一種富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的modis遙感估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的MODIS遙感估算方法
【背景技術(shù)】
[0002] 在富營(yíng)養(yǎng)化水體，遙感手段已經(jīng)被廣泛用于監(jiān)測(cè)藻華的暴發(fā)程度和頻率 (Bresciani et al. 2014 ；Hu 2009 ；Kahru et al. 2007 ；Kutser et al. 2006 ；0dermatt et al.2012)，也在色素濃度的反演方面開展了大量工作，例如，葉綠素濃度（Duan et al. 2010 ;Song et al. 2013b)、藻藍(lán)素濃度（Duan et al. 2012 ;Song et al. 2013a)等。這 些工作大都基于表層水體光學(xué)參數(shù)的反演或水柱的垂向均一假設(shè)。然而，遙感信號(hào)反映的 是水面之下一定深度的垂向結(jié)構(gòu)，僅僅依賴于表層會(huì)引入誤差。
[0003] 遙感監(jiān)測(cè)藻華的面積會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的變化，例如，利用GOCI數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) 中國(guó)東海藻華面積顯示受潮汐或洋流的影響，一天之內(nèi)藻華面積會(huì)產(chǎn)生大于100%的誤 差（Lou and Hu 2014)。實(shí)際上，淺水湖泊的藻華暴發(fā)不是短時(shí)間內(nèi)生物量的急劇增加， 而是已經(jīng)存在的大量藻顆粒在水體中上下移動(dòng)引起的（Cao et al. 2006)。也就是說(shuō)，藻 華暴發(fā)受外界水動(dòng)力或環(huán)境因子的影響改變了藻類的垂向分布結(jié)構(gòu)，從而引起表面看起 來(lái)的短時(shí)間內(nèi)藻華突然暴發(fā)或消失（Beaver et al. 2013 ;Blotti6re et al. 2013 ;Ndong et al. 2014)。此外，一些藍(lán)藻具有依靠調(diào)節(jié)自身浮力在水中上下移動(dòng)的能力（Kutser et al. 2008)。藻類垂向結(jié)構(gòu)的變化使得只監(jiān)測(cè)水表面藻華不能反映整個(gè)水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀 況。而且，遙感反演光學(xué)參數(shù)的精度（Stramska and Stramski 2005)和色素生物量的估計(jì) (Silulwane et al. 2010)都存在很大的挑戰(zhàn)。因此，水柱藻總量比藻華暴發(fā)的面積和頻率 更能較為全面的反映水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀況，從而評(píng)價(jià)藻華的危害。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)藻總量的估算，單元水柱的藻類垂向分布類型遙感識(shí)別是關(guān)鍵的一 步。在一類水體的海洋水色遙感中，很多學(xué)者已經(jīng)研究了色素或葉綠素 a的垂向分 布(Andr61992 ;Hidalgo_Gonzalez and Alvarez-Borrego 2001 ; Millon-Mnez et al. 1997 ;Morel and Berthon 1989 ;Silulwane et al. 2010 ;Xiu et al. 2008)。高斯模型 (Andrel992 ；Hidalg〇-Gonzalez and Alvarez-Borrego 2001 ； Millan-SufieZ et al.1997 ； Morel and Berthon 1989 ;Sathyendranath et al. 1989)或者改進(jìn)的高斯模型（Silulwane et al. 2010)多被用來(lái)描述海洋中葉綠素 a的垂向結(jié)構(gòu)，并且假設(shè)在同一個(gè)季節(jié)或區(qū)域內(nèi) 藻類垂向分布類型不變（Hidalgo-Gonzalez and Alvarez-Borrego 2001 ;Silulwane et al. 2010)。盡管目前很少基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類垂向分布變化（Kutser et al. 2008)，然而根據(jù)我們?cè)诔埠囊巴獯瓜蛴^測(cè)發(fā)現(xiàn)，高斯模型依然是富營(yíng)養(yǎng)化湖泊非藻 華條件下最主要的藻類垂向分布形式，且藻類分布最大值出現(xiàn)在水體表層。揭示藻類垂向 分布結(jié)構(gòu)是研發(fā)藻總量的遙感估算反演算法的重要步驟，而實(shí)現(xiàn)藻類高斯垂向分布的結(jié)構(gòu) 參數(shù)的遙感估算是獲取高斯垂向分布條件下藻類總存量的必要前提。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的MODIS遙 感估算方法，利用遙感手段精確獲取富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體藻類高斯垂向分布類型的結(jié)構(gòu)參 數(shù)，繼而可準(zhǔn)確估算藻類高斯垂向分布條件下藻類總存量，分析藍(lán)藻水華發(fā)生、發(fā)展?fàn)顩r及 趨勢(shì)，科學(xué)評(píng)估湖泊污染治理與生態(tài)修復(fù)效果，為水利、環(huán)保等部門的水資源管理、水環(huán)境 保護(hù)的科學(xué)決策提供科技支撐。
[0006] 本發(fā)明的上述目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有 利的方式發(fā)展獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征。
[0007] 為達(dá)成上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的MODIS遙感估算方法，基于野外 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合藻華識(shí)別指數(shù)NDBI及同步的外環(huán)境因子風(fēng)速，確定藻類高斯垂向分布的函 數(shù)表達(dá)式及其遙感識(shí)別方法；基于Hydrolight福射傳輸模擬，構(gòu)建不同藻類高斯垂向分布 的地面光譜數(shù)據(jù)庫(kù)；利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建基于模擬數(shù)據(jù)的湖泊藻類高斯垂向分布結(jié) 構(gòu)參數(shù)的遙感估算方法；通過(guò)模擬不同氣溶膠類型及厚度、不同太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角及 方位角，獲取地面模擬遙感反射與模擬的瑞利散射矯正后R rc之間的定量關(guān)系；進(jìn)而 將基于模擬光譜數(shù)據(jù)的藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的估算算法推廣至經(jīng)過(guò)瑞利散射矯正 的MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。基于該方法，可以準(zhǔn)確獲取富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類高斯垂向分布的結(jié) 構(gòu)參數(shù)，通過(guò)獲取高斯垂向分布條件下單元水柱內(nèi)藻類總存量估算，即可得到全湖高斯垂 向分布像元內(nèi)的藻類總存量，并最終為水利、環(huán)保等部門的水資源管理、水環(huán)境保護(hù)的科學(xué) 決策提供科技支撐。作為進(jìn)一步的實(shí)施方式，具體地，所述的方法包括如下步驟：
