同時(shí)反演內(nèi)陸水體混濁度、cod和葉綠素濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星遙感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同時(shí)反演內(nèi)陸水體混濁度、COD和葉 綠素濃度的遙感方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 應(yīng)用水質(zhì)遙感技術(shù)可對(duì)大區(qū)域的水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不受地面條件的限制。且衛(wèi)星 遙感數(shù)據(jù)周期性覆蓋地球表面，可以很方便地對(duì)區(qū)域水環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果 可以很好反演水環(huán)境的空間分布情況，與常規(guī)監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合，可以大大提高水環(huán)境監(jiān)測(cè) 的效能。
[0003] 目前采用的水質(zhì)遙感方法主要為經(jīng)驗(yàn)公式法和半分析模型法兩大類：
[0004] 其中，經(jīng)驗(yàn)公式法是在衛(wèi)星過境時(shí)在水面上進(jìn)行大量的水面采樣分析，然后通過 回歸分析等統(tǒng)計(jì)方法，建立混濁度、葉綠素等與某個(gè)敏感波段反射率的經(jīng)驗(yàn)公式，再根據(jù)該 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所有水域像元的相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)。
[0005] 但是，采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法需建立在大量的衛(wèi)星同步地面采樣分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之 上，需耗費(fèi)大量的人力物力。且這種方法多是單參數(shù)反演，而水體反射率是多種光活性因子 共同影響的結(jié)果，同時(shí)還受多種環(huán)境因素的影響。故這種方法精度有限，且適應(yīng)性差，不同 的地區(qū)，不同的季節(jié)，所建立的經(jīng)驗(yàn)公式皆不適用。
[0006] 半分析模型法多采用由蒙特卡羅方法得到的半分析模型：
庫中：RW 為水體以射率，β為水體后向散射系數(shù)，α為水體吸收體系數(shù)，f為常數(shù)。
[0007] 該公式假定水深很大，可以數(shù)個(gè)參數(shù)同時(shí)反演。目前能反演的參數(shù)主要為：懸浮 物、葉綠數(shù)和黃色物質(zhì)。其它水質(zhì)參數(shù)的遙感均是通過與該三個(gè)參數(shù)的共生關(guān)系進(jìn)行估算， 具有很大的不確定性，離實(shí)用化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
[0008] 但是，采用半分析模型的方法也存在幾方面的問題。一是普遍采用的公式只適用 于海域的水質(zhì)遙感，應(yīng)用于水深有限的內(nèi)陸地表水水質(zhì)遙感時(shí)常誤差較大；其二，常數(shù)f是 一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，與成像時(shí)的環(huán)境條件有關(guān)，一般通過經(jīng)驗(yàn)方式獲取，其值與成像時(shí)間和地區(qū)氣 象等條件有關(guān)。在一定程度上限制了模型的適應(yīng)性。
[0009] 目前所能反演且能達(dá)到實(shí)用化精度要求的參數(shù)為懸浮物、葉綠數(shù)和黃色物質(zhì)，而 對(duì)有機(jī)污染濃度等最普遍的污染參數(shù)仍未能反演。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是提供同時(shí)反演內(nèi)陸水體混濁度、COD和葉綠素濃度的方法，該方法 可以有效地同時(shí)反演出內(nèi)陸水體懸浮泥沙濃度、有機(jī)污染物濃度和葉綠素濃度，從而有效 反映區(qū)域水環(huán)境狀況的空間分布，且可以反映大、中型污染源，為相關(guān)部門進(jìn)行水環(huán)境污染 控制，水資源保護(hù)提供極為有用的信息。
[0011] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] 同時(shí)反演內(nèi)陸水體混濁度、COD和葉綠素濃度的方法，包括以下步驟：
[0013] (SI)建立內(nèi)陸地表水水質(zhì)遙感物理分析模型；
[0014] (S2)測(cè)量水體消光系數(shù)、水體吸收系數(shù)和水體反向散射系數(shù)，以及研究區(qū)典型水 下地物的反射率；
