浑浊湖泊总磷浓度遥感估算方法技术

本发明专利技术涉及浑浊湖泊总磷浓度遥感估算方法，基于MODIS的R

【技术实现步骤摘要】
浑浊湖泊总磷浓度遥感估算方法


[0001]本专利技术涉及遥感
，具体涉及浑浊湖泊总磷浓度遥感估算方法。

技术介绍

[0002]湖泊不仅是陆地生态系统的重要组成部分，更是当地人类生产生活的保障。然而，近几十年来全球经济迅速发展，人类活动导致大量污染物排放入湖，湖泊富营养化变成了全世界面临的挑战，受到社会各界越来越多的关注(Jones and Lee,1982；Le et al.,2010；Ma et al.,2010)。截止至2012年，全球超过60％的大型湖泊(面积>25km2)属于高度富营养化(Wang et al.,2018)。作为导致湖泊富营养化的主要营养盐之一，磷被公认是淡水生态系统的主要限制性营养盐(Hecky and Kilham,1988；Howarth and Marino,2006；Schindler,2006)，因此利用遥感手段确定湖泊总磷浓度时空分布及其来源，可以为湖泊富营养化治理提供依据。
[0003]磷和光学活性物质之间的密切关系，虽然有些研究通过统计方法发现了对磷浓度较为敏感的光谱波段，但是不同的研究中得到的结论存在显著差异。例如，Kutser等(1995)发现415
‑
455，655
‑
685和405
‑
605nm波段能被用来估算Lake Peipsi的磷浓度。龚绍琦等(2008)发现总磷在350nm处有一明显的反射峰；徐良将等(2013)等认为671nm和680nm的波段比值对总磷浓度较为敏感；Isenstein和Park(2014)使用了红光波段和近红外波段成功估算了Lake Champlain的总磷浓度。
[0004]此外，湖泊磷浓度遥感估算模型的构建也存在显著差异。目前，水体磷浓度遥感模型构建方法主要分为两类：1)直接推导法，利用反射率和实测磷浓度之间的统计关系，通过多元逐步回归等传统方法，推导出总磷浓度，直接推导法过程简单，往往能取得良好的结果，因此运用广泛(Gao et al.,2015；Isenstein and Park,2014；Li et al.,2017；Lim and Choi,2015；Xiong et al.,2019；杜成功等,2016；王丽艳等,2014；徐良将等,2013)；2)间接推导法，其原理是基于总磷和光学活性物质之间的关系，一般先通过光学活性物质浓度推导总磷浓度，然后根据已发表研究选取光学活性物质的算法或者波段构建总磷估算算法，由于间接推导法过程复杂，而且两步方法容易折损精度，因此不如直接推导法应用广泛(Chen and Quan,2012；Hui and Yao,2016；Wu et al.,2010；Xiong et al.,2019；刘瑶和江辉,2013)。
[0005]由于内陆浑浊水体远比大洋水体复杂，富营养化湖泊中总磷赋存状态不稳定、和光学活性物质关系复杂，总磷浓度与反射光谱及水体组分的关系难以通过统计关系表达。不仅如此，目前，大多研究仅针对单个湖泊展开，得到的结果缺乏普适性，无法估算大区域范围内和长时间尺度下的湖泊群总磷浓度。
[0006]参考文献：
[0007]Chen,J.and Quan,W.T.2012.Using Landsat/TM imagery to estimate nitrogen and phosphorus concentration in Taihu Lake,China.Ieee J
‑
Stars 5(1),273
‑
280.
Environ 217,444
‑
460.
[0021]Wu,C.F.,Wu,J.P.,Qi,J.G.,Zhang,L.S.,Huang,H.Q.,Lou,L.P.and Chen,Y.X.2010.Empirical estimation of total phosphorus concentration in the mainstream of the Qiantang River in China using Landsat TM data.Int J Remote Sens 31(9),2309
‑
2324.
[0022]Xiong,J.F.,Lin,C.,Ma,R.H.and Cao,Z.G.2019.Remote Sensing Estimation of Lake Total Phosphorus Concentration Based on MODIS:A Case Study of Lake Hongze.Remote Sens
‑
Basel 11(17).
[0023]杜成功，李云梅，王桥，朱利和吕恒.2016.面向GOCI数据的太湖总磷浓度反演及其日内变化研究.环境科学：37(3)，862
‑
872.
[0024]龚绍琦，黄家柱，李云梅，陆皖宁，王海君和王国祥.2008.水体氮磷高光谱遥感实验研究初探.光谱学与光谱分析：28(4)，839
‑
842.
[0025]刘瑶和江辉.2013.鄱阳湖表层水体总磷含量遥感反演及其时空特征分析.自然资源学报：(12)，2169
‑
2177.
[0026]王丽艳，李畅游和孙标.2014.基于MODIS数据遥感反演呼伦湖水体总磷浓度及富营养化状态评价.环境工程学报：8(12)，5527
‑
5534.
[0027]徐良将，黄昌春，李云梅和陈霞.2013.基于高光谱遥感反射率的总氮总磷的反演.遥感技术与应用：28(4)，681
‑
688.。

