基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法技术

本发明专利技术公开了基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，方法包括：步骤S100：按需求提取哨兵二号L2A级数据，对数据进行数据预处理；步骤S200：依据实测点位的经纬度数据对各点位遥感波段的反射率进行提取；步骤S300：将提取到的各标定水体点位的各波段反射率与从现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据之间进行相关性分析；从相关性计算结果中筛选出大于相关性阈值的各波段或者各组合波段；步骤S400：基于不同相关性分析分别建立不同回归模型；回归模型包括但不限于单波段回归模型、多波段组合回归模型；步骤S500：对不同回归模型分别进行误差分析，基于误差分析结果确认反演最优模型。反演最优模型。反演最优模型。

【技术实现步骤摘要】
基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法


[0001]本专利技术涉及卫星遥感数据处理
，具体为基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法。

技术介绍

[0002]传统的水质总磷监测方法一般采取实地取样分析，然后对样本进行实验室分析；因该方法采取的数据只能代表采集瞬间采集断面的水质情况，难以获取大范围、广区域、准实时的水体水质空间分布情况以及变化趋势，获取的数据往往具有在时空尺度上不连续、范围小、水样采集和分析的数量有限的缺点，所以通过传统的水质总磷监测方法得到的监测结果只具有局部和典型的代表意义，不能满足大尺度以及实时性的水质总磷监测要求；
[0003]传统的水质总磷监测方法会消耗大量的人力、物力和财力，且该方法对站点监测仪器的依赖性较高，需要对站点监测仪器进行定期检查维修以免仪器故障造成对总磷浓度的监测影响，所以它还具有操作过程繁琐，耗费大量财力物力的缺点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，方法包括：
[0006]步骤S100：将所需影像的时间、所需影像的范围作为搜索输入条件通过哨兵网站提取对应的哨兵二号L2A级数据，将提取到的哨兵二号L2A级数据作为元数据集；对元数据集进行数据预处理得到待处理数据集；
[0007]步骤S200：结合待处理数据集和元数据集中的数据并依据实测点位的经纬度数据对各点位遥感波段的反射率进行提取；
[0008]步骤S300：将提取到的各标定水体点位的各波段反射率与从现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据之间进行相关性分析得到相关性计算结果；相关性分析包括但不限于单波段相关性分析和多波段组合相关性分析；从相关性计算结果中筛选出大于相关性阈值的各波段或者各组合波段；
[0009]步骤S400：基于不同相关性分析分别建立不同回归模型；回归模型包括但不限于单波段回归模型、多波段组合回归模型；
[0010]步骤S500：对不同回归模型分别进行误差分析，基于误差分析结果确认反演最优模型；
[0011]本专利技术运用遥感监测技术，具有高动态、低成本和宏观性等显著特点，在反演总磷的研究中有着传统测量不可替代的优点；遥感监测既能满足大范围的水质总磷反演的需要，也能反映总磷反演在时间上和空间上的变化情况，弥补了单一水面采样的不足，还能发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物的迁移特征；且多光谱遥感监测精度高、波段
多、信息量大，大大提高水质总磷参数反演的监测精度，与传统监测方法相比，遥感监测效率更高、方便快速，也减少人们对仪器的检修和维护成本。
[0012]进一步的，步骤S100中的数据预处理包括：
[0013]步骤S101：选取哨兵二号L2A级数据中分辨率为10m的其中一个波段作为重采样的数据源，使用SANP软件中的Resample功能对元数据集进行重采样得到重采样数据集；对输入输出路径及文件名进行设置，将重采样数据集转换成ENVI格式，得到重采样数据结果；
[0014]将哨兵二号L2A级数据中的Band2波段作为重采样的数据源为的是将元数据集中的所有波段的空间分辨率都为Band2波段10米级的分辨率，这样影像分辨率就会变高；
[0015]步骤S102：忽略Band8A波段利用ENVI5.3中的LayerStacking功能对重采样数据结果中的其余12个波段数据进行波段融合得到融合图像；
[0016]进行波段融合的目的是为了使得到的融合图像具有兼容可见光及近红外波段信息的优势，使得融合图像色彩丰富，地表信息更加清晰；
[0017]步骤S103：对融合图像进行NDWI水体指数提取。
[0018]进一步的，步骤S200包括：
[0019]步骤S201：在Arcgis10.6中对原始水体点位数据、融合图像以及融合图像的NDWI水体指数进行加载；
[0020]步骤S202：基于融合图像的NDWI水体指数在Arcgis10.6中利用按点矢量编辑得到水体点位数据，将水体点位数据对原始水体点位数据进行修正并根据修正后得到的水体点位数据在融合图像中对水体点位进行标定得到各标定水体点位；
[0021]步骤S203：在属性表中对各标定水体点位进行经纬度计算得到各标定水体点位的经纬度数据；
[0022]步骤S204：将各标定水体点位以图像形式导出得到标定点位图像；将原始水体点位数据与各标定水体点位的经纬度数据进行汇总以表格形式进行导出得到经纬度信息汇总表；
[0023]步骤S205：在Arcgis10.6中利用多值提取至点功能，对各标定水体点位的各波段反射率进行提取并以表格形式导出得到点位各波段反射率表；将现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据进行汇总并以表格形式导出得到实测总磷浓度表格；
