本發(fā)明涉及一種渾濁水體顆粒有機(jī)碳濃度的遙感反演方法，適用于二類渾濁水體表層顆粒有機(jī)碳(particulateorganiccarbon,poc)遙感反演，屬于水質(zhì)參數(shù)遙感反演技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于遙感技術(shù)來獲取水質(zhì)參數(shù)是根據(jù)遙感信號與水體光學(xué)活性物質(zhì)之間的關(guān)系模型，通過遙感影像的形式反演出某一區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)的過程。它已廣泛應(yīng)用到水資源管理與水環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域，并為相關(guān)部門提供科學(xué)決策的依據(jù)。

當(dāng)前，基于遙感技術(shù)獲取水質(zhì)參數(shù)已經(jīng)成為一個非常活躍的研究方向，世界海洋環(huán)流實驗woce、海洋通量聯(lián)合研究計劃jgofs、南大西洋通風(fēng)實驗save、我國的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)和其他項目試驗研究均取得了諸多成果。目前基于遙感技術(shù)獲取水質(zhì)參數(shù)的方法主要有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，半分析模型，理論分析模型?/p>

其中，經(jīng)驗?zāi)Ｐ挽`活方便易于實現(xiàn)，在遙感反演中廣泛應(yīng)用。目前能夠直接通過水色遙感獲取的水質(zhì)參數(shù)主要有葉綠素(chlorophyll-a,chl-a)、懸浮物(totalsuspendedmatter,tsm)、有色可溶性有機(jī)物(coloreddissolvedorganicmatter,cdom)，而poc本身不具有光學(xué)活性，不能直接獲取，許多研究直接利用遙感反射率和poc濃度建立經(jīng)驗關(guān)系模型，不具有明確的物理意義。另外，poc主要吸附于懸浮物上，懸浮物的粒徑分布(particlesizedistribution,psd)變化影響poc的吸附能力，也是影響水體遙感信號變化的主要因素，然而現(xiàn)有水色算法幾乎不考慮粒徑及分布模式對遙感反射率的影響,忽略了水體懸浮顆粒物粒徑分布的體積濃度對poc濃度反演的影響。

為了克服這個缺點(diǎn)，邢建偉等研究者發(fā)現(xiàn)poc與tsm實測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，水體tsm濃度是poc濃度水平和垂向輸運(yùn)的主要載體，因此可以通過光學(xué)活性物質(zhì)tsm間接得到poc遙感反演。研究者王芳、王繁等試圖將粒徑分布加入到tsm模型中以提高模型精度。但只考慮中值粒徑d50，而d10和d90沒有參與其中，針對poc濃度的遙感反演，其粒徑分布的參與更是少。

傳統(tǒng)的顆粒有機(jī)碳濃度遙感反演方法直接通過遙感反射率和水體poc濃度來建立關(guān)系模型來反演poc濃度，但是這種方法沒有明確的物理意義，精度較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明提供一種渾濁水體顆粒有機(jī)碳濃度的遙感反演方法，該方法具有明確的物理意義，包括水體poc遙感反演的兩個影響因素：一個是tsm濃度變化引起的poc質(zhì)量濃度的變化，另一個是由于懸浮物psd的變化引起的poc體積濃度的變化，該方法能直接反映遙感反演模型的物理基礎(chǔ)，提高遙感反演的精度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種渾濁水體顆粒有機(jī)碳濃度的遙感反演方法，其包括以下步驟：

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，研究區(qū)采集表層水體并且現(xiàn)場獲取水體光譜，在實驗室獲取水體tsm濃度、poc濃度以及懸浮物psd的數(shù)據(jù)，獲取現(xiàn)場遙感反射率以及下載研究區(qū)遙感影像并對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理；

(2)處理現(xiàn)場測量水面的光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)水面光譜雙峰特征以及遙感反射率和tsm、poc的相關(guān)性確定遙感反演的敏感波段，將其應(yīng)用于poc遙感反演模型中；

