基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法技术

本发明专利技术涉及基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法，通过卫星遥感影像实时监控湖泊水体，获取水体遥感反射率；构建基于悬浮物指数法的水体悬浮物浓度卫星遥感反演模型，应用模型得到湖区水体悬浮物浓度的时空分布图；利用悬浮物突变分界线的移动判断湖泊水体是否发生倒灌。本发明专利技术方法以悬浮物为示踪，利用卫星遥感反演湖泊水体悬浮物浓度监测江水倒灌入湖的现象，解决了目前完全依赖于水文站监测的唯一途径和水文站监测存在的局限性问题，同时解决了无水文资料条件下获得江水倒灌特征信息。此方法可以快速全面地获取江水倒灌的开始时间、时段长度、结束时间和影响范围等参数，从而节约大量监测成本，为生态环境预报与研究提供重要的技术手段。

【技术实现步骤摘要】
基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法
本专利技术涉及遥感
，具体涉及基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖的遥感监测方法。
技术介绍
随着人类活动和自然条件的变化，湖泊正历经剧烈变化，面积萎缩、水质恶化、生态环境遭受严重破坏、功能和效益不断下降，这些已成为制约社会可持续发展的瓶颈。掌握江湖关系是流域生态环境良性发展的重要环节，通常情况江河来水注入湖泊，湖泊水体再流入下游江河。在湖泊水位高于江河水位时湖泊水体自流到江河，当湖泊水位低于江河水位时，江河的水将返流到湖泊，这时称为“江水倒灌”现象。这种现象典型地发生在我国第一大淡水湖泊——鄱阳湖，监测该现象对于湖泊水环境演变、物质交换有着重要影响，为鄱阳湖综合治理提供科学依据。创新挖掘时序遥感大数据应用于湖泊生态监测，为河湖长制背景条件下保护生态环境起着重要作用。因此科学获得江水倒灌入湖的发生、过程及影响很有必要。“江水倒灌”现象的监测方法一般通过在河湖交界处设置水文站，监测水体断面的流量、流向，从而分析湖泊出湖和入湖情况，判断江水是否倒灌，但水文站建站前的历史倒灌情况无法获得。而且目前并不是所有河湖交界处均设置水文站，更多的区域无水文站或没有条件监测，倒灌现象难以确定。水文站的监测仅对流量和流向进行监测，对于倒灌入湖水体的影响情况无法获取。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法，该方法利用遥感获取悬浮物浓度时空分布，可快速全面地监测江水倒灌入湖过程和特征。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法，包括如下步骤：从卫星遥感影像中提取待监测湖区水体影像，获取卫星遥感反射率数据；基于遥感反射率数据构建湖泊水体悬浮物浓度遥感反演模型，反演获得每景遥感影像的湖区水体悬浮物浓度时空分布；基于流向湖泊水体悬浮物浓度变化构建水体悬浮物浓度突变分界线；所述水体悬浮物浓度突变分界线定义为：以前一个时刻水体悬浮物浓度的空间分布为本底，后一个时刻减去前一个时刻水体悬浮物浓度的空间分布，发生水体悬浮物浓度梯度变化较大时，该变化缓冲区域的浓度差值的低值线即为突变分界线；基于水体悬浮物浓度突变分界线移向判断此时江水是否发生倒灌。进一步的，所述卫星遥感影像可以是MODIS、GOCI、MERIS、Landsat、SentinelVIIRS、SPOT、环境卫星、高分卫星等可用于监测水环境指标的卫星数据；对水体影像进行几何校正、辐射校正和大气校正处理，获取卫星遥感反射率数据。可以同时使用多个卫星数据组合，达到高频观测时间间隔的目的。作为本专利技术的进一步改进，所述待监测湖区水体影像的提取方式为：计算遥感影像NDWI指数，通过阈值分割提取水体影像。作为本专利技术的进一步改进，所述湖泊水体悬浮物浓度遥感反演模型构建方式为：(1)对不同波段的遥感反射率与悬浮物浓度进行相关性分析，确定悬浮物的敏感波段。(2)结合卫星遥感反射率数据或实测数据模拟的卫星遥感反射率数据与相应的悬浮物浓度数据，通过经验模型法或半分析模型法，将选取的敏感波段与实测悬浮物浓度建立关系式，即所述湖泊水体悬浮物浓度遥感反演模型。所述经验模型法，通过实测的悬浮物浓度与水体遥感反射率之间直接建立线性、指数、乘幂、多次项式等函数经验关系式。所述半分析模型法，以光在水体中辐射传输过程为基础，固有光学量为中间参数，在表观光学量与固有光学量建立经验函数的基础上，同时建立固有光学量与水体组分浓度的关系式，最终实现水体组分浓度反演的目的。作为本专利技术的进一步改进，所述悬浮物浓度遥感反演模型为指数模型。如下所示：ρTSS＝aebx其中，ρTSS为悬浮物浓度；a、b为拟合系数；x为输入波段或波段组合。指数模型对于低浓度水体敏感性低，悬浮物浓度变幅很小；对高浓度水体敏感性高，悬浮物浓度变幅大，有利于突变线判断。进一步的，建立反演模型使用的波段组合采用红波段和绿波段均减去近红外波段后的比值形式，如下所示：式中，R、G、NIR分别指红波段、绿波段、近红外波段的遥感反射率。该波段组合采用了红和绿波段均减去红外波段后的比值形式，减少大气的影响，可以提高悬浮物浓度的敏感性。进一步的，选取645nm、859nm、555nm作为悬浮物浓度的敏感波段建立悬浮物浓度遥感反演模型。