[0024]由于大部分实测点位的仪器都部署在桥下，若按照原始水体点位经纬度提取反射率的话，提取的反射率大部分会变成桥的反射率，无法提取桥下水体的反射率；且由于融合图像的图像分辨率为10米，凭肉眼画出点位会不精确，因此通过对NDWI水体指数提取，就能区别出陆地、桥梁还有水体，便于得到更加精确的点位数据；
[0025]进一步的，步骤S300中的单波段相关性分析是指，利用spss将提取到的各标定水体点位的各波段反射率与从现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据之间进行相关性计算，从相关性计算结果中筛选出大于相关性阈值的各波段。
[0026]进一步的，多波段组合相关性分析是指，先将提取到的各标定水体点位的各波段之间依次按不同的波段组合方式进行波段组合，再将波段组合的组合反射率与从现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据之间进行相关性计算，从相关性计算结果中筛选出大于相关性阈值的各组合波段。
[0027]进一步的，波段组合方式包括两波段组合、三波段组合、四波段组合；
[0028]其中，两波段组合的组合形式包括b
i
/b
j
、b
i
‑
b
j
、b
i
+b
j
；三波段组合的组合形式包括：b
i
/(b
j
‑
b
k
)、(b
j
‑
b
k
)/b
i
、b
i
/(b
j
+b
k
)、(b
j
+b
k
)/b
i
、四波段组合的组合形式包括：(b
i
+b
j
)/(b
k
‑
b
h
)、(b
k
‑
b
h
)/(b
i...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S100：将所需影像的时间、所需影像的范围作为搜索输入条件通过哨兵网站提取对应的哨兵二号L2A级数据，将提取到的哨兵二号L2A级数据作为元数据集；对所述元数据集进行数据预处理得到待处理数据集；步骤S200：结合所述待处理数据集和元数据集中的数据并依据实测点位的经纬度数据对各点位遥感波段的反射率进行提取；步骤S300：将提取到的各标定水体点位的各波段反射率与从现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据之间进行相关性分析得到相关性计算结果；所述相关性分析包括但不限于单波段相关性分析和多波段组合相关性分析；从所述相关性计算结果中筛选出大于相关性阈值的各波段或者各组合波段；步骤S400：基于不同相关性分析分别建立不同回归模型；所述回归模型包括但不限于单波段回归模型、多波段组合回归模型；步骤S500：对不同回归模型分别进行误差分析，基于误差分析结果确认反演最优模型。2.根据权利要求1所述的基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，其特征在于，所述步骤S100中的数据预处理包括：步骤S101：选取哨兵二号L2A级数据中分辨率为10m的其中一个波段作为重采样的数据源，使用SANP软件中的Resample功能对所述元数据集进行重采样得到重采样数据集；对输入输出路径及文件名进行设置，将所述重采样数据集转换成ENVI格式，得到重采样数据结果；步骤S102：忽略B8A波段利用ENVI5.3中的Layer Stacking功能对所述重采样数据结果中的其余12个波段数据进行波段融合得到融合图像；步骤S103：对所述融合图像进行NDWI水体指数提取。3.根据权利要求1所述的基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，其特征在于，所述步骤S200包括：步骤S201：在Arcgis10.6中对原始水体点位数据、融合图像以及所述融合图像的NDWI水体指数进行加载；步骤S202：基于所述融合图像的NDWI水体指数在Arcgis10.6中利用按点矢量编辑得到水体点位数据，将所述水体点位数据对所述原始水体点位数据进行修正并根据修正后得到的水体点位数据在所述融合图像中对水体点位进行标定得到各标定水体点位；步骤S203：在属性表中对所述各标定水体点位进行经纬度计算得到所述各标定水体点位的经纬度数据；步骤S204：将各标定水体点位以图像形式导出得到标定点位图像；将所述原始水体点位数据与所述各标定水体点位的经纬度数据进行汇总以表格形式进行导出得到经纬度信息汇总表；步骤S205：在Arcgis10.6中利用多值提取至点功能，对所述各标定水体点位的各波段反射率进行提取并以表格形式导出得到点位各波段反射率表；将现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据进行汇总并以表格形式导出得到实测总磷浓度表格。4.根据权利要求1所述的基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，其特征在于，所述步骤S300中的所述单波段相关性分析是指，利用spss将提取到的各标定水体
点位的各波段反射率与从现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据之间进行相关性计算，从相关性计算结果中筛选出大于相关性阈值的各波段。5.根据权利要求1所述的基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，其特征在于，所述多波段组合相关性分析是指，先将提取到的各标定水体点位的各波段之间依次按不同的波段组合方式进行波段组合，再将波段组合的组合反射率与从现场各水质监测器所测得的总磷浓度数据之间进行相关性计算，从相关性计算结果中筛选出大于相关性阈值的各组合波段。6.根据权利要求5所述的基于卫星数据得到水质总磷参数反演最优模型的方法，其特征在于，所述波段组合方式包括两波段组合、三波段组合、四波段组合；其中，所述两波段组合的组合形式包括b
i
/b
j
、b
i
‑
b
j
、b
i
+b
j
；所述三波段组合的组合形式包括：b
i
/(b
j
‑
b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚千禧，陈燕婕，曹洪涛，顾行发，余涛，刘向东，黄祥志，
申请(专利权)人：江苏天汇空间信息研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：