技术实现思路

[0028]本专利技术的目的在于提供一种可适用于浑浊湖泊的总磷浓度遥感估算方法，不仅在空间范围上可以用于不同湖泊的总磷浓度估算，而且在时间尺度上能模拟长时间总磷浓度变化。
[0029]为达成上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0030]一种浑浊湖泊总磷浓度遥感估算方法，包括如下步骤：
[0031]1)构建总磷建模变量集，所述变量集由如下数据构成：
[0032]遥感各波段遥感反射率数据R
rc
、其不同形式的数学变换及组合数据，像元FAI数值及像元时空信息；
[0033]2)计算变量集中所有变量的重要性指数，将变量按照重要性指数降序排序，作为输入参数依次输入BST模型，将星地同步调查得到的实测总磷浓度数据作为模型输出，进行模型训练，根据模型精度筛选出敏感变量，获取反演模型。
[0034]作为本专利技术的进一步改进，还包括，分析湖泊水体光学活性和磷赋存特征，判断湖泊水体是否属于浑浊水体，对于浑浊水体，基于所述步骤进行湖泊总磷浓度估算。
[0035]进一步的，利用实测水体光学活性物质的吸收系数(包括：浮游植物色素吸收系数a
ph
，非色素颗粒吸收系数a
d
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种浑浊湖泊总磷浓度遥感估算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)构建总磷建模变量集，所述变量集由如下数据构成：遥感各波段遥感反射率数据R
rc
、其不同形式的数学变换及组合数据，像元FAI数值及像元时空信息；2)计算变量集中所有变量的重要性指数，将变量按照重要性指数降序排序，作为输入参数依次输入BST模型，将星地同步调查得到的实测总磷浓度数据作为模型输出，进行模型训练，根据模型精度筛选出敏感变量，获取反演模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，分析湖泊水体光学活性和磷赋存特征，判断湖泊水体是否属于浑浊水体，对于浑浊水体，基于所述步骤进行湖泊总磷浓度估算。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于叶绿素a和总悬浮物浓度进行水体光学活性分析，利用Pearson系数判断二者之间的关系。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，遥感数据源为MODIS level
‑
1B影像数据。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括，对影像数据进行预处理：利用SeaDAS，基于辐射传输模型产生的查找表对MODIS level
‑
1B影像数据进行水汽、臭氧吸收和瑞利散射的校正，得到R
rc
数据；之后以R
rc,2130
<0.021为依据，提取湖泊水体，去除云和陆地覆盖的影像区域，对预处理后的R
rc
数据进行变量集构建。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述遥感各波段遥感反射率数据R
rc
的不同形式...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊俊峰，曹志刚，林晨，胡旻琪，陈曦，马荣华，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：