本發(fā)明涉及水質(zhì)遙感監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于歸一化植被指數(shù)時譜曲線、高光譜指數(shù)和歸一化水體指數(shù)的水草識別以及水草對水質(zhì)指示作用的水草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)遙感間接監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

水是生命之源，是人類生產(chǎn)生活必不可少的重要資源。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，水資源需求量不斷增加，加上人類活動的干擾，水環(huán)境不斷惡化。隨著水污染問題的日益嚴(yán)重，水質(zhì)監(jiān)測成為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展必須解決的重大問題，尤其是內(nèi)陸湖泊水體，其水質(zhì)已經(jīng)對國民的生產(chǎn)和生活用水安全產(chǎn)生威脅，實(shí)現(xiàn)對湖泊水質(zhì)準(zhǔn)確、快速的監(jiān)測對保障國民用水安全和給政府提供決策具有重要意義。常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測多采用實(shí)驗(yàn)室分析手段，雖然精度較高，但費(fèi)時、費(fèi)力且只能獲取監(jiān)測斷面上水質(zhì)狀況，難以滿足對水質(zhì)進(jìn)行大范圍、多時相動態(tài)監(jiān)測的需求。

遙感技術(shù)作為一種區(qū)域性監(jiān)測手段，可克服常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測方法的不足，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測的研究越來越多，其中以藻型湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測居多，而草型湖泊研究相對較少。草型湖泊中水草的存在會嚴(yán)重影響衛(wèi)星傳感器獲取水體光譜，阻礙水草生長區(qū)域水體水質(zhì)參數(shù)反演，草型湖泊大部分區(qū)域均有水草分布，難以直接對水草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)進(jìn)行遙感監(jiān)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種水草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)遙感間接監(jiān)測方法，通過對草型湖泊水草區(qū)以及不同水草物候特征的識別，結(jié)合水草對水質(zhì)的指示作用，實(shí)現(xiàn)草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)的遙感間接監(jiān)測。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

水草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)遙感間接監(jiān)測方法，包括以下過程：

研究區(qū)水草區(qū)水質(zhì)參數(shù)獲取步驟：通過在研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地采樣實(shí)驗(yàn)，獲取水草區(qū)水樣，記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度信息，水草區(qū)水體濁度利用地物光譜儀現(xiàn)場測量，水樣于24小時內(nèi)運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，獲取沉水植物和漂葉植物生長區(qū)水體葉綠素a濃度和總懸浮物濃度、TN、TP，水體濁度采用濁度儀現(xiàn)場測定；

預(yù)處理步驟：從衛(wèi)星數(shù)據(jù)源獲取和研究區(qū)采樣時間同步或準(zhǔn)同步的單時相高光譜和多光譜遙感影像以及多時相的多光譜遙感影像，對影像進(jìn)行預(yù)處理；

研究區(qū)歸一化植被指數(shù)時譜曲線構(gòu)建步驟：從經(jīng)過預(yù)處理的多時相多光譜遙感影像中得到研究區(qū)歸一化植被指數(shù)，將一年內(nèi)獲取的所有時間點(diǎn)的所述歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)按照時間先后順序進(jìn)行疊加，獲得歸一化植被指數(shù)時譜曲線；

研究區(qū)水草種類識別步驟：根據(jù)獲取的時譜曲線，利用支持向量機(jī)對研究區(qū)進(jìn)行地物分類，獲得研究區(qū)地物分類圖，得到研究區(qū)不同水草的分布情況；

研究區(qū)水華和水生高等植物識別步驟：從經(jīng)過預(yù)處理的單時相高光譜影像中獲得研究區(qū)高光譜指數(shù)，通過閾值分割得到研究區(qū)漂葉植物、沉水植物和水華分布區(qū)域；

研究區(qū)漂葉植物識別步驟：從經(jīng)過預(yù)處理的單時相多光譜遙感影像中得到研究區(qū)歸一化水體指數(shù)，設(shè)定閾值，獲得研究區(qū)漂葉植物分布區(qū)域；

研究區(qū)水草區(qū)水質(zhì)指示步驟：利用高光譜和多光譜影像識別出的沉水植物和漂葉植物分布區(qū)域，與年度植被指數(shù)時譜曲線相結(jié)合，對研究區(qū)水質(zhì)做出指示。

