專利名稱：一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，屬于遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的海岸河口地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，通常經(jīng)過(guò)在該地區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的定期采樣來(lái)進(jìn)行水質(zhì)分析，水質(zhì)采樣點(diǎn)主要布設(shè)在易接近地點(diǎn)，這常常限制了偏遠(yuǎn)及不易接近地區(qū)的水質(zhì)采樣，造成了水質(zhì)采樣空間覆蓋不連續(xù)和時(shí)間覆蓋不規(guī)律的問(wèn)題。這種即時(shí)點(diǎn)采樣的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)常存在測(cè)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度和測(cè)量的富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)狀況之間較差相關(guān)性的問(wèn)題，例如葉綠素a濃度低并不一定表示沒(méi)有發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化。特別是采樣間隔太大，而無(wú)法捕捉低一級(jí)生態(tài)尺度上發(fā)生的重要變化，例如日季的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入變化等。因此在海岸河口地區(qū)，需要采用適當(dāng)?shù)臅r(shí)空分辨率來(lái)監(jiān)測(cè)潮汐、晝夜洋流、階段性徑流等過(guò)程水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化。如果滿足此監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行地面采樣，需要花費(fèi)大量的人力物力，而且也不可能長(zhǎng)期運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，S卩如何利用高光譜遙感技術(shù)有效監(jiān)測(cè)濕地植被氮素濃度，進(jìn)而達(dá)到時(shí)空連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)海岸河口區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的目的，是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明提供一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的后果來(lái)獲知營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入徑流變化，即可以通過(guò)監(jiān)測(cè)海岸河口地區(qū)濕地植被氮素濃度來(lái)獲得該地區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況。在海岸河口地區(qū)，濕地植被可以看作是一個(gè)緩沖區(qū)，吸收并降低了水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。隨著濕地植被吸收隨徑流排入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量的差異變化，濕地植被中氮素濃度的響應(yīng)變化也不同。另外，與即時(shí)水質(zhì)采樣獲取的總氮(TN)濃度數(shù)據(jù)不同，濕地植被器官組織內(nèi)的氮素濃度是經(jīng)歷一段時(shí)期的累積結(jié)果，氮素濃度累積量與滯留時(shí)間和養(yǎng)份的延遲使用相關(guān)，這包括易被不連續(xù)水質(zhì)采樣所忽視的隨徑流排入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)脈沖效應(yīng)。因此，一些研究認(rèn)為海岸河口濕地植被可以被作為表征水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)相變化的生物指示劑。高光譜遙感可以提取濕地植被細(xì)微變化的生物物理特性。相比多光譜遙感，高光譜遙感器可以獲取濕地水體、植被和土壤較為真實(shí)的連續(xù)光譜，其精細(xì)的光譜分辨率可以反映出濕地植被光譜豐富細(xì)微的特征并反映光譜間的細(xì)微差別。高光譜遙感在濕地植被識(shí)另O、將植被的光譜特性與環(huán)境影響因素相關(guān)聯(lián)、探測(cè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收與儲(chǔ)存的時(shí)空變化等方面具有較大的潛力。因此高光譜遙感影像可以用于探測(cè)海岸河口水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀況，并能夠提供濕地植被的養(yǎng)份狀況信息、濕地植被吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后產(chǎn)生的波譜響應(yīng)信息、濕地植被細(xì)微的光譜偏移對(duì)比信息、高光譜數(shù)據(jù)獲取前對(duì)過(guò)去一段時(shí)間水質(zhì)變化的綜合響應(yīng)等信息。
技術(shù)內(nèi)容
一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其步驟包括:
步驟一、海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)野外實(shí)驗(yàn)，采集監(jiān)測(cè)方法中需要使用的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；
步驟二、采用WR方法消除反演濕地植被氮素濃度時(shí)植被所含水分的影響；
步驟三、改進(jìn)濕地植被氮素濃度反演中所用的光譜植被指數(shù)；
步驟四、濕地植被葉片尺度和冠層尺度氮素濃度反演；
