利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2023109522720
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:根据调查区域面

2

积情况,对目标区域进行网格化处理,将整个区域划分成多个面积为1m 的网格,作为空白数据点位,并将目前区域边界作为限定,对整个目标水域区域空白网格数据进行数据处理,数据处理完成后,将浓度相同的点位进行连线来表示FDOM和NFDOM的连续分布且逐渐变化的数量特征,NFDOM表示非荧光溶解有机物;同时通过地理软件结合目标流域实际情况布置调查点位,把调查点位实际监测到的FDOM浓度和NFDOM浓度由小到大分成若干个等级,绘制出FDOM和NFDOM浓度的等值线分布图,模拟FDOM和NFDOM在整个目标流域的分布;

其中,对整个目标水域区域空白网格数据进行数据处理的具体方法为:

将随机场中变量的估计表示为包含随机误差ε的线性系统,则Gauss‑Markov定理的最佳线性无偏预测BLUP表示为选择线性系统参数,使估计值 和观测值Y的方差达到最小,即式中:x0为未知点;{x1,x2,…,xn}为随机场的样本;λ为权重系数;

在各向同性假设下的静态平稳随机场中,数学期望μ(x)与位置无关,并且协方差是点间距离|h|的函数;通常方差函数C是未知的,需要使用变异函数作为近似,此时,变异函数γ也仅与点间距离有关,即E[Y(x)]=μ,

var[Y(x)‑Y(x+h)]=2|C(0)‑C(h)|=2γ(|h|),

定义{Y(x1),Y(x2),…,Y(xn)}为n个调查点位FDOM或CDOM浓度值,表达式和方差如下:式中: 为FDOM与NFDOM浓度值Y在未知点x0处的估计;n为x0处具有的空间相关性经纬度点对数,C(xi,xj)为点xi和xj间的协方差函数,根据BLUP理论,无偏估计条件为所有权重系数之和满足:由此,使用Lagrange乘数法构造如下求解函数:

求解方程组得到权重系数,将所得权重代入式,得到FDOM和NFDOM浓度的无偏估计调查点位实际监测FDOM浓度和NFDOM浓度的具体方法为:步骤一:利用无人机高光谱探测器探测CDOM和荧光激光雷达探测FDOM,同时进行高光谱影像数据与激光雷达点云数据匹配,获得两种数据的空间对应关系;并同步开展了采样点的水质监测工作,选取部分调查点位进行实际采样,实测其CDOM和FDOM浓度;

步骤二:结合高光谱探测器探测的高光谱数据与实测CDOM浓度数据,建立CDOM浓度反演模型;通过反演模型结合调查点位高光谱数据,获得所有调查点位CDOM数据;

步骤三:结合LIF技术探测的荧光数据与实测FDOM浓度数据,建立FDOM浓度反演模型;

通过反演模型结合调查点位荧光光谱数据,获得所有调查点位FDOM数据;

步骤四:结合调查点位的CDOM浓度数据和FDOM浓度数据,得到所有调查点位的NFDOM浓度。

2.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤一中,将高光谱探测器、荧光激光雷达系统连接为一个整体框架,并将该框架挂载于无人机下方;

地面控制台利用无线通信向无人机飞控发送指令至微控制器,微控制器控制高光谱探测器、荧光激光雷达系统、IMU/GPS系统同步进行数据采集;无人机控制系统将荧光激光雷达系统的POS数据同步传输至高光谱探测器,使高光谱探测器、荧光雷达系统探测时具有相同位置信息和时间信息,同时,采集的数据通过无线连接发回地面站计算机;其中,POS数据为无人机的位置数据与姿态数据。

3.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤一中使用重采样方法使遥感探测得到的光谱数据与激光雷达系统产生点云数据的空间分辨率进行匹配,实现高光谱数据和荧光激光雷达点云数据的空间一致性;

若光谱图像数据的图像分辨率低于激光雷达点云数据的空间分辨率,则通过插值方法对光谱图像数据进行重采样;相反,若光谱图像数据的图像分辨率高于激光雷达点云数据的空间分辨率,则通过上采样方法对激光雷达点云数据进行重采样;

重新采样后将激光雷达点云图像转换为2D图像以获得点云网格,点云网格中每个像素的强度值与点云网格中每个脚点的平均强度值相对应,并将点云网格作为参考图像进行光谱图像数据配准,将光谱图像中与激光雷达探测器的波段相匹配的光谱图像数据作为模板图像,进行图像数据匹配,使光谱图像数据和荧光激光雷达点云数据能够空间对应。