具體的，預(yù)處理步驟包括：

根據(jù)所述遙感影像的質(zhì)量等級，對空間分辨率高于30m的影像先進(jìn)行正射校正，然后對所有影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正和幾何校正，若一景影像無法覆蓋研究區(qū)時，對多景影像進(jìn)行拼接和融合，最后利用研究區(qū)矢量文件對研究區(qū)進(jìn)行裁剪。

具體的，研究區(qū)歸一化植被指數(shù)時譜曲線構(gòu)建步驟包括：

從經(jīng)過預(yù)處理得到的研究區(qū)多時相多光譜遙感影像中獲取研究區(qū)歸一化植被指數(shù)，將一年內(nèi)獲取的所有時間點(diǎn)的所述歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)按照時間先后順序進(jìn)行疊加，獲得研究區(qū)歸一化植被指數(shù)時譜曲線。

具體的，研究區(qū)水草種類識別步驟包括：

根據(jù)研究區(qū)歸一化植被指數(shù)時譜曲線，利用支持向量機(jī)分類(SVC)算法，對研究區(qū)地物進(jìn)行分類，獲得研究區(qū)地物分類圖，得到研究區(qū)不同水草的分布情況，研究中SVC選用核函數(shù)徑向基核函數(shù)，計算公式如下：

K(x_i,x_j)＝exp(-||x_i-x_j||²/σ²)

式中，x_i為支持向量；x_j為待分類樣本；σ為核參數(shù)。

具體的，研究區(qū)水華和水生高等植物識別步驟包括：

從經(jīng)過預(yù)處理的高光譜影像中獲得研究區(qū)葉綠素光譜指數(shù)(CSI)、藻青蛋白指數(shù)(PSI)、水草光譜指數(shù)(MSI)、近紅外平均反射率指數(shù)(ARNI)；

CSI計算公式表示為：

式中，R(700nm)為葉綠素在700nm附近熒光峰的反射率，R(675nm)為葉綠素在675nm附近吸收峰的反射率。

PSI計算公式表示為：

式中，R(650nm)為650nm附近相對反射峰的反射率，R(625nm)為藻青蛋白在625nm附近吸收峰的反射率。

MSI計算公式表示為：

式中，R(700nm)為葉綠素在700nm附近熒光峰的反射率，R(815nm)為815nm附近反射峰峰的反射率。

ARNI計算公式表示為：

ARNI＝average[R(750～820nm)]

式中，R(750～820nm)指750～820nm波段范圍反射率。

根據(jù)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，從經(jīng)過預(yù)處理的高光譜影像上選擇對應(yīng)的像素點(diǎn)，獲取像素點(diǎn)遙感反射率，計算CSI、MSI、PSI和ARNI，結(jié)合各個像素點(diǎn)對應(yīng)的水草類型，率定沉水植物、漂葉植物和水華的判定閾值，沉水植物判別公式如下:

CSI≥CSI(閾值1)，并且PSI<PSI(閾值1)，

并且MSI<MSI(閾值1)，并且ARNI<ARNI(閾值1)

漂葉植物判別公式如下：

CSI≥CSI(閾值1)，并且PSI<PSI(閾值1)，

并且MSI<MSI(閾值1)，并且ARNI≥ARNI(閾值1)

水華判別公式如下：

CSI≥CSI(閾值2)，并且PSI≥PSI(閾值2)

根據(jù)所述判別公式識別漂葉植物和水華分布區(qū)域。

具體的，研究區(qū)漂葉植物識別步驟：

根據(jù)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，從經(jīng)過預(yù)處理的高光譜影像上選擇對應(yīng)的像素點(diǎn)，獲取像素點(diǎn)遙感反射率，從影像上獲取歸一化水體指數(shù)(NDWI)，率定漂葉植物判定閾值，判定公式如下：

NDWI<NDWI(閾值3)

所述歸一化水體指數(shù)公式表示為：

NDWI＝(Green-NIR)/(Green+NIR)

式中，Green表示綠波段反射率，NIR表示近紅外波段反射率。

根據(jù)所述判別公式識別漂葉植物分布區(qū)域。

具體的，研究區(qū)水質(zhì)指示步驟包括：

根據(jù)采樣點(diǎn)統(tǒng)計得到沉水植物和處于生長期的漂葉植物分布區(qū)域水質(zhì)參數(shù)濃度分布情況，該區(qū)域水質(zhì)較好，水質(zhì)參數(shù)濃度保持較低水平，從高光譜和多光譜影像中識別出的沉水植物和漂葉植物分布區(qū)域，與年度植被指數(shù)時譜曲線以及水草種類分布圖相結(jié)合，對研究區(qū)水質(zhì)做出指示；