步驟五、海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)。一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，在海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)，采集監(jiān)測(cè)方法中需要使用的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的步驟中，測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括:濕地植被葉片尺度和冠層尺度光譜測(cè)量；濕地植被氮素濃度測(cè)量；濕地植被干物質(zhì)和含水量測(cè)量；海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)水質(zhì)葉綠素a、總氮、總磷濃度測(cè)量。一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，在采用WR方法消除反演濕地植被氮素濃度時(shí)植被所含水分的影響的步驟中，主要采用非線性最小二乘光譜匹配方法，根據(jù)葉片水分光譜曲線和干物質(zhì)光譜曲線的非線性組合來(lái)獲取鮮葉片光譜曲線。計(jì)算測(cè)量的反射率和模擬的反射率的誤差曲線，即為消除濕地植被所含水分影響的光譜曲線。一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，改進(jìn)濕地植被氮素濃度反演中所用的光譜植被指數(shù)的步驟中，通過(guò)引入Θ SAVI指數(shù)和NDWI指數(shù)，以降低來(lái)自背景土壤及水體反射光的影響，構(gòu)建濕地植被氮濃度反演模型所用的改進(jìn)光譜指數(shù)ACCCI。一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，在濕地植被葉片尺度和冠層尺度氮素濃度反演步驟中，基于野外實(shí)驗(yàn)獲取的葉片尺度和冠層尺度的兩類波譜庫(kù)，對(duì)所選用葉片尺度光譜植被指數(shù)的參考波段位置和氮吸收核心波段位置進(jìn)行改進(jìn)，確定冠層尺度光譜植被指數(shù)的參考波段位置和氮吸收中心波段位置相對(duì)于葉片尺度的偏移值，對(duì)冠層尺度光譜植被指數(shù)與實(shí)驗(yàn)量測(cè)的濕地植被氮素濃度進(jìn)行相關(guān)分析，選擇與濕地植被氮素濃度顯著相關(guān)的光譜植被指數(shù)，通過(guò)回歸分析建立濕地植被氮素濃度監(jiān)測(cè)模型。一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，在海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)的步驟中，選取葉綠素a (Chla)、總氮(TN)、總磷(TP)作為水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)因子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別建立濕地植被氮素濃度與葉綠素a濃度、總氮濃度、總磷濃度的一元回歸方程。采用修正營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，計(jì)算TSIM(chla)指數(shù)、TSIm(TN)指數(shù)和TSIm(TP)指數(shù)。計(jì)算海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)值TSIm(AVE)。繪制海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)等級(jí)分布圖。發(fā)明有益效果:1、節(jié)省人力物力；2、通過(guò)濕地植被氮素濃度的高光譜響應(yīng)特性來(lái)有效指示濕地所在海岸河口區(qū)水體的富營(yíng)養(yǎng)化變化狀況，以此解決海岸河口區(qū)短時(shí)間或局部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的脈沖變化導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化的短暫變化，避免由此得出錯(cuò)誤的海岸河口區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)估結(jié)論；3、有效定量對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響效應(yīng)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)海岸河口區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)狀況和分布，制定相應(yīng)的有效管理措施。


圖1是本發(fā)明的技術(shù)路線流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其步驟包括，如圖1所示，
1、監(jiān)測(cè)區(qū)野外實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容和測(cè)量方法
在監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)，采集監(jiān)測(cè)方法中需要使用的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。選取監(jiān)測(cè)區(qū)主要濕地植被類型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行葉片和冠層兩個(gè)尺度的光譜測(cè)量，并同步測(cè)量氮素濃度。根據(jù)海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)地形特點(diǎn)、濕地植被分布等選取30個(gè)采樣點(diǎn)。(1)濕地植被光譜測(cè)量。葉片和冠層光譜反射率數(shù)據(jù)獲取使用的是ASD便攜式光譜儀，波長(zhǎng)范圍從350-2500nm。使用ASD光譜儀在晴空正午條件下，測(cè)量濕地植被的下行和上行光輻照度。實(shí)驗(yàn)中使用的參考板為99%的朗伯體白板，測(cè)量視場(chǎng)角為25°。在所測(cè)植被冠層上方不同的高度進(jìn)行兩次光譜反射率測(cè)量:第一次是濕地植被葉片光譜反射率測(cè)量，在濕地植被葉片上方Icm距離處，以45°角朝向地面，面向太陽(yáng)照射光一方；第二次是濕地植被冠層光譜反射率測(cè)量，盡量選取只包含單一濕地植被的地塊觀測(cè)冠層光譜反射率，在所測(cè)植被頂上方Im處，垂直向下觀測(cè)。在葉片和冠層尺度光譜儀所觀測(cè)到的半徑距離，可以根據(jù)視場(chǎng)角(FOV)和測(cè)量高度(D)計(jì)算得出(R=DX tan (F0V/2))。因此，葉片尺度觀測(cè)的面積為0.1548cm2 (半徑為0.22cm),冠層尺度觀測(cè)的面積為1548cm2 (半徑為22.2cm)。濕地植被光譜測(cè)量時(shí)，除了進(jìn)行葉片尺度和冠層尺度的光譜測(cè)量外，還要利用量角器進(jìn)行觀測(cè)天頂角多角度光譜測(cè)量。為了配合監(jiān)測(cè)所使用的多角度高光譜影像，測(cè)量角度應(yīng)按照所使用的多角度高光譜影像的成像角度進(jìn)行多角度光譜測(cè)量，每個(gè)角度重復(fù)測(cè)定10次，取平均值作為該角度對(duì)應(yīng)的光譜反射率計(jì)算以消除偶然誤差。將測(cè)量得到的光譜反射率數(shù)據(jù)導(dǎo)入ENVI軟件中，分別建立不同尺度的波譜庫(kù)。