4.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤一中,高光谱探测器探测CDOM是通过无人机搭载的高光谱传感器拍摄调查点位的高光谱影像,通过高光谱影像可以直接获取目标位置的各波段的数字量化值DN值,DN值是高光谱传感器接收到辐射进行量化的一个数值,大小与量化深度有关,无单位,无实际意义,通过辐射定标转化为反射率数据,具体采用的辐射定标的方法为将标定板放在高光谱探测器镜头下,通过标定板获得环境光强,从而进行水面反射率计算。

5.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤一中,荧光激光雷达系统探测水体FDOM的过程为:荧光激光雷达系统激光器发射特定波长激光,激光通过系统的发射镜子进行反射最后以特定角度打到水面上,水体中的FDOM吸收激发光后会发射长于激发光波长的荧光;FDOM发出的荧光信号会被荧光激光雷达系统的望远镜接受,经过准直透镜后,通过滤光片到达光敏传感上,被系统接收。

6.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤一中实际采样的深度为水面下0.5m,采用棕色瓶恒温箱低温、避光保存,分别采用紫外‑光度计和分光光度计测出样品的CDOM浓度和FDOM浓度。

7.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤二中,建立CDOM反演模型的具体操作为:从获取的高光谱影像中提取目标位置波长在400‑1000nm的原始光谱信息,通过辐射定标将原始光谱数据转化为反射率光谱数据;

辐射定标方法为:高光谱反射率信息通过反射光强和入射光强得到,反射光强是当前环境的DN值,入射光强是标定板的入射光强,因为标定板的反射率和反射光强已知,所以可以得到当前环境的入射光强;高光谱反射率计算公式如下:式中:ρ1为定标板反射率;DN1为定标板的DN值;DNt为调查点位的DN值;ρt为调查点位的反射率;

光谱分析中,由于不同样品的浓度、温度、压力因素的影响,光谱数据的强度值会有所不同,为消除这些因素的干扰对光谱数据进行归一化处理,以便更准确地分析实测浓度数据与光谱遥感反射率之间的关系,归一化公式如下:式中:λi为第i个波长;i的取值范围为400‑1000;L(λi)为波长λi反射率的初始值;n为波长范围内包含的波长个数;LN(λi)为波长λi归一化后的反射率;

采用波谱内分段法,波谱内间隔10nm分为一个波段,波段内取反射率均值代表整个波段的反射率数据,通过逐波段遍历,采用迭代算法,将各波段遥感反射率数据与CDOM浓度进行Pearson分析,构建相关系数图,选取相关性高的波段反射率比值因子参与建模,Pearson相关性系数的绝对值越高,则所述波段越能表征CDOM浓度变化,相关系数R的表达式如下:式中:xi为第i个调查点位的某波段反射率;为所有调查点位在相同波段的反射率均值;yi为第i个调查点位水质参数的浓度;为所有调查点位的浓度均值;R为相关系数值;

选取相关性最高波段反射率作为自变量,CDOM浓度值作为因变量,建立反演CDOM浓度的线性反演公式:CCDOM=k1×Rrs+α,

式中:Rrs为相关性最高波段的遥感反射率数据;k1为反演公式的系数;α为反演公式的截距,通过结合实测数据分析确定k1和α的值;

通过结合CDOM反演模型和调查点位的高光谱数据,可反演得到所有调查点位的CDOM浓度数。

8.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤三中,建立FDOM反演模型的具体操作为:短波长的光作为激发波长时,FDOM会吸收并释放出波长较长的荧光;Fn(355)定义为激发波长Ex为355nm时,发射波长Em在

440‑470nm中的最大荧光强度,表示FDOM中类腐殖物质的相对浓度水平;类腐殖物质是FDOM中含量相对较多的组分,用来表征FDOM的浓度大小,通常采用水体Fn(355)参数表征水体FDOM浓度;

根据Fn(355)与FDOM浓度之间存在的线性关系,基于荧光峰值强度经验模型反演算法公式:CFDOM=k2×Fn(355)+β,

式中:Fn(355)为激发波长Ex为355nm时,发射波长Em在440‑470nm中的最大荧光强度;k2为反演公式的系数;β为反演公式的截距,通过结合实测数据分析确定k2、β的值;

通过结合FDOM反演模型和调查点位的荧光光谱数据,可反演得到所有调查点位的FDOM浓度数。

9.根据权利要求1所述的一种水体CDOM荧光及非荧光物质分布遥感探测方法,其特征在于:所述步骤四中,NFDOM浓度的计算公式如下:CNFDOM=CCDOM‑CFDOM,

式中:CCDOM为调查点位CDOM浓度数据;CFDOM为调查点位FDOM浓度数据;CNFDOM为调查点位NFDOM浓度数据。