所述的沉水植物和漂葉植物對水質(zhì)的指示作用，具體包括：

對于處于生長期的水草分布區(qū)域，水質(zhì)參數(shù)濃度保持較低水平，水質(zhì)較好，其中，對于沉水植物分布區(qū)域，水草必然處于生長期，如若處于凋亡期，則會浮于水面轉(zhuǎn)變成漂葉植物，對于漂葉植物，根據(jù)研究區(qū)水草分類圖，判定水草種類，結(jié)合該種水草的時譜曲線與影像時間判定水草處于生長期或者凋亡期；

沉水植物和處于生長期的漂葉植物分布區(qū)域水質(zhì)參數(shù)濃度范圍可表示為：

Cchl_a≤Cchl_a(閾值4)

C_TSM≤C_TSM(閾值5)

C_tur≤C_tur(閾值6)

所述閾值根據(jù)沉水植物和處于生長期的漂葉植物分布區(qū)域采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)濃度統(tǒng)計獲得。

本發(fā)明提供的水草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)遙感監(jiān)測方法，通過實(shí)地取樣獲取研究區(qū)部分水草區(qū)水質(zhì)參數(shù)濃度；從衛(wèi)星數(shù)據(jù)源中獲取和研究區(qū)采樣時間同步或準(zhǔn)同步的單時相高光譜和多光譜遙感影像以及多時相的多光譜遙感影像，并對影像進(jìn)行預(yù)處理；從經(jīng)過預(yù)處理的多時相多光譜影像獲取研究區(qū)歸一化植被指數(shù)；將一年內(nèi)獲取的研究區(qū)所有時間點(diǎn)的所述歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)按照時間先后順序進(jìn)行疊加，獲得研究區(qū)典型地物歸一化植被指數(shù)時譜曲線，對典型地物進(jìn)行分類；從經(jīng)過預(yù)處理的高光譜遙感影像獲取研究區(qū)葉綠素光譜指數(shù)、藻青蛋白指數(shù)、水草光譜指數(shù)和近紅外平均反射率指數(shù)，設(shè)定閾值，獲取研究區(qū)漂葉植物、沉水植物和水華分布區(qū)域；從經(jīng)過預(yù)處理的單時相多光譜遙感影像中獲取研究區(qū)歸一化水體指數(shù)，設(shè)定閾值，獲得研究區(qū)的漂葉植物區(qū)域；沉水植物和處于生長期的漂葉植物分布區(qū)域水質(zhì)較好，水質(zhì)參數(shù)濃度在一定范圍內(nèi)波動，處于凋亡期的漂葉植物和水華區(qū)域水質(zhì)較差，利用高光譜和多光譜識別出沉水植物和漂葉植物，結(jié)合水草的時譜曲線和分布情況，判斷水草長勢，利用水草對水質(zhì)的指示作用得到水草區(qū)水質(zhì)分布狀況，實(shí)現(xiàn)水草區(qū)水質(zhì)遙感定性監(jiān)測，解決由于水草對遙感器水體光譜信息獲取的阻礙作用而導(dǎo)致水草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)難以直接利用遙感進(jìn)行監(jiān)測的問題。

本發(fā)明提供的水草型湖泊水草區(qū)水質(zhì)遙感監(jiān)測方法，通過獲取研究區(qū)水草歸一化植被指數(shù)時譜曲線，獲取水草種類及其物候特征，結(jié)合單時相高光譜和多光譜影像對研究區(qū)水草進(jìn)行識別，利用水草對水質(zhì)的指示作用，克服傳統(tǒng)遙感手段因水草的阻礙作用難以對水草區(qū)水質(zhì)進(jìn)行遙感反演的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖；

圖2是實(shí)施例南四湖典型地物時譜曲線；

圖3是實(shí)施例2014年南四湖典型地物分類圖；

圖4是實(shí)施例2013年4月24日南四湖水草區(qū)水質(zhì)分布圖；

圖5是實(shí)施例2015年6月6日南四湖水草區(qū)水質(zhì)分布圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實(shí)施例以典型草型湖泊南四湖為例來說明。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例所述的水草型湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測方法包括：

南四湖水草區(qū)水質(zhì)參數(shù)獲取步驟101：草型湖泊南四湖進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)，獲取南四湖水草區(qū)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)；