进一步的，所述江水发生倒灌的判断方式为：如果流向湖泊水体悬浮物浓度突然变小或变小，并且水体悬浮物浓度突变分界线向湖区移动，代表此时江水发生倒灌，即为江水倒灌入湖的开始时间。优选的，基于时间分辨率小于1天的序列图像进行江水倒灌判断。进一步的，悬浮物浓度变化梯度，即浓度值之差的绝对值与较大浓度值的比值大于0.9时，该变化缓冲区域的浓度差值的低值线即为突变分界线。进一步的，所述方法还包括判别倒灌发生开始时间、倒灌时长、结束时间和影响范围。突变分界线位置变化向上游湖体移动时，倒灌时间开始；当在某一时刻突变分界线静止不动，并开始向下游移动的趋势时，倒灌时间结束；此时的分界线至出湖口范围即为倒灌影响范围。倒灌时长为倒灌开始至结束时刻的时间。悬浮物是重要的水质参数之一，水体的透明度、真光层深度、浑浊度和水色等都与其有重要关系，是湖泊地貌演化、湖床变迁的主要影响因素，也是湖泊营养盐和污染物的输运的重要载体，影响着湖泊生态系统可持续发展。然而江河与湖泊水体由于来自不同流域或不同自然、气候条件，导致悬浮物浓度通常不相同。作为湖泊水色要素之一的悬浮物，能够通过遥感反演获得此信息。悬浮物是湖泊和河流水体的主要物质，是直接影响遥感信号的主要因素，可采用经验模型、半分析模型或分析模型，普适性强；其次，悬浮物具有较强的散射特征，遥感反演精度高，有利于判断突变线。再者，倒灌通常发生在丰水期，丰水期Chla浓度相对小，而悬浮物因受到不同区域来水来沙的影响，使得江和湖的悬浮物变化较大，突变线也就更加显著。因此本专利技术创造了一种以悬浮物为示踪，利用遥感技术，动态监测悬浮物浓度，观测江水入湖倒灌的发生时间、倒灌时长、结束时间和影响范围等重要参数。由以上本专利技术的技术方案可知，本专利技术的针对一种基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法，基于卫星遥感反射率与悬浮物浓度的相关分析，探寻悬浮物变化的敏感波段；构建通过经验模型法、半分析模型法，将优选敏感波段与实测悬浮物浓度建立关系式，从而建立湖泊水体悬浮物浓度卫星遥感定量反演模型。通过对湖泊水体悬浮物的突变分界线判定，获得江水倒灌发生的开始时间、倒灌时长、结束时间和影响范围等重要参数，实现对江水倒灌入湖遥感监测。本专利技术与现有技术相比，其有益效果为：本专利技术针对内陆湖泊，以悬浮物为示踪，利用卫星遥感反演湖泊水体悬浮物浓度监测江水倒灌入湖的现象，解决了目前完全依赖于水文站监测的唯一途径和水文站监测的局限性问题，同时解决了无水文资料条件下获得江水倒灌特征信息。可以快速全面地获取江水倒灌发生的开始时间、倒灌时长、结束时间和影响范围等重要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法，其特征在于，包括：/n从卫星遥感影像中提取待监测湖区水体影像，获取卫星遥感反射率数据；/n基于遥感反射率数据构建湖泊水体悬浮物浓度遥感反演模型，反演获得每景遥感影像的湖区水体悬浮物浓度时空分布；/n基于流向湖泊水体悬浮物浓度变化构建水体悬浮物浓度突变分界线；所述水体悬浮物浓度突变分界线定义为：以前一个时刻水体悬浮物浓度的空间分布为本底，后一个时刻减去前一个时刻水体悬浮物浓度的空间分布，发生水体悬浮物浓度梯度变化较大时，该变化缓冲区域的浓度差值的低值线即为突变分界线；/n基于水体悬浮物浓度突变分界线移向判断此时江水是否发生倒灌。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于悬浮物示踪的江水倒灌入湖遥感监测方法，其特征在于，包括：
从卫星遥感影像中提取待监测湖区水体影像，获取卫星遥感反射率数据；
基于遥感反射率数据构建湖泊水体悬浮物浓度遥感反演模型，反演获得每景遥感影像的湖区水体悬浮物浓度时空分布；
基于流向湖泊水体悬浮物浓度变化构建水体悬浮物浓度突变分界线；所述水体悬浮物浓度突变分界线定义为：以前一个时刻水体悬浮物浓度的空间分布为本底，后一个时刻减去前一个时刻水体悬浮物浓度的空间分布，发生水体悬浮物浓度梯度变化较大时，该变化缓冲区域的浓度差值的低值线即为突变分界线；
基于水体悬浮物浓度突变分界线移向判断此时江水是否发生倒灌。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星遥感影像为获取用于监测水环境指标的卫星数据的卫星遥感影像；为MODIS、GOCI、MERIS、Landsat、Sentinel、VIIRS、SPOT、环境卫星、高分卫星中的一种或多种组合；对水体影像进行几何校正、辐射校正和大气校正处理，获取卫星遥感反射率数据。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待监测湖区水体影像的提取方式为：计算遥感影像NDWI指数，通过阈值分割提取水体影像。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湖泊水体悬浮物浓度遥感反演模型构建方式为：
1)对不同波段的遥感反射率与悬浮物浓度进行相关性分析，确定敏感波段；
2)结合遥感反射率数据或实测数据模拟的卫星遥感反射率数据与相应的悬浮物浓度数据，通过经验模型法或半分析模型法，将选取的敏感波段与实测悬浮物浓度建立关系式，即所述湖泊...

【专利技术属性】
技术研发人员：江辉，刘瑶，姚莉，陈丽萍，曾晨军，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：江西;36