基于遙感的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于遙感的湖泊水體中藍(lán)藻豐度的估算方法。本方法以藻青蛋白與葉綠素濃度的比值表征藍(lán)藻的豐度，對(duì)湖泊水體進(jìn)行高光譜遙感測(cè)量，選取兩個(gè)特定波長(zhǎng)的遙感反射率的比值及其函數(shù)作為確定藍(lán)藻豐度的特征，建立了湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算模型，基于遙感對(duì)湖泊水體藍(lán)藻豐度進(jìn)行估算。本發(fā)明方法可以采用地物光譜儀或機(jī)載高光譜成像儀對(duì)湖泊水體進(jìn)行高光譜遙感，航空衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正和大氣校正后可得到估算所需的遙感反射率。本發(fā)明方法精度較高，模型簡(jiǎn)單，僅僅選取兩個(gè)波長(zhǎng)的遙感反射率，不僅實(shí)現(xiàn)了由地物光譜儀測(cè)量的水體藍(lán)藻豐度的估算，也實(shí)現(xiàn)了由航空高光譜遙感影像估算藍(lán)藻豐度。
【專利說(shuō)明】基于遙感的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種湖泊水體中藍(lán)藻的遙感監(jiān)測(cè)方法，具體涉及一種基于遙感的湖泊水體中藍(lán)藻豐度的估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華暴發(fā)是當(dāng)前全球范圍內(nèi)湖泊面臨的最重要的環(huán)境問(wèn)題之一，特別是藍(lán)藻水華已成為全世界關(guān)注的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制的焦點(diǎn)。國(guó)家重點(diǎn)治理的“三湖” 一太湖、巢湖及滇池水華暴發(fā)時(shí)常發(fā)生，對(duì)當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民的生活產(chǎn)生極大的影響，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。太湖幾乎每年都發(fā)生水華，1990年太湖梅梁灣藍(lán)藻水華大暴發(fā)，造成無(wú)錫市116家工廠停產(chǎn)、半停產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.3億；2006年6月太湖南岸及竺山湖沿線，都出現(xiàn)了嚴(yán)重的水華，給當(dāng)?shù)氐臐O民造成了重大損失，并使得湖州市自來(lái)水廠不得不啟動(dòng)緊急預(yù)案。2003年8月巢湖因藍(lán)藻暴發(fā)幾乎成為“凍湖”。2006年6月巢湖中廟風(fēng)景區(qū)水域再次出現(xiàn)大面積藍(lán)藻水華。滇池自1992年首次藍(lán)藻水華大面積暴發(fā)以來(lái)，水質(zhì)日益惡化，藍(lán)藻水華問(wèn)題日益嚴(yán)重。研究表明，這三大湖泊的藍(lán)藻水華主要是微囊藻(Microcystis)水華。這是一種有毒水華，能引起家畜和家禽中毒死亡，并能損害人類肝臟及具有促癌效應(yīng)。
[0003]隨著高光譜、高時(shí)間/空間分辨率遙感傳感器的出現(xiàn)，使得利用遙感技術(shù)進(jìn)行藍(lán)藻水華暴發(fā)的預(yù)警成為可能。利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華具有其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，常規(guī)的藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)是人工實(shí)時(shí)實(shí)地監(jiān)測(cè)，耗時(shí)耗力，且這種方法只能了解監(jiān)測(cè)斷面上的狀況，并不能反映湖泊的整體發(fā)生狀況。而利用遙感技術(shù)不僅可以快速、及時(shí)地提供整個(gè)湖泊或整個(gè)區(qū)域的水華分布狀況，還可通過(guò)對(duì)藍(lán)藻濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華的預(yù)警，同時(shí)還可以利用高時(shí)間分辨率的遙感衛(wèi)星影像研究藍(lán)藻水華的漂移規(guī)律，這對(duì)于評(píng)估水華所造成的損失，研究藍(lán)藻水華的形成機(jī)制及微囊藻水華所產(chǎn)生的生物地球化學(xué)影響具有重要的意義，并可為控制藍(lán)藻水華提供科學(xué)依據(jù)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中利用遙感監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華暴發(fā)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)水體中的葉綠素a濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里的葉綠素a濃度是水體中所有藻類葉綠素a濃度的總和，并不能準(zhǔn)確的反映其中藍(lán)藻的含量。因此，目前迫切需要構(gòu)建一種能夠準(zhǔn)確的估算湖泊水體中藍(lán)藻含量或者豐度的遙感估算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于遙感的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法。
