[發明專利]一種大型淺水湖泊藍藻水華MODIS衛星高精度監測方法

有效

• 申請號: 201410023795.8
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103743700A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 張玉超;馬榮華;段洪濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院南京地理與湖泊研究所
• 主分類號: G01N21/3577
• 分類號: G01N21/3577;G01S17/89
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務所 32230
• 代理人: 徐蓓

技術領域

本發明涉及一種大型淺水湖泊藍藻水華MODIS衛星高精度監測方法。

背景技術

目前，衛星遙感技術在藍藻水華監測中已經得到了廣泛的應用，為獲取藍藻水華的時空分布規律以及藍藻水華的預測預警提供了基礎和依據。但實踐中發現，即使使用同一幅遙感影像，不同部門、不同人員獲取的藻華水華面積存在一定差異，究其原因，主要是包括藻華識別指數不同、藻華指數對氣溶膠的敏感性不同、忽略混合像元的藻華計算以及水生植被的誤判等方面。MODIS（MODerate-resolution?Imaging?spectroradiometer）數據具有較高的時間分辨率(0.5d)和光譜分辨率,且有長時間序列數據,可以生產幾乎實時的圖像,而且該數據質量穩定、獲取容易，成本低廉，是非常理想的監測藻華遙感數據源。

水體遙感反射率R_rs是其水體各種物質的綜合反映，藍藻水華與非水華普通水體光譜上最大的差別在于近紅外波段；水華水體具有較為明顯的反射峰，形成近紅外平臺，而非水華水體沒有，這也是利用衛星監測藻華的依據。國內外較常用的藻華監測算法主要有單波段法、比值法、歸一化植被指數法（Normalized?Difference?Vegetative?Index,NDVI）、增強型植被指數法（Enhanced?Vegetation?Index,EVI）、浮游藻類指數法(Floating?algae?index，FAI)等5種。

表1MODIS藻華水體各類識別模式

首先，衛星傳感器接收到的信號為TOA（Top?of?Atmosphere）總輻亮度，包括離水輻亮度、大氣分子散射（也稱Rayleigh散射）、氣溶膠散射、海面白帽以及太陽直射輻射在海面的反射等，其中來自水體的離水輻射約占10%，大氣的程輻射約占90%（Kirk，1994），水體信息的小信號信息幾乎淹沒在大氣中，因此大氣影響的剔除在水色遙感反演中顯得尤為重要，大氣校正成為水色遙感的關鍵技術（任敬萍和趙進平，2002）。目前為止，湖泊水體的大氣校正還沒有實現快速、批量的業務化處理，大多仍舊使用陸地光學遙感中基于輻射傳輸的大氣校正方法(Dekker?et?al.,2001;Ammenberg?et?al.,2002;王建平等,2003;馬榮華和戴錦芳，2005b;唐軍武等,2005;尹球等,2005;吳傳慶等,2006;Duan?et?al.,2008)。但是由于湖泊水體受人類活動的影響更為強烈，物質陸源較多，不同湖泊的水質、物質組成等差異較大，近紅外波段散射特性的變化具有很大的不確定性；湖泊水體面積一般較小，受陸地的影響，氣溶膠變化較為強烈，而水體在近紅外波段的信號很弱，難以準確測量；另外，湖泊中存在大面積的光學淺水，離水輻射除包含來自水體的貢獻外，也包含來自湖底底質的貢獻。因此，高精度地獲取近紅外波段水體離水輻射的迭代關系存在很大困難，基于兩個近紅外波段（765和865nm）離水輻射為零的、被廣泛采用的Gordon標準大氣修正算法已不再適用；而傳統的基于輻射傳輸模型的校正方法需要實時實地的大氣參數，目前尚不能實現業務化。盡管目前國際水色遙感界已提出了多種針對“亮像元”（即近紅外離水輻射非零）的大氣校正算法(Zhao?and?Nakajima,1997;Arnone?et?al.,1998;Ruddick?et?al.,2000;Hu?et?al.,2000;Lavender?et?al.,2005;Vidot?and?Sante,2005)，但基本還處于區域性試驗階段。

衛星影像都是柵格影像，像元大小取決于空間分辨率；如MODIS衛星影像最高空間分辨率為250m，低空間分辨率較低不利于識別出藻華較為破碎的空間分布特征。按照現有傳統藻華監測方法，MODIS影像中像元僅識別為藻華像元和非藻華像元，忽略了混合像元的情況，如果藻華識別閾值設置比較保守，僅僅能識別出全部被藻華覆蓋的區域，忽略了部分被藻華覆蓋的區域，如果藻華識別閾值設置寬松，盡管包括了部分被藻華覆蓋的混合像元，但該混合像元中沒有藻華的區域面積也會被一起統計，將會導致藻華覆蓋總面積增加。因此，利用MODIS數據準確估算藻華的實際覆蓋面積，混合像元中蓋度計算成為亟待解決的一個科學問題。

此外，水華與水生植被光譜類似，目前所有算法都很難實現完全區分，實現業務化運行。