一种二类水体固有光学参数优化模拟方法技术

针对当前水色三要素遥感监测缺乏多组分水色要素同步反演方法、存在信息多散、汇集复杂、分析获取不及时等问题，本发明专利技术公开了一种二类水体固有光学参数优化模拟方法，该方法包括如下步骤：步骤1)选取研究区并设计试验方案进行采样点处叶绿素a浓度、悬浮物浓度、黄色物质在440nm处的吸收系数以及水面光谱测量；步骤2)计算各采样点的吸收系数和后向散射系数；步骤3)利用2SeaColor辐射传输模型模拟各采样点遥感反射率；步骤4)计算模拟出的遥感反射率和实测采样点的遥感反射率均方根差并确定研究区固有光学参数值。究区固有光学参数值。究区固有光学参数值。

【技术实现步骤摘要】
一种二类水体固有光学参数优化模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种二类水体固有光学参数优化模拟方法，面向我国典型的内陆二类湖泊太湖，基于野外实地采样数据以及2SeaColor模型优化模拟得到的研究区固有光学参数，实现水色要素高精度同步反演。

技术介绍

[0002]水资源短缺、水生态损害、水环境污染等新问题日益突出，基于“三水统筹”的水生态安全管理面临新的挑战。水生态监测是水生态环境管理的“顶梁柱”，是生态文明建设的重要基础支撑之一。生态环境部发布的《关于开展生态环境遥感监测试点工作的通知》(监测函〔2019〕6号)要求试点省份加快构建生态环境遥感调查、监测与评估体系。《重点流域水生态环境保护规划(2021
‑
2025年) (征求意见稿)》明确指出，要基于流域特色要素，制定统筹水资源、水生态、水环境的指标体系，以高水平保护引导推动高质量发展。
[0003]地表水体分为一类水体和二类水体。大洋开阔水体主要为一类水体，近岸河口水体主要为二类水体。由于二类水体更接近人类生产生活区，所以受人类活动影响更大，污染严重。近年来，我国多个湖泊出现富营养化、有机污染、水域面积缩小、盐渍化、生态系统失衡等问题(程琦，2012)。水体富营养化不但会破坏湖泊的整体功能，破坏湖泊生态系统的多样性，而且还会危害浮游植物，导致水华暴发。藻类产生的毒素通过饮用水厂影响人类健康，威胁人类生存，水面上的藻类散发出异味，严重影响河湖景观。
[0004]长期以来，近岸二类水体水色三要素的反演一直是水色光学遥感中的一个难题。水色三要素主要包括叶绿素(Chlorophyll，以Chlorophyll
‑
a为主Chl
‑
a)、非藻类固体悬浮物(Suspended Particulate Matter,SPM)和有色可溶性有机物 (Chromophoric Dissolved Organic Matter or ColoredDissolved Organic Material, CDOM)(唐军武等，2003)。目前水色三要素的遥感监测方法主要分为经验方法、半经验/半分析方法和分析方法三种，从辐射传输角度进行反演的模型很少，往往以单组分水色要素反演模型为主，多组分水色要素同步反演模型少。
[0005]鉴于目前二类水体水色三要素遥感监测方法存在的不足，本专利技术将研究焦点集中在实测的叶绿素a浓度、悬浮物浓度、黄色物质在440nm处的吸收系数和水面光谱的关系上，通过水色三要素与遥感反射率建立数学关系，提出一种二类水体固有光学参数优化模拟方法，进而有效地弥补传统监测方法在时间和空间尺度上的不连续性，提供连续、准确的水质参数变化数据。