(3)建立poc濃度和tsm濃度、懸浮物psd之間的統(tǒng)計關(guān)系，對遙感敏感波段以及其波段組合建立經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系，將poc濃度和tsm濃度、懸浮物psd進(jìn)行回歸擬合，比較分析確定poc濃度和tsm濃度、懸浮物psd最佳擬合式(1)；

(4)建立tsm濃度的遙感反演模型，將敏感單波段以及波段組合和tsm濃度進(jìn)行回歸擬合，建立遙感反射率和tsm濃度的統(tǒng)計回歸曲線擬合式(2)；

(5)建立懸浮物psd的遙感反演模型，將敏感單波段以及波段組合和懸浮物psd進(jìn)行回歸擬合，建立遙感反射率和懸浮物psd的統(tǒng)計回歸曲線擬合式(3)；

(6)建立基于tsm濃度和懸浮物psd的poc濃度遙感模型，通過(1)(2)(3)的聯(lián)立最終得到建立基于tsm濃度和懸浮物psd的poc濃度遙感模型。

(7)遙感影像的應(yīng)用，通過對遙感影像預(yù)處理，envi軟件的bandmath計算及處理、arcgis軟件的圖像輸出獲得顆粒有機(jī)碳濃度圖。

所述步驟(5)粒徑分布包括了d10、d50和d90，統(tǒng)計回歸曲線擬合式(3)包括d10、d50和d90的統(tǒng)計回歸曲線擬合式，將粒徑與遙感反射率以及兩者的組合變換進(jìn)行回歸擬合最終確立d10、d50、d90的關(guān)系式。

所述步驟(7)的遙感影像為modis遙感影像，從nasa獲取與采樣時間同步的mod09q1數(shù)據(jù)，經(jīng)過modland提供的mrt(modisreprojectiontool)工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行影像拼接、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換的預(yù)處理，在envi中進(jìn)行水陸分離去云掩膜之后envi-bandmath進(jìn)行粒徑分布加入的poc模型計算，最后通過arcgis進(jìn)行圖像輸出得到poc濃度圖。

本發(fā)明的有益效果是：該方法具有明確的物理意義，包括水體poc遙感反演的兩個影響因素：一個是tsm濃度變化引起的poc質(zhì)量濃度的變化，另一個是由于懸浮psd的變化引起的poc體積濃度的變化，該方法能直接反映遙感反演模型的物理基礎(chǔ)，提高遙感反演的精度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明技術(shù)路線圖；

圖2為本發(fā)明表層水體反射率光譜圖；

圖3為本發(fā)明modis中心波段和tsm、poc的相關(guān)性；

圖4為本發(fā)明poc和tsm以及psd的回歸統(tǒng)計關(guān)系；

圖5為本發(fā)明tsm和modis波段的統(tǒng)計關(guān)系；

圖6為本發(fā)明杭州灣小潮poc濃度圖；

圖7為本發(fā)明杭州灣大潮poc濃度圖。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所述，一種渾濁水體顆粒有機(jī)碳濃度的遙感反演方法，其包括以下步驟：

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，研究區(qū)采集表層水體并且現(xiàn)場獲取水體光譜，在實驗室獲取水體tsm濃度、poc濃度以及懸浮物psd的數(shù)據(jù)，nasa官網(wǎng)下載研究區(qū)遙感影像并對研究區(qū)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理；

(2)處理現(xiàn)場測量水面的光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)水面光譜雙峰特征以及遙感反射率和tsm、poc的相關(guān)性確定遙感反演的敏感波段，將其應(yīng)用于poc遙感反演模型中；

(3)建立poc濃度和tsm濃度、懸浮物psd之間的統(tǒng)計關(guān)系，對遙感敏感波段以及其波段組合建立經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系，將poc濃度和tsm濃度、懸浮物psd進(jìn)行回歸擬合，比較分析確定poc濃度和tsm濃度、懸浮物psd最佳擬合式(1)；

