[發(fā)明專利]基于無人機(jī)載高光譜圖像估算近海總懸浮物濃度的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010916321.1
• 申請日: 2020-09-03
• 公開（公告）號: CN112051226B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蓋穎穎;禹定峰;周燕;楊雷;王章軍;潘新;龔金龍;鄧偉;解維浩
• 申請（專利權(quán)）人: 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/47;G06V20/10
• 代理公司: 青島聯(lián)智專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 37101
• 代理人: 王艷珍

本發(fā)明公開了一種基于無人機(jī)載高光譜圖像估算近海水體總懸浮物濃度的方法，包括以下步驟：無人機(jī)載設(shè)備獲取海水高光譜圖像；對無人機(jī)載海水高光譜圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理圖像；獲取反演敏感波段；建立反演模型；將所述預(yù)處理圖像輸入至所述反演模型，獲得總懸浮物濃度分布數(shù)據(jù)，并輸出總懸浮物濃度分布圖像。本發(fā)明針對無人機(jī)載高光譜圖像研究近海總懸浮物濃度遙感反演算法，從光譜質(zhì)量和反演模型兩個(gè)層面出發(fā)，利用現(xiàn)場測量光譜對圖像光譜進(jìn)行校正，使圖像光譜接近現(xiàn)場測量光譜，提高圖像光譜質(zhì)量，通過改進(jìn)總懸浮物濃度反演算法，使總懸浮物濃度與波段組合的回歸關(guān)系在對數(shù)和線性模型間獲得最優(yōu)擬合，反演精度和可靠性得到較大提高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水質(zhì)參數(shù)遙感反演技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種基于無人機(jī)載高光譜圖像估算近海水體總懸浮物濃度的方法。

背景技術(shù)

近海水域是全球生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，為人類提供多種生態(tài)服務(wù)，如水產(chǎn)養(yǎng)殖、灌溉、旅游等。隨著近海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近海生態(tài)環(huán)境遭到破壞，綠潮、藍(lán)藻等富營養(yǎng)化現(xiàn)象逐年上升，嚴(yán)重影響海洋生物生存和人類健康。近海水質(zhì)監(jiān)測為近海環(huán)境評估和管理提供了指導(dǎo)依據(jù)。總懸浮物(TSM,mg/L)是指懸浮在水中的固體物質(zhì)，主要包括懸浮泥沙和浮游植物，其濃度是水質(zhì)監(jiān)測和評價(jià)的重要指標(biāo)之一，對水體營養(yǎng)鹽及污染物的運(yùn)輸、光在水體中的傳輸、表層沉積物的分布特征及運(yùn)輸趨勢等有重要影響。總懸浮物與其他水質(zhì)參數(shù)關(guān)系密切，是近岸海域水質(zhì)的良好代表。

針對總懸浮物濃度的監(jiān)測，傳統(tǒng)的船舶現(xiàn)場方法成本高、時(shí)效性差，星載高光譜遙感不僅能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)序、同步、大面積觀測，而且為水質(zhì)評估提供了精細(xì)的水體光譜信息，成為海洋水色參數(shù)監(jiān)測的有效手段之一。如利用HJ-1A、GOCI、Landsat、MODIS等衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取了近海總懸浮物濃度的時(shí)空變化。但是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，星載高光譜技術(shù)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像的高空間分辨率，制約了空間維度上信息的獲取。尤其對于受人類活動(dòng)影響較大的近海水域，因?yàn)榻Ｋ蚴艿讲煌鈱W(xué)組分，包括總懸浮物、葉綠素a和有色可溶性有機(jī)物的獨(dú)立影響，不僅光譜特征復(fù)雜，而且小范圍內(nèi)可能產(chǎn)生較大的光譜差異。

機(jī)載高光譜遙感具有集高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和圖像采集靈活于一體的優(yōu)勢，為區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用提供了新途徑。光譜分辨率在10-2λ數(shù)量級范圍內(nèi)的光譜圖像稱為高光譜圖像。Mohammad H G等總結(jié)了水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用中常用的機(jī)載高光譜儀，指出機(jī)載高光譜傳感器在配置和測量時(shí)間方面具有高度靈活性，最適合測量小尺度研究區(qū)的水質(zhì)參數(shù)。基于機(jī)載高光譜傳感器的小尺度水域水質(zhì)參數(shù)反演的研究很多，比較常用的機(jī)載成像光譜儀有AISA、HyMap、AVIRIS和CASI等。但是，這類傳感器成本高、部署困難，難以廣泛應(yīng)用，低成本、低空無人機(jī)搭載的高光譜成像儀在快速評估近海或難以到達(dá)的水域的水質(zhì)任務(wù)中呈現(xiàn)出優(yōu)勢，近年來在環(huán)境遙感方面顯示出巨大的價(jià)值。

海水的光譜特征和水體中各組分的復(fù)雜光譜相互作用已經(jīng)開展了廣泛的研究，并建立了一系列基于經(jīng)驗(yàn)、半分析和分析方法的總懸浮物反演模型。經(jīng)驗(yàn)方法是根據(jù)總懸浮物濃度與單通道或多通道反射率之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系建立的，方法簡單，易于建立。許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵呀?jīng)在實(shí)際衛(wèi)星遙感系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但其適用范圍往往局限于特定地區(qū)。半分析和分析模型，如多波段準(zhǔn)解析算法(QAA)和一些查找表方法可能比經(jīng)驗(yàn)方法更準(zhǔn)確，但它們運(yùn)算復(fù)雜，耗時(shí)較長，并且對輸入和模型參數(shù)更敏感。有研究表明，對于復(fù)雜河口和沿海地區(qū)的海色遙感，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿匀皇且粋€(gè)很好的選擇。但是，其他地區(qū)開發(fā)的總懸浮物反演模型并不完全適用于近海的復(fù)雜水域。例如，針對中國黃、東海二類水體總懸浮物濃度反演，唐軍武等提出了NSOAS模型，是在Tassan模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。NSOAS模型特別適用于預(yù)測公海水域的總懸浮物濃度，但在復(fù)雜的沿海則很快失去了預(yù)測能力。越靠近海岸，水體變得越來越復(fù)雜，由于葉綠素a、有色可溶性有機(jī)物的豐富性導(dǎo)致光譜特征重疊，用于公海總懸浮物濃度反演的NSOAS算法性能下降。