[0006]本發(fā)明中，定義湖泊水體中藍(lán)藻豐度為特定水域藻青蛋白與葉綠素濃度的比值，在本【技術(shù)領(lǐng)域】?jī)?nèi)，該比值常用以表征湖泊水體所有藻類中藍(lán)藻的含量或比例。
[0007] 申請(qǐng)人:經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，特定波長(zhǎng)的遙感反射率的比值及其函數(shù)，即:
RrsU I)/Rrs(λ 2)
具有識(shí)別藍(lán)藻豐度(藻青蛋白與葉綠素濃度的比值)特征，其中，為遙感反射率，入為波長(zhǎng)。測(cè)定特定波長(zhǎng)遙感反射率的比值及其函數(shù)與藍(lán)藻豐度，分析它們之間的相關(guān)性， 申請(qǐng)人:進(jìn)一步發(fā)現(xiàn):
Rrs (550) /Rrs (620)
與藍(lán)藻豐度的相關(guān)性很強(qiáng)(相關(guān)系數(shù)為0.92)。由此建立藍(lán)藻豐度的估算模型(即公式)，并實(shí)現(xiàn)基于遙感技術(shù)的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算。
[0008]本發(fā)明提出的基于遙感的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法，采用以下技術(shù)方案: 對(duì)湖泊水體進(jìn)行高光譜遙感測(cè)量，對(duì)于取得的湖泊水體遙感反射率，選取波長(zhǎng)為550nm
和620nm處的遙感反射率，采用以下公式計(jì)算得到藍(lán)藻豐度，
PC: Chl-a=0.027*EXP [2.89* Rrs (550) /Rrs (620)]
其中，PC:Chl-a為藍(lán)藻豐度，即藻青蛋白與葉綠素濃度的比值PC/Chl-a，PC為藻青蛋白濃度，Chl-a為葉綠素濃度；Rre為遙感反射率。
[0009]本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)方法是采用地物光譜儀實(shí)測(cè)得到估算藍(lán)藻豐度所需的遙感反射率，并直接代入上述藍(lán)藻豐度計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)藻豐度的估算。
[0010]本發(fā)明還可以用于機(jī)載高光譜成像儀得到的航空影像數(shù)據(jù)。對(duì)于采用機(jī)載高光譜成像儀得到的航空高光譜影像，首先按照常規(guī)方法對(duì)航空高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正和大氣校正，將高光譜影像的數(shù)字量化值轉(zhuǎn)換成每個(gè)像元的高光譜遙感反射率，最后將對(duì)應(yīng)湖泊水體的高光譜遙感反射率代入下述藍(lán)藻豐度計(jì)算公式中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)藻豐度的計(jì)算，
PC: Chl-a=0.027*EXP [2.89* Rrs (550) /Rrs (620)]
其中的為遙感反射率，即航空高光譜數(shù)據(jù)經(jīng)輻射定標(biāo)和大氣校正后取得的遙感反射率數(shù)值。
[0011]本發(fā)明方法用于機(jī)載高光譜儀得到的航空影像數(shù)據(jù)，對(duì)于某一湖泊水體可以得到水域藍(lán)藻豐度的分布，并以適當(dāng)?shù)男问剑缢{(lán)藻豐度的彩色分布圖等形式輸出。
[0012]本發(fā)明的基于遙感的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法精度較高，方法簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)選取有限的特定波長(zhǎng)的遙感反射率R?，即可根據(jù)遙感反射率的比值識(shí)別藍(lán)藻豐度特征，從而實(shí)現(xiàn)利用遙感技術(shù)對(duì)湖泊水體藍(lán)藻豐度進(jìn)行估算。本發(fā)明的方法不但可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)湖泊水體遙感反射率并進(jìn)行藍(lán)藻豐度估算，而且還可以實(shí)現(xiàn)由航空光譜遙感影像計(jì)算藍(lán)藻豐度。本發(fā)明豐富了湖泊遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的內(nèi)容，不僅可以監(jiān)測(cè)水體中藻類總量，而且基于遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)湖泊水體中藍(lán)藻含量的準(zhǔn)確估算，從而為利用遙感監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華暴發(fā)以及藍(lán)藻控制提供更為科學(xué)的依據(jù)。
