建立城市河网水体光谱库的方法与应用技术

本发明专利技术提供一种建立城市河网水体光谱库的方法。该方法将城市河网水体光谱数据等多源数据整理入库、查询、显示、光谱特征分析和水质遥感反演技术。发明专利技术针对城市河网水体遥感水质监测和评估的范围广、长时间监测的具体需求，发明专利技术了城市河网水体光谱库，实现了按时间、地点、按照光谱特征等多种类型的条件查询，同时实现了按地图进行查询的功能，光谱库实现了对查询到的多源数据进行显示和输出的功能；光谱库实现了对未知光谱的匹配；光谱库实现了对水质参数反演模型的评估和优化，通过水环境质量国家标准GB3838-2002，完成对水质的评估。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种建立城市河网水体光谱库的方法。该方法将城市河网水体光谱数据等多源数据整理入库、查询、显示、光谱特征分析和水质遥感反演技术。专利技术针对城市河网水体遥感水质监测和评估的范围广、长时间监测的具体需求，专利技术了城市河网水体光谱库，实现了按时间、地点、按照光谱特征等多种类型的条件查询，同时实现了按地图进行查询的功能，光谱库实现了对查询到的多源数据进行显示和输出的功能；光谱库实现了对未知光谱的匹配；光谱库实现了对水质参数反演模型的评估和优化，通过水环境质量国家标准GB3838-2002，完成对水质的评估。【专利说明】建立城市河网水体光谱库的方法与应用
:本专利技术涉及一种建立城市河网水体光谱库的方法与应用，属于水环境遥感评估和监测的
。
技术介绍
:水资源是人类赖以生存和发展的基本要素之一，随着水体污染问题的日渐严重，水质监测称为经济社会可持续发展必须解决的重大问题。高光谱水质遥感评估、监测是通过研究水体反射光谱特征与水质参数浓度之间的关系，建立水质参数反演过程的，具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的优势，并且还能发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征，与常规方法相比，具有不可替代的优越性。光谱库是由光谱仪在一定条件下测得的各类地物反射光谱数据的集合。由于不同的地物具有不同的光谱特征，这已成为利用高光谱遥感数据认识和识别地物、提取地表信息的主要思想和手段。高光谱成像光谱仪产生了庞大的数据量，建立地物光谱数据库，运用先进的计算机技术来保存、管理和分析这些信息，是提高遥感信息的分析处理水平并使其能得到高效、合理应用的唯一途径，并给人们认识、识别及匹配地物提供了基础。国际上有代表性的数字化地物反射光谱数据库有JPL反射光谱数据库(JetPropulsion Laboratory,美国喷气推进实验室)、USGS地物反射光谱数据库(USGeological Survey,美国地质调查局)、JHU地物反射光谱数据库(Johns HopkinsUniversity,美国约翰霍普金斯大学)、ASTER地物反射光谱数据库(Advanced SpaceborneThermal Emission and Reflection Radiometer,先进星载热福射与反射福射计)和 IGCP-264 数字化地物反射光谱数据库(International Geological CorrelationProgram，国际地质对比计划)等。在国内，地物反射光谱测量研究是从1978年腾冲航空遥感试验开始的，获得了 1000多组树木、农作物、土壤、水体和岩矿等光谱曲线。20世纪80年代，中科院空间科技中心在宁芜地区获得各种光谱曲线1000多条，中国科学院长春地理所也建立了长春净月潭地物反射光谱数据库系统，中科院遥感所对277种中国典型地物反射光谱特征进行了测量。1998年北京航遥中心建立了典型岩石矿物反射光谱数据库，包含典型岩石和矿物500余种。2001年，北京师范大学在北京顺义获取了冬小麦光谱测量数据、农学参数等。20世纪70年代至今，遥感研究部门相继建成了 10余个反射光谱数据库。目前国内外建立的地物反射光谱库选取的地物多为矿物，岩石，农作物，植被等，没有专门针对水体水质评估、监测的光谱库。
技术实现思路
