湖水浊度高光谱定量反演模子_赢现金捕鱼

湖水浊度高光谱定量反演模子

泉源:/ 作者:余氯检测仪 工夫:2018-12-28

  择要:依据实测高光谱数据和同步水质检测数据,经过辨认反演水体浊度的高光谱敏感波段,辨别树立了原始光谱反射率模子、归一化光谱反射率模子、波段比值模子和一阶微分模子,并停止了验证。后果标明,4种模子的决议系数R2均在075以上,此中825 nm处归一化光谱反射率模子和波段比值模子估测浊度精度较高,均方根偏差RMSE辨别为2879 NTU和2423 NTU。研讨后果可以为南四湖水体浊度大面积遥感监测的业务化办理提供技术支持。

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  要害词:南四湖;遥感;浊度;高光谱;反演

  南四湖位于淮河道域北部,东、西、北三面承接苏、鲁、豫、皖4省32个县(市)的来水,流域面积317万km2,是我国南方最大的海水湖,同时也是南水北调东线工程紧张的水源地和调蓄湖泊,具有防洪、排涝、灌溉、供水、养殖、通航及旅游等多种功用,其水质优劣间接影响着“一湖净水向北流”调水目的的完成。2014年以来,山东发作严峻旱情,南四湖水位继续降落,乃至从六月份开端先后降至去世水位和最低生态水位,水体自净才能降落,水体混浊度添加,水质好转,严峻影响南四湖左近住民的生存和养殖业。片面监测南四湖水体水质对南水北调东线工程的顺遂施行和保证南四湖周边住民的饮用水平安具有紧张意义。

  浊度是评价湖泊水质的一个紧张目标,浊度巨细间接影响光在水体中的衰减,从而影响水体的低级消费力[12]。应用遥感办法监测湖泊水体浊度具有范畴广、工夫短、本钱低和便于临时停止动态监测的劣势,克制了惯例监测手腕存在的费时、费力、霎时性和部分性等缺陷[34],可以对大面积水域停止疾速监测。常用的办法有物理办法、经历办法和半经历办法,由于物理办法实际根底还不敷美满,经历办法精度较低,以是半经历办法使用最多[5]。郭邵萌[6]对东昌湖水体实测高光谱反射率停止归一化处置,和浊度停止相干性剖析,发明浊度与480 nm左近归一化光谱反射率出现较好的负相干,与670 nm左近归一化反射率出现出较高的正相干,相干系数达0.8;段洪涛[7]等对查干湖水体反射率和浊度停止研讨,发明浊度与400~900 nm的波段反射率都呈正相干,相干系数在04~06之间;Chen[8]等研讨发明珠江河口水体520 nm处实测光谱反射率和浊度有较好的相干性。

  本文经过剖析南四湖水体反射光谱特性与浊度之间的干系,运用现在湖泊水质反演中常用的原始光谱反射率法、归一化反射率法、波段比值法和一阶微分法[7,1012,14],辨别树立相应的半经历模子,为以后应用遥感数据对南四湖水体浊度大面积定量反演提供建模根底。   1 数据获取

  2014年7月22日至23日,在南四湖布设了15个采样点(图1),丈量了水面的反射光谱,同时对表层水停止取样。水体浊度用美国哈希HACH捕鱼赢现金1900C现场测定,数值在395~338 NTU之间,均匀值为14797 NTU,变革范畴较大。采样时期天空根本无云,风速较小,水面宁静,无大面积蓝藻迸发。光谱丈量接纳HR1024(波段范畴为345~2 5099 nm)地物光谱辐射计,丈量在船上停止,丈量时垂直水面,借助白板量测,仪器主动将水体的向上辐射率转化为水体的反射率。剔除光谱非常值,选取11个样点剖析,此中8个样点用于建模,剩下3个样点用于验证。

  图1 采样点散布

  2 建模与剖析

  2.1 光谱特性剖析

  光谱丈量后果见图2。固然差别采样点光谱反射率变革很大,但都体现出要地本地水体的普通特性:在400~500 nm范畴内,由于叶绿素a和黄色物质的激烈吸取,水体呈较低的反射率;560 nm左近的反射峰是由于叶绿素a、胡萝卜素吸取较弱以及细胞和悬浮物的散射作用构成的;该反射峰值与色素构成有关,可以作为叶绿素a的定量标记;680 nm左近呈现叶绿素a的又一小吸取峰,是藻类叶绿素在红光波段激烈吸取的后果;700 nm左近反射峰的呈现是含藻类水体最明显的光谱特性,其存在与否是断定水体能否含有藻类叶绿素的根据之一[9];大于730 nm的波段范畴,纯水吸取系数敏捷增大,以是水体光谱反射率敏捷低落;直到810 nm左近又呈现反射峰,该反射峰是由悬浮物散射构成的。

  图2 水体采样点光谱曲线

  2.2 原始光谱反射率和归一化反射率模子

  水体实测高光谱在345~400 nm以及900 nm以上噪声较大,选择400~900 nm原始光谱反射率和浊度停止相干性剖析,后果见图3。可以看出,715~900 nm原始光谱反射率和浊度相干性较好,相干系数均大于08,此中838 nm处的原始光谱反射率和浊度的相干系数最大,到达0950 1,在001查验程度下明显相干。选择838 nm处原始处光谱反射率和浊度树立线性回归模子(Linear Regression Model,LRM),模子见公式(1)。

  y = 3827.3x-66.894 (n=8,p<0.01)

  (1)

