[發(fā)明專利]水體總氮濃度間接遙感反演方法、存儲介質(zhì)和終端設(shè)備

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110280466.1
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN113049499A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王敬哲;石鐵柱;胡忠文;鄔國鋒;李清泉
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳大學(xué)
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G01N21/47;G06F17/13;G06N20/00
• 代理公司: 深圳市君勝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉;溫宏梅

本發(fā)明公開水體總氮濃度間接遙感反演方法、存儲介質(zhì)和終端設(shè)備，包括步驟：獲取野外水體總氮濃度、野外挺水植物的生化組分特征參數(shù)和野外挺水植物的反射光譜；獲取室內(nèi)水體總氮濃度、室內(nèi)挺水植物的生化組分特征參數(shù)和室內(nèi)挺水植物的反射光譜；對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；基于預(yù)處理數(shù)據(jù)，利用多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型分別對水體總氮濃度進(jìn)行估算，得到各水體總氮濃度估算模型；采用改進(jìn)加權(quán)先驗方法對各水體總氮濃度估算模型進(jìn)行融合，得到?jīng)Q策級融合模型；獲取研究區(qū)的反射光譜，并依據(jù)所述決策級融合模型得到研究區(qū)的水體總氮濃度。本發(fā)明提供的水體總氮濃度間接遙感反演方法實現(xiàn)了水體氮濃度準(zhǔn)確、高效遙感檢測，克服了傳統(tǒng)水環(huán)境遙感難以直接反演水體總氮濃度的困難。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種水體總氮濃度間接遙感反演方法、存儲介質(zhì)和終端設(shè)備。

背景技術(shù)

水質(zhì)監(jiān)測是流域水資源評價與流域水環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵內(nèi)容，科學(xué)、客觀的評價水質(zhì)是水環(huán)境研究的重要環(huán)節(jié)，是控制水污染的重要前提，也是合理開發(fā)利用水資源的重要內(nèi)容。水質(zhì)監(jiān)測可以協(xié)助政府部門了解水資源的水質(zhì)現(xiàn)狀，進(jìn)而采取必要的預(yù)防措施或是制定有效的治理方案，對水資源的有效保護(hù)具有實際參考意義。城市水體多屬緩流水體和淺水水域，生態(tài)基流匱乏、自凈能力差、停留時間長，總氮濃度過高會使得水體存在較高的富營養(yǎng)化風(fēng)險。在這種情況之下，以水體總氮濃度為代表的水環(huán)境監(jiān)測已成為具有重要意義的工作。

傳統(tǒng)的河湖總氮濃度監(jiān)測經(jīng)常通過布設(shè)水質(zhì)采樣點來實現(xiàn)，需要花費大量的人力物力，而且存在空間覆蓋不連續(xù)和時間覆蓋不規(guī)律的問題，難以捕捉全面且動態(tài)的水體總氮濃度信息。近年來，遙感技術(shù)的快速發(fā)展不斷拓寬了遙感水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用前景。目前，內(nèi)陸水體環(huán)境的遙感監(jiān)測是水環(huán)境遙感研究的一個重要方向，其當(dāng)前主要發(fā)展趨勢體現(xiàn)為：(1)數(shù)據(jù)源由從單一波段發(fā)展到多波段，單一傳感器器到多傳感器相結(jié)合；(2)遙感水質(zhì)監(jiān)測從簡單定性分析發(fā)展到定量，指標(biāo)從分散到集成；從區(qū)域尺度擴(kuò)展到全球范圍業(yè)務(wù)化產(chǎn)品方向發(fā)展；(3)水環(huán)境遙感監(jiān)測模型從最初的分析模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭鸩桨l(fā)展到半經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)器學(xué)習(xí)模型。就具體的監(jiān)測指標(biāo)而言，水環(huán)境遙感涉及的參數(shù)可以簡單分為兩類。①直接相關(guān)參數(shù)：葉綠素a、藻藍(lán)素、懸浮物、無機(jī)懸浮物、溶解有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳等，這些物質(zhì)都具有一定的光學(xué)特性，對自然光具有吸收和散射作用，進(jìn)而影響并主導(dǎo)著整個水體的光學(xué)特性變化，這種變化能夠通過遙感光譜信號得以反映。②間接相關(guān)參數(shù)：透明度、濁度、營養(yǎng)鹽[總氮、總磷]、富營養(yǎng)化指數(shù)等，這類指標(biāo)不是光學(xué)活性物質(zhì)，但是與光學(xué)活性物質(zhì)存在交互作用。換言之，直接參數(shù)可以通過生物光學(xué)模型實現(xiàn)物理反演，而以總氮濃度等間接相關(guān)參數(shù)只能通過經(jīng)驗關(guān)系進(jìn)行經(jīng)驗推算。

然而，目前遙感技術(shù)主要應(yīng)用在水質(zhì)的物理指標(biāo)監(jiān)測中(水表溫度、葉綠素、總懸浮物、水體渾濁度、有色可溶性有機(jī)物等)，但在與水體富營養(yǎng)化關(guān)系更為密切的水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)監(jiān)測方面，尤其是總氮濃度這一指標(biāo)雖進(jìn)行了嘗試性的實驗，但是應(yīng)用成果不佳。

濕地植物可以有效吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)，因而植物組織葉綠素與氮含量與水中氮濃度存在一定的關(guān)系。挺水植物植株高大，絕大多數(shù)有莖、葉之分，直立挺拔，下部或基部沉于水中，根或地莖扎入泥中生長，上部植株挺出水面，其發(fā)達(dá)的植物根系可以將可吸收營養(yǎng)鹽、重金屬或有機(jī)物富集于體內(nèi)。具體而言，其除氮途徑主要為：①可以通過根系直接吸收；②為微生物提供附著表面并為微生物提供氧氣促進(jìn)硝化作用；③根系通過釋放分泌物為微生物提供碳源，從而促進(jìn)微生物反硝化作用并促進(jìn)有機(jī)物的分解。已有研究表明，包括蘆葦、荷花、水蔥、蘆竹、香蒲、菖蒲、鳶尾、美人蕉和石菖蒲等在內(nèi)的多種挺水植物對城市水體中的氮具有吸收功能。

氮素是挺水植物生長過程中最為重要的營養(yǎng)元素之一。植物反射光譜對于外源性氮素的變化較為敏感，生長過程中供氮水平會對其生長狀況造成明顯的影響。“紅邊”(680-750nm波段區(qū))是植物反射率在近紅外線波段接近與紅光交界處快速變化的區(qū)域，如圖1所示。當(dāng)植物生長旺盛、色素含量高時，紅邊位置會向長波方向移動，稱為“紅移”；而當(dāng)植物遇到環(huán)境脅迫或葉片老化等因素時，紅邊會向短波方向移動，稱為“藍(lán)移”。因此，植物反射光譜特性可被視作其營養(yǎng)狀況的重要指示特征，這一理論已經(jīng)在文獻(xiàn)中得到廣泛應(yīng)用與證實。