[0013]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以【具體實(shí)施方式】為限，而是由權(quán)利要求加以限定。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)地物光譜儀測(cè)得的藍(lán)藻豐度不同的湖泊水體對(duì)應(yīng)的遙感反射率光譜曲線圖，其中PC:Chl-a的實(shí)測(cè)值分別為:0.19,0.25,0.46,0.50，1.05，1.21，
1.96，2.02，2.63 和 3.45。
[0015]圖2為本發(fā)明的由機(jī)載高光譜成像儀數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)和大氣校正處理后所得藍(lán)藻豐度不同的湖泊水體所對(duì)應(yīng)的遙感反射率曲線圖，其中PC:Chl_a的實(shí)測(cè)值分別為:
0.19,0.60,0.74,0.89，1.00，1.29，1.68，1.98,2.16 和 2.87。[0016]圖3為航空光譜影像數(shù)據(jù)估算得到的藍(lán)藻豐度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地物光譜儀實(shí)測(cè)得到湖泊水體遙感反射率光譜，直接選取波長(zhǎng)為550 mn和620mn的遙感反射率，代入藍(lán)藻豐度計(jì)算公式中，計(jì)算得到湖泊水體的藍(lán)藻豐度估算值。
[0018]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式是用于機(jī)載高光譜儀，對(duì)于機(jī)載高光譜成像儀得到的航空高光譜影像，首先對(duì)航空高光譜數(shù)據(jù)的數(shù)字化值進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，得到高光譜遙感反射率；選取550mn和620mn的遙感反射率，代入藍(lán)藻豐度的計(jì)算公式，計(jì)算得到藍(lán)藻豐度估算值，從而得到對(duì)應(yīng)湖泊水體藍(lán)藻豐度的分布。
[0019]實(shí)施例1
根據(jù)本發(fā)明方法，利用地物光譜儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)湖泊水體得到水體的遙感反射率，估算水體的藍(lán)藻豐度，并與實(shí)測(cè)的PC:Chl-a值比較。實(shí)測(cè)PC:Chl-a的值見(jiàn)下表1。
[0020]從水體的遙感反射率光譜中(圖1 )，選取波長(zhǎng)為550mn和620mn的遙感反射率，根據(jù)本發(fā)明方法計(jì)算得到的水體藍(lán)藻豐度，估算值和對(duì)應(yīng)誤差如下表1所示:
表 I ____
【權(quán)利要求】
1.一種基于遙感的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法，其特征在于，對(duì)湖泊水體進(jìn)行高光譜遙感測(cè)量，對(duì)于取得的湖泊水體遙感反射率，選取波長(zhǎng)為550nm和620nm處的遙感反射率，采用以下公式計(jì)算得到藍(lán)藻豐度，
PC: Chl-a=0.027*EXP [2.89* Rrs (550) /Rrs (620)] 其中，PC:Chl-a為藍(lán)藻豐度，即藻青蛋白與葉綠素濃度的比值PC/Chl-a，PC為藻青蛋白濃度，Chl-a為葉綠素濃度；Rre為遙感反射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法，其特征在于，所述的遙感反射率采用地物光譜儀對(duì)湖泊水體進(jìn)行高光譜遙感測(cè)量實(shí)測(cè)得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算方法，其特征在于，所述的遙感反射率采用機(jī)載高光譜成像儀對(duì)湖泊水體進(jìn)行高光譜遙感測(cè)量，按照航空高光譜影像數(shù)據(jù)的處理方法，將湖泊水體航空高光譜影像數(shù)值量化值進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，得到湖泊水體的遙感反射率數(shù)據(jù)，再利用以下公式計(jì)算得到藍(lán)藻豐度，
PC: Chl-a=0.027*EXP [2.89* Rrs (550) /Rrs (620)] 其中為遙感反射 率，即航空高光譜數(shù)據(jù)經(jīng)輻射定標(biāo)和大氣校正后得到的遙感反射率數(shù)值。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK103760112SQ201410031687
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】施坤, 張運(yùn)林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所