 步驟S3:將步驟2中求出的藻藍(lán)蛋白在波長h處的吸收系數(shù)~。(心)代入下列公式， 求出藻藍(lán)蛋白濃度pc:
[0029] 其中，pc是藻藍(lán)蛋白濃度，％。(&)是藻藍(lán)蛋白在波長&處的吸收系數(shù)，^^木)是藻 藍(lán)蛋白在波長h處的單位吸收系數(shù)(該參數(shù)為固定值）。
[0030] 對比實驗:藻藍(lán)蛋白濃度采用常規(guī)的化學(xué)分析方法在室內(nèi)通過對野外采集的水樣 進(jìn)行測量。
[0031] 實驗分析:藻藍(lán)蛋白濃度估算的效果利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)R和均方根誤差(RMSE) 進(jìn)行評價，評價公式如下：
[0033] 其中，valuemeasured,i是實測值，valueestimat ed.i是估算值，N是參與評價的樣本數(shù)。
[0034]與國際上提出的幾個模型的估算效果的對比見下表：
[0036] 其中，Hunter 10、Hunter08、Schalles00、Dekker93、Simis08 分別為國際上在 2010、 2008、2000、1993年和2008年提出的算法。從表中可以看出，針對于我國的富營養(yǎng)化湖泊，本 發(fā)明提出的方法對模型的均方根誤差、估算值與原始值的相關(guān)關(guān)系都有改進(jìn)，特別是針對 于藻藍(lán)蛋白濃度較低(如低于50ug/L)的水體，大幅度地提高了模型精度。
[0037] 上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明 精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟S1:獲取水面遙感反射率高光譜數(shù)據(jù)； 步驟S2:通過所述水面遙感反射率建立四波段模型估算藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)； 步驟S3:通過所述藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)計算藻藍(lán)蛋白濃度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，其特征在于， 步驟S1中，利用地面光譜福射儀測量獲得水面遙感反射率高光譜數(shù)據(jù)，所測數(shù)據(jù)包含3個紅 光波段λ?，λ2和λ4和1個近紅外波段λ3，其遙感反射分別記作Rrs ( λι )，Rrs (λ2 )，Rrs (λ4)，Rrs (h) ο3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，其特征在于， 步驟S2中，根據(jù)所述步驟S1實測的水面遙感反射率數(shù)據(jù)，建立藻藍(lán)蛋白吸收系數(shù)遙感估算 模型：其中，apc(M)是藻藍(lán)蛋白在波長λι處的吸收系數(shù)，Rrs(、)是水體在λι波段處的遙感反射 率,aw(、)是純水在、波段處的吸收系數(shù),i二1,2,3,4。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻藍(lán)蛋白濃度遙感估算的四波段模型方法，其特征在于， 步驟S3中，將步驟S2中求出的藻藍(lán)蛋白在波長λι處的吸收系數(shù)apc(Ai)代入下列公式，求出 藻藍(lán)蛋白濃度pc:其中，pc是藻藍(lán)蛋白濃度，apc(M)是藻藍(lán)蛋白在波長λι處的吸收系數(shù)，保;(義1)是藻藍(lán)蛋 白在波長λι處的單位吸收系數(shù)。
【文檔編號】G01N21/359GK106092951SQ201610361726
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】李云梅, 劉閣
【申請人】南京吉澤信息科技有限公司