[發明專利]水體營養鹽和化學需氧量的陸基遙感監測方法

在審

• 申請號: 202110097894.0
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112816421A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 張運林;孫曉;李娜;張毅博;施坤
• 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: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G06N3/02;G06N3/08
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務所 32230
• 代理人: 徐蓓;尹妍

本發明涉及水體營養鹽和化學需氧量的陸基遙感監測方法，利用架設于岸邊的高光譜成像儀采集不同水體類型、不同觀測場景下的水體遙感反射比，與采集的表層水樣中測定的濃度數據匹配獲得同步觀測數據，形成同步樣本數據集，利用機器學習模型訓練數據集，建立總氮、總磷、化學需氧量反演模型，最后將建立的反演模型應用至高光譜成像儀，實現無人值守下水體表層氮磷營養鹽和化學需氧量快速實時高頻自動連續監測。本發明首次提出融合到地表水環境監測斷面的營養鹽和化學需氧量陸基遙感監測理念，有望滿足日益增長的河流斷面和近岸水域營養鹽高時空連續動態觀測需求。

技術領域

本發明屬于遙感監測技術領域，具體涉及水體營養鹽和化學需氧量陸基遙感監測方法。

背景技術

清潔水源直接關系到每個人的生命健康與生命安全，是最基本的民生問題，事關國計民生和社會經濟可持續發展。此外，聯合國2015-2030年可持續發展目標6就是要確保獲得足夠清潔飲用水。從20世紀70、80年代開始，隨著我國社會經濟快速發展和流域污染負荷顯著增加，河流、湖泊、水庫、海灣等地表水體水污染、水環境、水資源和水生態問題日益嚴峻。近年來隨著水污染控制、水環境治理、水生態修復和生態文明建設的持續推進，我國地表水體水環境已有明顯改善，但仍面臨嚴峻形勢。

準確快速的水環境監測是掌握我國地表水水質變化特征，開展水環境成因機制分析、評價評估、治理修復和管理考核的重要基石，無論是科學研究還是環境管理以及政府決策很大程度上都非常依賴地表水環境質量監測結果。目前國家及地方生態環境行政主管部門通過在重點河流、湖庫、飲用水源地等設置監測斷面以了解重要水體的污染程度及其變化情況。

氮磷營養鹽和化學需氧量是地表水環境監測的核心指標，傳統的斷面人工采樣監測費時費力且時間和空間頻率均非常低，數據離散，時效性差。水下探頭高頻在線監測能解決時間上的連續觀測，但探頭易于損耗和受水況環境干擾造成監測精度不穩定，可監測指標有限，總氮、總磷、化學需氧量等關鍵參數自動監測結果與常規實驗室監測分析數據存在系統誤差，使用受到限制，并且后期管理和維護成本較高。航空航天和無人機遙感監測能實現不同空間尺度關鍵水質參數的遙感反演，但氮磷營養鹽和化學需氧量觀測精度低，也很難解決時間上連續觀測，并且由于云雨天況和大氣校正影響，其監測效果不佳。并且對于小型湖庫、河流及重要斷面，衛星遙感的低空間分辨率將使其失去監測能力，只能通過Landsat、Sentinel、高分等陸地中高分辨率衛星觀測，但這些衛星重訪周期長、波段寬、信噪比低和非水色波段設置等缺點限制其在小型湖水庫、河流及重要斷面水環境遙感應用。

發明內容

本發明目的在于構建基于陸基(也可稱為地基、岸基)高光譜成像儀的復雜場景下水體營養鹽和化學需氧量遙感監測方法，可以實現不同天況和水況環境下總氮、總磷和化學需氧量的快速實時遙感監測，提升生態環境監測自動化和智能化水平，適用于河流、湖庫、濕地、近海和遠海等不同類型水體，同時操作方法簡便，易于維護，便與推廣和應用。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

水體營養鹽和化學需氧量陸基遙感監測方法，包括如下步驟：

S1、將高光譜成像儀架設于不同類型水體岸邊進行不同觀測場景下水體遙感反射比連續高頻自動觀測；所述不同觀測場景指不同天況、水況的水體遙感反射比；

S2、現場定時采集表層水樣，測定水樣總氮、總磷、化學需氧量濃度數據；

S3、匹配同步觀測的遙感反射比和總氮、總磷、化學需氧量濃度數據，構建覆蓋不同類型水體、各類觀測場景的同步樣本數據集；

S4、利用機器學習模型訓練數據集，建立總氮、總磷和化學需氧量濃度陸基(地基、岸基)遙感反演模型；

S5、將建立的反演模型根植到S1所述高光譜成像儀中，實現無人值守下表層水體氮磷營養鹽和化學需氧量快速實時高頻自動連續監測。