[0009] 1、藻類高斯垂向分布類型的遙感識(shí)別方法
[0010] 基于野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（葉綠素 a垂向分布和水體表面光譜），綜合藻華識(shí)別指數(shù) NDBI及同步的外環(huán)境因子風(fēng)速，確定藻類高斯垂向分布的函數(shù)表達(dá)式（結(jié)構(gòu)參數(shù)C。、σ、H) 及空間分布；
[0011] 2、構(gòu)建藻類高斯垂向分布的地面光譜數(shù)據(jù)庫(kù)
[0012] 設(shè)置不同的高斯垂向分布的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合C。、σ、H，基于Hydrolight輻射傳輸模 擬，構(gòu)建不同藻類高斯垂向分布的地面光譜數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0013] 3、構(gòu)建基于模擬數(shù)據(jù)庫(kù)的湖泊藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的估算方法
[0014] 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，基于Hydrolight輻射傳輸模擬數(shù)據(jù)，構(gòu)建湖泊藻類高斯垂 向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)（C。、σ、H)的估算方法；
[0015] 4、獲取Hydrolight模擬遙感反射比R"與模擬的瑞利散射矯正后Rrc之間的定量 關(guān)系
[0016] 基于巢湖地區(qū)在不同氣溶膠類型及厚度、不同太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角以及方位 角對(duì)地面監(jiān)測(cè)的遙感反射比與模擬的瑞利散射矯正后的1^之間的定量關(guān)系的影響，并通 過(guò)模擬數(shù)據(jù)確定兩者之間的定量模型；
[0017] 5、構(gòu)建藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的MODIS遙感估算方法
[0018] 基于前述步驟和方法，基于模擬光譜數(shù)據(jù)的藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的估算算 法推廣至經(jīng)過(guò)瑞利散射矯正的MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)?；谠摲椒ǎ梢詼?zhǔn)確獲取富營(yíng)養(yǎng)化 湖泊藻類高斯垂向分布的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)獲取高斯垂向分布條件下單元水柱內(nèi)藻類總存量 估算，即可得到全湖高斯垂向分布像元內(nèi)的藻類總存量，并最終為水利、環(huán)保等部門的水資 源管理、水環(huán)境保護(hù)的科學(xué)決策提供科技支撐。
[0019] 由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提出的一種富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類高斯垂向 分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的MODIS遙感估算方法，基于野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合藻華識(shí)別指數(shù)NDBI及 同步的外環(huán)境因子風(fēng)速，確定藻類高斯垂向分布的函數(shù)表達(dá)式及其遙感識(shí)別方法；基于 Hydrolight福射傳輸模擬，構(gòu)建不同藻類高斯垂向分布的地面光譜數(shù)據(jù)庫(kù)；利用BP神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)模型，構(gòu)建基于模擬數(shù)據(jù)的湖泊藻類高斯垂向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的遙感估算方法；通過(guò)模擬 不同氣溶膠類型及厚度、不同太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角及方位角，獲取地面模擬遙感反射比 Rre與模擬的瑞利散射矯正后Rra之間的定量關(guān)系；進(jìn)而將基于模擬光譜數(shù)據(jù)的藻類高斯垂 向分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的估算算法推廣至經(jīng)過(guò)瑞利散射矯正的MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。基于該方 法，可以準(zhǔn)確獲取富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類高斯垂向分布的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)獲取高斯垂向分布條 件下單元水柱內(nèi)藻類總存量估算，即可得到全湖高斯垂向分布像元內(nèi)的藻類總存量，并最 終為水利、環(huán)保等部門的水資源管理、水環(huán)境保護(hù)的科學(xué)決策提供科技支撐。
[0020] 應(yīng)當(dāng)理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細(xì)地描述的額外構(gòu)思的所有組合只要在這 樣的構(gòu)思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。另外，所要求保 護(hù)的主題的所有組合都被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。
[0021] 結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導(dǎo)的前述和其他方面、實(shí) 施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實(shí)施方式的特征和/或有益效果將在下面 的描述中顯見，或通過(guò)根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的【具體實(shí)施方式】的實(shí)踐中得知。