影像預(yù)處理步驟102：獲取覆蓋南四湖區(qū)域的環(huán)境小衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)和高分1號遙感影像以及多時相MODIS NDVI產(chǎn)品，并對影像進(jìn)行預(yù)處理。

南四湖歸一化植被指數(shù)時譜曲線構(gòu)建步驟103：從經(jīng)過預(yù)處理的多時相MODIS NDVI數(shù)據(jù)中得到南四湖歸一化植被指數(shù)，將一年內(nèi)獲取的所有時間點(diǎn)的所述歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)按照時間先后順序進(jìn)行疊加，獲得歸一化植被指數(shù)時譜曲線，如圖2所示；

其中，所述NDVI數(shù)據(jù)，時間分辨率為16天，所以一年共有23幅數(shù)據(jù)；

南四湖水草種類識別步驟104：根據(jù)獲取的時譜曲線，選擇一定數(shù)量南四湖典型地物(濕地、農(nóng)田、光葉眼子菜、菹草)樣本訓(xùn)練支持向量機(jī)，利用訓(xùn)練好的支持向量機(jī)對南四湖進(jìn)行地物分類，獲得南四湖地物分類圖，如圖3所示，得到南四湖不同水草的分布情況；

南四湖水華和水生高等植物識別步驟105：從經(jīng)過預(yù)處理的單時相高光譜影像上獲得研究區(qū)高光譜指數(shù)，通過閾值分割得到研究區(qū)漂葉植物、沉水植物和水華分布區(qū)域；

南四湖漂葉植物識別步驟106：從經(jīng)過預(yù)處理的單時相多光譜遙感影像中得到南四湖歸一化水體指數(shù)，設(shè)定閾值，獲得南四湖漂葉植物分布區(qū)域；

南四湖水草區(qū)水質(zhì)指示步驟107：利用高光譜和多光譜影像識別出的沉水植物和漂葉植物分布區(qū)域，與水草植被指數(shù)時譜曲線相結(jié)合，對南四湖水質(zhì)做出指示，得到南四湖水草區(qū)水質(zhì)分布圖；

實(shí)施時，所述南四湖水草區(qū)水質(zhì)參數(shù)獲取步驟101包括：

通過在南四湖進(jìn)行實(shí)地采樣實(shí)驗(yàn)，獲取水草區(qū)水樣，記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度信息，水草區(qū)水體濁度利用地物光譜儀現(xiàn)場測量，水樣于24小時內(nèi)運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，獲取沉水植物和漂葉植物生長區(qū)水體葉綠素a濃度和總懸浮物濃度；

實(shí)施時，影像預(yù)處理步驟102包括：

從衛(wèi)星數(shù)據(jù)源中獲取南四湖2014年一年內(nèi)所有MODIS NDVI數(shù)據(jù)和一景2015年6月6日南四湖高分1號WFV1影像以及1景2013年4月24日HJ1A HSI數(shù)據(jù)，先對高分1號WFV1影像先進(jìn)行正射校正，然后對所有影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正和幾何校正，利用南四湖矢量文件對研究區(qū)進(jìn)行裁剪。

實(shí)施時，南四湖歸一化植被指數(shù)時譜曲線構(gòu)建步驟103包括：

從經(jīng)過預(yù)處理得到的南四湖一年內(nèi)所有MODIS NDVI產(chǎn)品中獲取南四湖歸一化植被指數(shù)，將獲取的所有時間點(diǎn)的所述歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)按照時間先后順序進(jìn)行疊加，獲得南四湖歸一化植被指數(shù)時譜曲線。

實(shí)施時，南四湖水草種類識別步驟104包括：

根據(jù)南四湖歸一化植被指數(shù)時譜曲線，利用支持向量機(jī)分類(SVC)算法，對南四湖地物進(jìn)行分類，獲得南四湖地物分類圖，得到南四湖不同水草的分布情況，研究中SVC選用核函數(shù)徑向基核函數(shù)，計算公式如下：

K(x_i,x_j)＝exp(-||x_i-x_j||²/σ²)

式中，x_i為支持向量；x_j為待分類樣本；σ為核參數(shù)。

實(shí)施時，南四湖水華和水生高等植物識別步驟105包括：

從經(jīng)過預(yù)處理的環(huán)境星HSI高光譜影像中獲得南四湖葉綠素光譜指數(shù)(CSI)、藻青蛋白指數(shù)(PSI)、水草光譜指數(shù)(MSI)、近紅外平均反射率指數(shù)(ARNI)；