(4)建立tsm濃度的遙感反演模型，將敏感單波段以及波段組合和tsm濃度進(jìn)行回歸擬合，建立遙感反射率和tsm濃度的統(tǒng)計回歸曲線擬合式(2)；

(5)建立懸浮物psd的遙感反演模型，將敏感單波段以及波段組合和懸浮物psd進(jìn)行回歸擬合，建立遙感反射率和懸浮物psd的統(tǒng)計回歸曲線擬合式(3)；

(6)建立基于tsm濃度和懸浮物psd的poc濃度遙感模型，通過(1)(2)(3)的聯(lián)立最終得到建立基于tsm濃度和懸浮物psd的poc濃度遙感模型。

(7)遙感影像的應(yīng)用，通過對遙感影像預(yù)處理，envi軟件的bandmath計算及處理、arcgis軟件的圖像輸出獲得顆粒有機(jī)碳濃度圖。

所述步驟(5)粒徑分布包括了d10、d50和d90，統(tǒng)計回歸曲線擬合式(3)包括d10、d50和d90的統(tǒng)計回歸曲線擬合式，將粒徑與遙感反射率以及兩者的組合變換進(jìn)行回歸擬合最終確立d10、d50、d90的關(guān)系式。

所述步驟(7)的遙感影像為modis遙感影像，從nasa獲取與采樣時間同步的mod09q1數(shù)據(jù)，經(jīng)過modland提供的mrt(modisreprojectiontool)工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行影像拼接、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換的預(yù)處理，在envi中進(jìn)行水陸分離去云掩膜之后envi-bandmath進(jìn)行粒徑分布加入的poc濃度計算，最后通過arcgis進(jìn)行圖像輸出得到顆粒有機(jī)碳濃度圖。

本發(fā)明結(jié)合在杭州灣的實際測量過程和數(shù)據(jù)來說明。

步驟1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

杭州灣采集表層水體并且現(xiàn)場用光譜儀獲取水體光譜，在實驗室獲取tsm、poc以及懸浮物psd的數(shù)據(jù)；獲取研究區(qū)遙感影像。

步驟2遙感光譜數(shù)據(jù)處理

如圖2所示，從表層水體反射率光譜圖可以看出杭州灣水體反射率有明顯雙峰特征，第一個寬峰位于600-700nm之間，第二個波峰出現(xiàn)在820nm附近，波谷則出現(xiàn)在750nm附近。當(dāng)水中懸浮物濃度低時，第一個反射峰比較敏感且高于第二個反射峰，隨著懸浮物濃度的增大，第二個反射峰逐漸升高并且超過第一個反射峰。此光譜為高濃度懸浮物渾濁水體的光譜響應(yīng)曲線圖，最高懸浮物濃度為1799.6mg/l，第二個反射峰明顯高于第一個反射峰。

圖3為modis中心波段遙感反射率和tsm以及poc的相關(guān)系數(shù)，從圖中可以看出tsm和遙感反射率的相關(guān)性比poc的相關(guān)性要強(qiáng)，結(jié)合水體的兩個波峰的光譜范圍(650-700nm、820nm)、modis中心波段與tsm和poc的相關(guān)性以及modis一二通道的空間分辨率相比其他通道高的特征，最終得出對tsm和poc變化敏感的遙感波段modis的第一二通道645nm、858nm來參與模型的建立，645nm、858nm在兩個反射峰附近并且相關(guān)系數(shù)是0.438和0.78。