[0015] (S3)對(duì)衛(wèi)星原始圖像進(jìn)行精確的大氣糾正并消除水面鏡面反射光的影響
[0016] (S4)簡(jiǎn)化所述內(nèi)陸地表水水質(zhì)遙感物理分析模型，并根據(jù)簡(jiǎn)化后的物理分析模型 計(jì)算出懸浮泥沙、有機(jī)污染物和葉綠素的濃度；
[0017] (S5)重復(fù)步驟（S4)，得到所有像元的懸浮泥沙、有機(jī)污染物和葉綠素的濃度。
[0018] 作為一種具體的實(shí)施例，所述步驟（SI)中內(nèi)陸地表水水質(zhì)遙感物理分析模型的 函數(shù)關(guān)系為：
[0019]
[0020] 式中：Ρ(Θ)為水體散射相函數(shù)，Θ為水體散射角；β為水體后向散射系數(shù)，α為 水體吸收系數(shù)，R b為水底底質(zhì)反射率，h為水深；μ = sec Θ +sec φ，Θ為陽光在水中傳播 的天頂角，Φ為水中的觀測(cè)天頂角；RW= Rws+Rwb，lU%水體反射率，Rws為水體散射光對(duì)反射 率的貢獻(xiàn)，R wb為水底反射光對(duì)反射率的貢獻(xiàn)。
[0021] 作為一種具體的實(shí)施例，步驟（S3)具體為：
[0022] (S31)從圖像上提取暗像元，迭代計(jì)算大氣散射系數(shù)、大氣透過率和天空光輻照 度。
[0023] (S32)對(duì)圖像中所有像元進(jìn)行大氣糾正。
[0024] (S33)消除天空光鏡面反射光。
[0025] (S34)消除太陽直射光鏡面反射光。
[0026] 進(jìn)一步地，所述步驟（S31)中迭代計(jì)算大氣散射系數(shù)、大氣透過率和天空光輻照 度的步驟包括：
[0027] (S311)讀取暗像元的反射率Rvd，根據(jù)暗像元的表觀反射率Rvd的計(jì)算公式：
[0028] 式中：ω為大氣散射系數(shù)，T為大氣透過率，&為地物反射率，Ρ( Θ )為大氣散射 相函數(shù)，Θ為散射角， ,4R'.,
[0029] 首先忽略等式（1)右邊第一項(xiàng)的值，計(jì)算得到大氣散射系數(shù)的初值W
[0030] (S312):根據(jù)大氣透過率的初值的計(jì)算公式：T' = e ，計(jì)算出大氣透過率的初 值T'，將大氣透過率的初值T'代入等式（1)右邊第一項(xiàng)中的T，將大氣散射系數(shù)的初值
ω'代入等式（1)右邊第一項(xiàng)中的ω，計(jì)算得到大氣散射系數(shù)
[0031] (S313):計(jì)算天空光幅照度：
[0032] 將步驟（S312)中計(jì)算得到的大氣散射系數(shù)Co1代入天空光幅照度計(jì)算公式 匕.，計(jì)算天空光幅照度Eskyl，式中：c為大氣糾正前后的大氣散射系數(shù)比，為測(cè)量值；
[0033] (S314):將步驟（S312)中計(jì)算得到的大氣散射系數(shù)Co1代入大氣透過率的計(jì)算公 式T = e ω，計(jì)算出大氣透過率T1;
[0034] (S315):將步驟（S312)中計(jì)算得到的大氣散射系數(shù)％代入等式⑴右邊第一項(xiàng) 中的ω、將步驟（S314)中計(jì)算得到的大氣透過率1\代入等式（1)右邊第一項(xiàng)中的Τ，計(jì)算 出精度高于大氣散射系數(shù)大氣散射系數(shù)ω 2;
[0035] 根據(jù)步驟（S313)計(jì)算出精度更高的天空光幅照度Esky2;
[0036] 根據(jù)步驟（S314)計(jì)算出精度高于大氣透過率T1的大氣透過率T 2;
[0037]依次辦法，迭代計(jì)算出精度高于大氣散射系數(shù)ω2的大氣散射系數(shù)ω k、精度高于 大氣透過率T2的大氣透過率T k和精度高于天空光幅照度E _2的天空光幅照度E skyk;其中， k>2〇
[0038] 進(jìn)一步地，所述步驟（S32)中對(duì)圖像中所有像元進(jìn)行大氣糾正的計(jì)算公式為：
[0039]
[0040] 式中：Rg為大氣糾正后得到的像元反射率，T' ' = e~°s0，其中τ為大氣光學(xué) 厚度，R1為像元表觀反射率
L為像元原始輻亮度，Ε。為太陽輻照度。
[0041] 進(jìn)一步地，所述步驟（S33)的具體步驟為：將像元各波段的原始輻亮度減去步 驟（S315)得到的天空光輻照度E skyk與天空光水面鏡面反射率Rni之積，其公式為：L 1 = L-EskykRm,
[0042] 式中：L1為像元消除天空光鏡面反射后的輻亮度。
[0043] 進(jìn)一步地，所述步驟（S34)的具體步驟為：將圖像轉(zhuǎn)化為反射率圖像，像元所有波 段的反射率均減去紅外波段的反射率，其中，像元所有的波段的反射率減去紅外波段的反 射率的公式為：R 2= Rg-Ru
[0044] 式中=R2為像元消除光鏡面反射后的反射率，R U為紅外波段的反射率。
[0045] 作為一種具體的實(shí)施例，所述步驟（S4)中簡(jiǎn)化所述內(nèi)陸地表水水質(zhì)遙感物理分 析模型具體為：
[0046] 當(dāng)水深較大時(shí)，內(nèi)陸地表水水質(zhì)