  式中:x为838 nm处原始光谱反射率;y为浊度;n为样本数。

  图3 光谱反射率和浊度的相干性

  为了使差别工夫、所在和大气条件下测得的水体光谱具有可比性,同时寻觅待测目标的特性波段,对原始光谱反射率归一化,行将太阳移到丈量点的正上方,去失大气的影响[10]。应用可见光波段400~750 nm对原始光谱反射率停止归一化处置,模子如式(2)所示,光谱曲线见图4。经归一化处置后,光谱曲线变的绝对会合,克制或消弭了情况要素对光谱曲线的全体性进步或低落[11]。

  (λi)=R(λi)1n∑750400R(λi)

  (2)

  式中:(λi)为λi处的归一化反射率;R(λi)为λi处的反射率;n为400~750 nm的波段数。

  图4 归一化反射率曲线

  应用经归一化处置之后的反射率与浊度停止相干性剖析(图5),发明580 nm左近、731~900 nm波段归一化反射率与浊度有较好的相干性,相干系数均在0.8以上,最大正相干系数呈现在825 nm处,相干系数为0890 2,在001查验程度下明显相干。这与郭邵萌[6]研讨后果差别较大,能够是由于仅依据反射率数据与实测浓度值树立的统计模子缺乏物理根底支持,差别气候条件和差别工夫条件等要素对终极的模子树立有较大的影响[12]。用825 nm处的归一化光谱反射率和浊度树立线性回归模子,模子见式(3)。

  y=473.94x-172.39 (n=8,p<0.01)

  (3)

  式中:x为825 nm处归一化光谱反射率,别的标记寄义同式(1)。

  图5 归一化反射率与浊度的相干性

  2.3 一阶微分模子

  对光谱的一阶微分处置可以去除局部线性或靠近线性的配景噪声光谱对目的光谱的影响,微分光谱对信噪比十分敏感[13]。由于光谱仪丈量数据为团圆型数据,因而用公式(4)类似盘算,光谱反射率经一阶微分处置后见图6。

  R′(λi)=R(λi+1)-R(λi-1)λi+1-λi-1

  (4)

  式中:λi-1、λi和λi+1为相邻波长;R(λi-1)和R(λi+1)辨别为波长λi1、λi+1的反射率,R′(λi)为波长λi处一阶微分反射光谱。

  选择400~900 nm光谱反射率的一阶微分值与浊度停止相干性剖析,后果见图7。可以看出,495 nm左近、750 nm左近、780 nm左近以及790~805 nm波段反射率和浊度有

  图6 反射率一阶微分曲线

  Fig.6 Firstderivative curves of reflectance   较高的正相干系数;固然870~885 nm波段反射率和浊度有较高的负相干系数,但该波段反射率变革较小,微分处置会缩小噪声[14]。终极选择和浊度具有最大正相干系数的781 nm处反射率的一阶微分值和浊度树立线性回归模子,模子见公式(5)。

  y=1263096.23x-182.02 (n=8,p<0.01)

  (5)

  式中:x为781 nm光谱反射率一阶微分值,别的标记寄义同式(1)。

  图7 一阶微分与浊度相干性

  2.4 波段比值模子

  用波段比值可以局部消弭水外表润滑度、四周情况等配景噪声的搅扰[15],并在肯定水平上增加其他水色要素的影响[16]。在研讨归一化反射率与悬浮物浓度敏理性的根底上,选择和浊度具有最大正相干系数的825 nm处归一化反射率和与浊度具有最大负相干系数的591 nm处归一化反射率停止比值,然后和浊度停止相干性剖析,825/591和浊度的相干系数为0896 3,用825/591和浊度树立线性回归模子,模子见公式(6)。

  y = 527.13x132.77 (n=8,p<0.01)

  (6)

  式中:x为825 nm处归一化反射率和591 nm处归一化反射率的比值,别的标记寄义同式(1)。

  3 模子验证

  经过公式(7)的均方根偏差RMSE,应用剩余的三个样点验证模子的预测精度,后果见图8。

  RMSE=∑ni=1(Xe,i-Xo,i)2/n

  (7)

  式中:Xe,i表现第i个反演值,Xo,i表现第i个实测值,n为评价个数。

  图8 模子验证

  由图8可以看出,波段比值模子验证精度最高,RMSE为24.23 NTU,其次是825 nm处归一化反射率模子,RMSE为28.79 NTU,838 nm处原始光谱反射率模子和781 nm处一阶微分模子验证偏差绝对较大,辨别为4049 NTU和4585 NTU。总的来说,四种模子的预测值和实测值散点均非常接近1 ∶ 1线两侧,模子验证精度较好。

  4 结论

  应用南四湖水体实测高光谱数据和同步水质剖析数据,在剖析南四湖水体光谱反射率和浊度相干性的根底上,树立了反演南四湖水体浊度的半经历模子,获得如下后果。

  (1)基于光谱反射率和浊度之间的干系剖析标明:838 nm处原始光谱反射率、825 nm处归一化反射率、781 nm处一阶微分和波段比值模子可以较好地用于南四湖水体浊度的反演,模子的均方根偏差RMSE辨别为4049 NTU、2879 NTU、4585 NTU和2423 NTU。

  (2)经过实测数据验证,波段比值模子和825 nm处归一化反射率模子要好于838 nm处原始光谱反射率模子和781 nm处一阶微分模子,这是由于对原始光谱停止归一化处置以及波段比值能无效去除情况要素的搅扰,可以分明的进步模子精度。这为以后应用高光谱遥感数据在南四湖停止大面积浊度反演提供了建模根底。

  为了加强模子的适用性和通用性,后续研讨还应在多个工夫段对多个采样点停止水质采样和实测光谱获取,进一步美满模子。

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