:针对现有技术的不足，本专利技术提供一种建立城市河网水体光谱库的方法。该方法将城市河网水体光谱数据等多源数据整理入库、查询、显示、光谱特征分析和水质遥感反演技术。本专利技术还涉及一种上述城市河网水体光谱库的应用。利用本专利技术所述城市河网水体光谱库，还为水质参数反演、遥感水质评估提供很好的应用。本专利技术的技术方案如下:一种建立城市河网水体光谱库的方法，包括步骤如下:一、数据的录入第一批次入库的数据，该数据包括多源数据和参数的反演模型，所述的多源数据包括光谱反射率数据、水质参数数据、环境配套参数数据和照片数据；所述参数的反演模型包括化学需氧量浓度反演模型、悬浮物浓度反演模型、五日生化需氧量浓度反演模型、总氮浓度反演模型、总磷浓度反演模型和叶绿素a浓度反演模型；I)多源数据的采集:①光谱原始数据采集:光谱原始数据来自地面野外光谱测量，光谱仪采用的是ASD便携式野外光谱仪FieldSpec? Pro FR，其波长范围350_2500nm，光谱分辨率为Inm ;通过光谱仪得到的光谱原始数据包括:太阳光在水面上的入射辐亮度(Ed(0+))，天空漫散射光辐亮度(Lsky)，水表面辐亮度(Lsw);这些数据不是光谱反射率数据，需要对光谱原始数据进行转换反射率的计算，例如，第一批次采集的光谱原始数据为嘉兴市城市河网水体秋季光谱原始数据；②水质参数数据:水质参数包括化学需氧量浓度、悬浮物浓度、五日生化需氧量浓度、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度；在光谱原始数据采集的同时采集水样以获得上述水质参数数据；③环境配套参数数据:环境配套参数包括采集时间、经纬度、水温、天空状况、风速、水面状况和样点文字描述；数据来源于光谱原始数据采集的现场测量和记录；④照片数据:照片数据包括采样点水面照片、周围环境照片和采集过程照片；来源为数码相机记录；2)数据预处理:①光谱反射率数据的计算:通过ASD便携式野外光谱仪得到的光谱原始数据包括太阳光在水面上的入射亮度(Ed (0+))，天空漫散射光辐亮度(Lsky)，水表面辐亮度(Lsw)，需要对光谱原始数据进行转换反射率的计算:首先对上述测量到的数据分析统计，排除异常数据，然后求出原始数据平均值，减少误差；利用公式LW=LsW-r*Lsky，式中LW为离水辐亮度，其中平静水面取r=0.022，由此得离水辐亮度LW ;根据公式R(s)=LW/Ed(0+)，式中R(s)是光谱反射率数据，LW为前面计算的离水辐亮度，Ed(0+)是太阳光在水面上的入射亮度；②去除噪声的处理:对上述得到的光谱反射率数据，利用均值法进行降噪处理，计算公式为RUi) = /3，式中RUi)是波长为λ i的光谱反射率数据，R(A 1-l)>R(A i+1)为相邻波长的光谱反射率；③数据编号:对光谱反射率数据、水质参数数据、环境配套参数数据和照片数据进行统一的编号，例如对第一个采样点5张照片数据分别编号为20121026094201、20121026094202、20121026094203、20121026094204、20121026094205 ；3)反演模型的建立:①水体反射率光谱特征提取:水体的反射率光谱特性是由其中的各种物质对光辐射的吸收和散射性质决定的，是遥感监测的基础；光谱特征提取包括:提取波峰位置、波谷位置；提取波峰位置:光谱反射率曲线由众多连续排列的离散点组成，其波峰值要大于两肩的数值，所以判断波峰的条件为Ri>Ri_l且Ri>Ri+l ;其中，Ri是波长为i时的反射率；大多数反射率曲线都带有噪音，利用这个方法将会把噪音形成的波峰也提取出来，噪音造成局部振动的幅度较小，远低于主体曲线的振幅；为了消除噪声的影响，设定一个振幅阀值，在众多的波峰点中，振动幅度大于阀值的点予以保留，作为特征点，振动幅度小于或等于阀值的点不予记载，当作是噪音；具体实现通过MATLAB软件中的fi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种建立城市河网水体光谱库的方法，包括步骤如下：一、数据的录入第一批次入库的数据，该数据包括多源数据和参数的反演模型，所述的多源数据包括光谱反射率数据、水质参数数据、环境配套参数数据和照片数据；所述参数的反演模型包括化学需氧量浓度反演模型、悬浮物浓度反演模型、五日生化需氧量浓度反演模型、总氮浓度反演模型、总磷浓度反演模型和叶绿素a浓度反演模型；1）多源数据的采集：①光