步驟3建立poc和tsm、懸浮物psd的統(tǒng)計關(guān)系

poc的濃度受懸浮物質(zhì)量濃度和體積濃度的相互影響，質(zhì)量濃度表現(xiàn)在tsm的濃度上，體積濃度則表現(xiàn)在粒徑分布的影響上，因此通過tsm以及懸浮物psd來建立poc的多元統(tǒng)計可以更加準(zhǔn)確的估算poc的濃度。從圖4中可以看出:不加粒徑的poc模型精度最低，模型中分別加入d10、d50、d90都會提高模型的精度，但是d10的加入精度提高最明顯，三種粒徑都加入的模型精度最高(r2＝0.8412)，這與杭州灣水體組分有關(guān)，杭州灣小粒徑的顆粒較多，而大粒徑的顆粒較少，總體而言，粒徑的加入使得模型的決定系數(shù)從0.752提高到0.841，最終選取的poc模型是：

poc＝0.032tsm+447.474d10-25.091d50+0.651d90-192.817(r²＝0.841,n＝13)(1)

步驟4tsm的遙感反演模型

選取40組數(shù)據(jù)參與模型建立，5組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，其中

r1＝rrs645,r2＝rrs858,r3＝rrs645/rrs858,

r4＝(rrs645+rrs858)/(rrs645/rrs858)。從圖5可以看出單波段的

rrs858明顯高于rrs645的擬合精度，波段組合rrs645/rrs858乘冪模型曲線擬合精度明顯高于其他波段擬合精度，而線性模型擬合最差。最終選取的懸浮物濃度遙感反演模型是:

tsm＝1104.5r3^-2.392(r²＝0.876,n＝40)(2)

步驟5懸浮物psd的遙感反演模型

將粒徑與遙感反射率rrs645、rrs858以及兩者的組合變換進(jìn)行回歸擬合最終確立d10、d50、d90的關(guān)系式如下：

d10＝0.115r3²-0.219r3+0.668(r²＝0.758,n＝13)(3)

d50＝1.995r3²-3.969r3+4.1744(r²＝0.838,n＝13)(4)

d90＝-726.08r1²+83.357r1+7.4424(r²＝0.026,n＝13)(5)

步驟6建立基于tsm和懸浮物psd的poc遙感模型

綜合poc和tsm以及懸浮物psd的直接關(guān)系公式(1)、tsm和遙感反射率直接的關(guān)系公式(2)以及d10公式(3)、d50公式(4)以及d90公式(5)確定poc和遙感反射率的關(guān)系：

poc＝35.344r3^-2.392+1.403r3²+1.589r3-472.678r1²+54.265r1+6.201(6)

用5組未參與模型建立的數(shù)據(jù)來檢驗?zāi)Ｐ偷木?，得到均方根誤差為4.629mg/l，平均絕對誤差13.727％。

通過tsm以及懸浮顆粒物的粒徑分布d10、d50、d90以及只加入d50建立遙感反射率和poc之間的poc遙感模型結(jié)果與未加入粒徑的poc遙感模型結(jié)果對比表明：d10、d50、d90粒徑的加入使得poc遙感模型的均方根誤差從5.882mg/l降低到4.629mg/l，平均絕對誤差從17.358％降低到13.727％，而加入d50的poc遙感模型的精度則處于兩者之間，均方根誤差為5.7mg/l，平均絕對誤差14.698％。說明僅有d50無法完整表達(dá)水體懸浮顆粒物的粒徑組成，d10、d50、d90都參與模型可以相對完整的表達(dá)粒徑分布，更全面的把握水下信息。因此在模型中綜合考慮d10、d50、d90粒徑因子的貢獻(xiàn)是非常必要的。

步驟7modis遙感影像的應(yīng)用

從nasa獲取與采樣時間同步的mod09q1數(shù)據(jù)，經(jīng)過modland提供的mrt(modisreprojectiontool)工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行影像拼接、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換的預(yù)處理，在envi中進(jìn)行海陸分離去云掩膜之后envi-bandmath進(jìn)行杭州灣粒徑加入的poc計算，最后通過arcgis進(jìn)行圖像輸出得到小潮poc濃度圖以及大潮poc濃度圖，如圖6和圖7所示。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。