技术实现思路

[0006]针对当前水色三要素遥感监测缺乏多组分水色要素同步反演方法、存在信息多散、汇集复杂、分析获取不及时等问题，本专利技术提出了一种二类水体固有光学参数优化模拟方法，为水生态保护提供可靠有效准确的信息源。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术步骤实现：
[0008]步骤1)选取研究区并设计试验方案进行采样点处叶绿素a浓度、悬浮物浓度、黄色物质在440nm处的吸收系数以及水面光谱测量；
[0009]步骤2)计算各采样点的吸收系数和后向散射系数；
[0010]步骤3)利用2SeaColor辐射传输模型模拟各采样点遥感反射率；
[0011]步骤4)计算模拟出的遥感反射率和实测采样点的遥感反射率均方根差并确定研究区固有光学参数值。
[0012]所述步骤1)的具体方法为：
[0013]a)选取研究区域；b)基于研究区设计湖面试验方案；c)水质参数实地测量。
[0014]所述步骤2)的具体方法为：
[0015]a)计算研究区各采样点的吸收系数：
[0016]a(λ)＝a
W
(λ)+a
Chla
(λ)+a
s
(λ)+a
CDOM
(λ)
[0017]式中，a(λ)指波长λ处的水体总吸收系数；a
W
(λ)为水分子吸收系数、a
Chla
(λ)为叶绿素a吸收系数、a
s
(λ)为悬浮物的吸收系数、a
CDOM
(λ)为黄色物质所产生的吸收系数，单位都是每米(m
‑1)。
[0018]b)计算研究区各采样点的后向散射系数：
[0019]b
b
(λ)＝b
w
(λ)+b
chla
(λ)+b
s
(λ)
[0020]式中，b
b
(λ)指波长λ处的水体总散射系数；b
w
(λ)水分子散射系数；b
Chla
(λ)为叶绿素a散射系数；b
s
(λ)为悬浮物的散射系数。
[0021]所述步骤3)的具体方法为：
[0022]a)将研究区的固有光学参数叶绿素a浓度的指数项x、悬浮物散射光谱斜率n
s
、和悬浮物在550nm处的散射系数b
s
(550)三个要素作为未知量；b)将三个未知量设定合理的初值、范围和步长，利用2SeaColor模型不断循环得到对应于每一组x、n
s
、和b
s
(550)的遥感反射率。
[0023]其中，2SeaColor模型的理论公式为(Salama等，2015)：
[0024][0025][0026]μ
w
＝cosθ
′
s
[0027][0028][0029]式中，是半无限介质的定向半球面反射率；
[0030]x是水体总后向散射系数b
b
(单位m
‑1)和总吸收系数a的比值(单位m
‑1)；
[0031]μ
w
指平坦水面下太阳天顶角的余弦值；若水面上太阳天顶角为θ
s
，则θ
′
s
＝arcsin(sinθ
s
/n
w
)，其中n
w
是水的折射系数，取值1.33；
[0032]R(0
‑
)是水平面下辐亮度反射率；
[0033]Q是水平面向上的辐亮度反射率与水平面向下的辐亮度反射率的比值，取值 3.25；
[0034]R
rs
为离水反射率。
[0035]所述步骤4)的具体方法为：
[0036]a)计算每一个采样点模拟得到的遥感反射率与同步实测的遥感反射率的均方根差(RMSE)；b)找出最小的RMSE，确定研究区的固有光学参数值。
附图说明
[0037]图1为本专利技术实施的方法流程示意图；
[0038]图2为试验采样点分布图；
[0039]图3为模拟出的各采样点的遥感反射率图。
具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二类水体固有光学参数优化模拟方法，该方法包括以下步骤：步骤1)选取研究区并设计试验方案进行采样点处叶绿素a浓度、悬浮物浓度、黄色物质在440nm处的吸收系数以及水面光谱测量；步骤2)计算各采样点的吸收系数和后向散射系数；步骤3)利用2SeaColor辐射传输模型模拟各采样点遥感反射率；步骤4)计算模拟出的遥感反射率和实测采样点的遥感反射率均方根差并确定研究区固有光学参数值。2.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)：a)选取研究区域；b)基于研究区设计湖面试验方案；c)水质参数实地测量。3.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)：a)计算研究区各采样点的吸收系数；b)计算研究区各采样点的后向散射系数：a(λ)＝a
W
(λ)+a
Chla
(λ)+a
s
(λ)+a
CDOM
(λ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，a(λ)指波长λ处的水体总吸收系数；a
W
(λ)为水分子吸收系数、a
Chla
(λ)为叶绿素a吸收系数、a
s
(λ)为悬浮物的吸收系数、a
CDOM
(λ)为黄色物质所产生的吸收系数，单位都是每米(m
‑1)。b
b
(λ)＝b
w
(λ)+b
chla
(λ)+b
s
(λ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，b
b
(λ)指波长λ处的水体总散射系数；b
w
(λ)水分子散射系数；b
Chla
(λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵利民，陈瀚阅，丁月圆，李家国，陈兴峰，陈洪真，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：