谱原始数据采集：光谱原始数据来自地面野外光谱测量，光谱仪采用的是ASD便携式野外光谱仪Pro?FR，其波长范围350?2500nm，光谱分辨率为1nm；通过光谱仪得到的光谱原始数据包括：太阳光在水面上的入射辐亮度（Ed(0+)），天空漫散射光辐亮度（Lsky），水表面辐亮度（Lsw）；②水质参数数据：水质参数包括化学需氧量浓度、悬浮物浓度、五日生化需氧量浓度、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度；在光谱原始数据采集的同时采集水样以获得上述水质参数数据；③环境配套参数数据:环境配套参数包括采集时间、经纬度、水温、天空状况、风速、水面状况和样点文字描述；④照片数据：照片数据包括采样点水面照片、周围环境照片和采集过程照片；2）数据预处理：①光谱反射率数据的计算：通过ASD便携式野外光谱仪得到的光谱原始数据包括太阳光在水面上的入射亮度（Ed(0+)），天空漫散射光辐亮度（Lsky），水表面辐亮度（Lsw），需要对光谱原始数据进行转换反射率的计算：首先对上述测量到的数据分析统计，排除异常数据，然后求出原始数据平均值，减少误差；利用公式LW=Lsw?r*Lsky，式中LW为离水辐亮度，其中平静水面取r=0.022，由此得离水辐亮度LW；根据公式R(s)=LW/Ed(0+)，式中R(s)是光谱反射率数据，LW为前面计算的离水辐亮度，Ed(0+)是太阳光在水面上的入射亮度；②去除噪声的处理：对上述得到的光谱反射率数据，利用均值法进行降噪处理，计算公式为R(λi)=[R(λi?1)+R(λi)+R(λi+1)]/3，式中R(λi)是波长为λi的光谱反射率数据，R(λi?1)、R(λi+1)为相邻波长的光谱反射率；③数据编号：对光谱反射率数据、水质参数数据、环境配套参数数据和照片数据进行统一的编号；3）反演模型的建立：①水体反射率光谱特征提取：水体的反射率光谱特性是由其中的各种物质对光辐射的吸收和散射性质决定的，是遥感监测的基础；光谱特征提取包括：提取波峰位置、波谷位置；提取波峰位置：光谱反射率曲线由众多连续排列的离散点组成，其波峰值要大于两肩的数值，所以判断波峰的条件为Ri>Ri?1且Ri>Ri+1；其中，Ri是波长为i时的反射率；提取波谷位置：波谷值要小于两肩的数值，所以判断波谷的条件为Rir=Σ(x-x‾)(y-y‾)Σ(x-x‾)2(y-y‾)2③式中x为双波段比值的反射率，y为水质参数浓度；③建立反演模型：根据相关系数分析，选取最大值所对应的波段组合，分别对化学需氧量、悬浮物、五日生化需氧量、总氮、总磷和叶绿素a与所对应最佳波段组合比值进行了回归分析和拟合，回归分析拟合模型包括线性拟合、多项式拟合（二次多项式、三次多项式）、指数模型拟合、幂函数模型拟合，并计算拟合结果的相关系数(R2)和均方根误差(RMSE)作为水质参数反演模型输入反演模型入库；4)数据的入库标准光谱库第一批次数据录入：光谱反射率数据、环境参数数据、水质参数数据、照片多源数据以excel格式的数据入库，同时入库的还有第一批次水质参数反演模型；光谱库后续批次的数据录入：后续批次数据录入前首先判断光谱库中是否存在相同城市相同季节的水质参数反演模型，如果存在，则只录入光谱反射率数据、环境参数数据、水质参数数据、照片多源数据；如果不存在同类型的反演模型，则需要录入上述多源数据和新类型的反演模型；以上数据以excel文件录入，具体格式如下；环境参数数据录入格式如下：①ID：总编号，命名规则XXXX?XX?XX?XX?XX，年月日时分；②SampID：样点编号，为数据采集时的记录；③Time：采集时间；④E：经度；⑤N：纬度；⑥SampleName：样点水质瓶名称；⑦Temperature：水温；⑧Cloud：云量；⑨Wind：代表风力；⑩Water：代表水表面状况；Remak：备注；水质参数表格格式如下：IDSampleIDSampleNumSampleNameSampleCharCODSSBODTNTPChla①ID：总编号，命名规则X...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘治，邹会杰，谢锋，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：