CSI計算公式表示為：

式中，R(700nm)為葉綠素在700nm附近熒光峰的反射率，R(675nm)為葉綠素在675nm附近吸收峰的反射率。

PSI計算公式表示為：

式中，R(650nm)為650nm附近相對反射峰的反射率，R(625nm)為藻青蛋白在625nm附近吸收峰的反射率。

MSI計算公式表示為：

式中，R(700nm)為葉綠素在700nm附近熒光峰的反射率，R(815nm)為815nm附近反射峰峰的反射率。

ARNI計算公式表示為：

ARNI＝average[R(750～820nm)]

式中，R(750～820nm)指750～820nm波段范圍反射率。

根據(jù)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，從經(jīng)過預(yù)處理的環(huán)境星HSI高光譜影像上選擇對應(yīng)的像素點(diǎn)，獲取像素點(diǎn)遙感反射率，計算CSI、MSI、PSI和ARNI，結(jié)合各個像素點(diǎn)對應(yīng)的水草類型，率定沉水植物、漂葉植物和水華的判定閾值，沉水植物判別公式如下:

CSI≥CSI(閾值1)，并且PSI<PSI(閾值2)，

并且MSI<MSI(閾值3)，并且ARNI<ARNI(閾值4)

漂葉植物判別公式如下：

CSI≥CSI(閾值1)，并且PSI<PSI(閾值2)，

并且MSI<MSI(閾值3)，并且ARNI≥ARNI(閾值4)

水華判別公式如下：

CSI≥CSI(閾值1)，并且PSI≥PSI(閾值2)

所述判別公式中，閾值1取0.09，閾值2取0.02，閾值3取0.35，閾值4取0.018。

實(shí)施時，南四湖漂葉植物識別步驟106包括：

根據(jù)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，從經(jīng)過預(yù)處理的環(huán)境星HSI高光譜影像選擇對應(yīng)的像素點(diǎn)，獲取像素點(diǎn)遙感反射率，從影像上獲取歸一化水體指數(shù)(NDWI)，率定漂葉植物判定閾值，判定公式如下：

NDWI<NDWI(閾值5)

所述歸一化水體指數(shù)公式表示為：

NDWI＝(Green-NIR)/(Green+NIR)

式中，Green表示綠波段反射率，NIR表示近紅外波段反射率。

所述判別公式中閾值5取-0.1。

實(shí)施時，南四湖水質(zhì)指示步驟107包括：

根據(jù)采樣點(diǎn)統(tǒng)計得到沉水植物和處于生長期的漂葉植物分布區(qū)域水質(zhì)參數(shù)濃度分布情況，從HJ1A HSI高光譜和高分1號WFV1影像中識別出的沉水植物和漂葉植物分布區(qū)域，與植被指數(shù)時譜曲線以及水草種類分布圖相結(jié)合，對南四湖水質(zhì)做出指示，得到南四湖水草區(qū)水體葉綠素a濃度分布圖；

所述的沉水植物和漂葉植物對水質(zhì)的指示作用，具體包括：

對于處于生長期的水草分布區(qū)域，水質(zhì)參數(shù)濃度保持較低水平，水質(zhì)較好，其中，對于沉水植物分布區(qū)域，水草必然處于生長期，如若處于凋亡期，則會浮于水面轉(zhuǎn)變成漂葉植物，對于漂葉植物，根據(jù)南四湖水草分類圖，判定水草種類，結(jié)合該種水草的時譜曲線與影像時間判定水草處于生長期或者凋亡期；

沉水植物和處于生長期的漂葉植物分布區(qū)域水質(zhì)參數(shù)濃度范圍可表示為：

Cchl_a<Cchl_a(閾值6)

C_TSM<C_TSM(閾值7)

C_tur<C_tur(閾值8)

所述閾值中閾值6取8ug/L，閾值7取15mg/L，閾值8取15NTU，從HJ1A HSI高光譜和高分1號WFV1影像中識別出的沉水植物和漂葉植物分布區(qū)域，與年度植被指數(shù)時譜曲線以及水草種類分布圖相結(jié)合，根據(jù)所述閾值，獲得2013年4月24日南四湖水草區(qū)水質(zhì)分布圖，如圖4，以葉綠素a濃度為例；2015年6月6日南四湖水草區(qū)水質(zhì)分布圖，如圖5，葉綠素a濃度為例。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。