去除強(qiáng)水汽吸收對(duì)應(yīng)的3個(gè)區(qū)域(924-986nm、1350-1428nm、1756-1978nm)包含的波段，計(jì)算每個(gè)波譜庫(kù)剩余波段的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。(2)濕地植被氮素濃度測(cè)量。采用凱氏定氮法測(cè)定。(3)濕地植被干物質(zhì)和含水量測(cè)量。葉片含水量與氮素濃度測(cè)量為同一樣本進(jìn)行。取樣后用I mg感量天平速稱鮮重，然后用烘干箱105°C殺青15分鐘，80°C下烘至恒重，再稱干重，計(jì)算含水量。(4)水質(zhì)測(cè)量。各采樣點(diǎn)采集水樣，測(cè)定葉綠素a、總氮、總磷濃度。總氮(TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷(TP)采用鑰酸銨分光光度法，葉綠素a (Chla)采用Manta2多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定。2、采用WR方法消除反演濕地植被氮素濃度時(shí)植被所含水分的影響
高光譜數(shù)據(jù)在反演葉片氮素濃度時(shí)，為了減小水分吸收對(duì)相對(duì)弱的氮吸收特征的影響，采用減小植被所含水分影響方法(WR)。WR方法主要采用非線性最小二乘光譜匹配方法，根據(jù)葉片水分光譜曲線和干物質(zhì)光譜曲線的非線性組合來(lái)獲取鮮葉片光譜曲線:
權(quán)利要求
1.一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，其步驟包括: 步驟一、海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)野外實(shí)驗(yàn)，采集監(jiān)測(cè)方法中需要使用的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)； 步驟二、采用WR方法消除反演濕地植被氮素濃度時(shí)植被所含水分的影響； 步驟三、改進(jìn)濕地植被氮素濃度反演中所用的光譜植被指數(shù)； 步驟四、濕地植被葉片尺度和冠層尺度氮素濃度反演； 步驟五、海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)，采集監(jiān)測(cè)方法中需要使用的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的步驟中，測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括:濕地植被葉片尺度和冠層尺度光譜測(cè)量；濕地植被氮素濃度測(cè)量；濕地植被干物質(zhì)和含水量測(cè)量；海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)水質(zhì)葉綠素a、總氮、總磷濃度測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在采用WR方法消除反演濕地植被氮素濃度時(shí)植被所含水分的影響的步驟中，主要采用非線性最小二乘光譜匹配方法，根據(jù)葉片水分光譜曲線和干物質(zhì)光譜曲線的非線性組合來(lái)獲取鮮葉片光譜曲線，計(jì)算測(cè)量的反射率和模擬的反射率的誤差曲線，即為消除濕地植被所含水分影響的光譜曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，改進(jìn)濕地植被氮素濃度反演中所用的光譜植被指數(shù)的步驟中，通過(guò)引入Θ SAVI指數(shù)和NDWI指數(shù)，以降低來(lái)自背景土壤及水體反射光的影響，構(gòu)建濕地植被氮濃度反演模型所用的改進(jìn)光譜指數(shù)ACCCI。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在濕地植被葉片尺度和冠層尺度氮素濃度反演步驟中，基于野外實(shí)驗(yàn)獲取的葉片尺度和冠層尺度的兩類波譜庫(kù)，對(duì)所選用葉片尺度光譜植被指數(shù)的參考波段位置和氮吸收核心波段位置進(jìn)行改進(jìn)，確定冠層尺度光譜植被指數(shù)的參考波段位置和氮吸收中心波段位置相對(duì)于葉片尺度的偏移值，對(duì)冠層尺度光譜植被指數(shù)與實(shí)驗(yàn)量測(cè)的濕地植被氮素濃度進(jìn)行相關(guān)分析，選擇與濕地植被氮素濃度顯著相關(guān)的光譜植被指數(shù)，通過(guò)回歸分析建立濕地植被氮素濃度監(jiān)測(cè)模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)的步驟中，選取葉綠素a (Chla)、總氮(TN)、總磷(TP)作為水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)因子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別建立濕地植被氮素濃度與葉綠素a濃度、總氮濃度、總磷濃度的一元回歸方程，采用修正營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，計(jì)算TSIM(chla)指數(shù)、TSIm(TN)指數(shù)和TSIm(TP)指數(shù)，計(jì)算海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)值TSIm(AVE)，繪制海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)等級(jí)分布圖。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種海岸河口富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法，該方法包括以下步驟海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)野外實(shí)驗(yàn)；采用WR方法消除反演濕地植被氮素濃度時(shí)植被所含水分的影響；改進(jìn)濕地植被氮素濃度反演中所用的光譜植被指數(shù)；濕地植被葉片尺度和冠層尺度氮素濃度反演；海岸河口監(jiān)測(cè)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)。本發(fā)明的有益之處在于有效定量對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響效應(yīng)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)海岸河口區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)狀況和分布，制定相應(yīng)的有效管理措施。
文檔編號(hào)G01N21/25GK103196838SQ201310082640
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者王莉雯, 衛(wèi)亞星 申請(qǐng)人:遼寧師范大學(xué)