一种水体遥感监测方法和装置与流程

本发明属于水质监测领域，尤其涉及遥感水质监测。

背景技术：

现阶段对水质监测的常规手段是通过在监测水域内布设采样点采集水样，通过实验仪器分析得到污染水质的各种物质成分，进而分析水质的污染状况，各种污染物质的浓度。这种方法得到的是采样点采样时刻的水质状况，不能得到整个水域的污染状况。如果采用这种方法对河流、湖泊等广域分布水域的水环境实施面覆盖监测，不仅是一项消耗极大人力物力财力的工作，甚至困难到无法实施。

目前对水体面状污染的监测采取遥感监测方法。基于多光谱遥感图像进行面状水域污染监测和研究的基础数据是多光谱遥感图像。图像像元值是水体的体散射辐射能量离水返回传感器的光谱能量和水面反射能量为主体的叠加。外部辐射能量在进入水体过程中，被水体吸收的同时也在散射。入射能量在进入水体中，随着透射的光程路径的增加，吸收和散射特征也在改变，辐射能量穿透深度与水体的污染有关。深度对离水散射能量也会产生影响。透明度高的深水区入射能量在向下传输的过程中被衰减很多，最终离水辐射能量很低。在透明度高的水体浅水区，辐射到达河床和水底后仍然较强，河床和水底反射光谱能量也作为离水辐射能量的一部分进入遥感传感器。电磁波在水中的穿透深度是一个随污染浓度变化的函数。当水体内污染物质浓度使辐射能量不能到达水体基底且污染浓度分布不均匀时，辐射能量在各处的穿透深度就构成非等深面。当水深较浅时，与污染程度相关性较低的水底物质反射能量也成为反射能量的一部分。由于自然界实际的江河湖海的水质和深度变化是一种随机的不确定性组合条件，多光谱遥感定量反演水质参数模型所用的多光谱图像数据并不是在一种相同环境条件下获取的。现在基于遥感图像光谱能量对污染的反演都忽略了“水体体散射深度不同”、“河床和湖泊水底底质差异”这一前提，因此基于这些图像导出的反演模型具有先天性缺陷，其结果误差较大，数据真实性较低，普适性与可用性较差。所以现有基于遥感图像用于污染的定量分析的方法不能实用。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术的不足，基于水体的光谱反射率设计了一种水体的遥感监测装置，用于对面状水体进行遥感监测。

一种水体遥感监测装置，包括成像部分和漂浮部分，

所述成像部分包括：

航天或航空遥感平台的遥感成像装置，其中，所述成像装置用于拍摄、存储水体表面图像，

所述漂浮部分包括：

锚1，用于固定所述水体遥感监测装置的位置，其中，使所述水体遥感监测装置在水流运动环境下的位移始终保持在误差允许的范围，误差范围为经验值，

固定在水体不同深度处的白板4，其中，所述白板4具有相同的反射特性，

连接锚1和白板4的支撑装置2，其中，所述支撑装置2为刚性结构，用于固定白板4和连接锚1，

漂浮装置3，安装在支撑装置2上，其中，所述漂浮装置3用于使所述水体遥感监测装置能够在水体中保持一定的姿态和深度。

进一步地，所述支撑装置2分为水上部分和水下部分，其中，水下部分的底端与锚1相连，漂浮装置3安装在支撑装置2水下部分，所述支撑装置2水上部分和水下部分分别连接有白板4，与支撑装置2水下部分相连的白板4称为水下白板4，与支撑装置2水上部分相连的白板4称为水上白板4。

进一步地，所述水上白板4的数量大于等于1，所述水下白板4的数量大于等于2。

进一步地，所述水下白板4处于不同的水深处。

进一步地，所述水下白板4有与水平面高度差为5cm、10cm或20cm。

进一步地，水下白板4在水平位置上相互不重叠。

进一步地，白板4的尺度大于等于成像装置像素地面尺度的2倍。

进一步地，水上白板4与水下白板4的之间的水平距离大于等于成像装置地面尺度的3个像元。

一种水体的遥感监测方法，包括如下步骤：

s1、在监测区域内多点布置水体遥感监测装置的漂浮部分；

s2、利用水体遥感监测装置的成像部分进行成像，同时获取一个水体遥感监测装置的漂浮部分的水下白板4和水上白板4的光谱反射能量的数据；

s3、基于s2所述光谱反射能量的数据计算出不同深度的水下白板4的光谱反射率；

s4、对监测区域内多点布置的水体遥感监测装置的漂浮部分进行遍历操作，遍历s2-s3，得出监测区域内布置的全部水体遥感监测装置的漂浮部分的不同深度的水下白板4光谱反射率，记作a；

s5、将监测区域内水体遥感监测装置的漂浮部分的邻域自然水体的光谱能量像元值与s4所述a建立映射关系，对全图像像元值进行辐射能量值到反射率值的变换；

s6、生成监测区域内水体光谱反射率图像；

s7、基于s6所述水体光谱反射率图像与污染指标的数学关系式，构成的网节点之间内插生成监测水域的污染指标专题图。

本发明的有益效果是：

在几何分辨率不是很高的情况下，减少在水域的提取过程中的一些误差，提高对河流水质的监测的准确性。

附图说明

图1为本发明装置图剖面图。

图2为电磁波与水体的相互作用示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

首先，对遥感技术水质监测的指标进行介绍：

物理指标，包括温度和悬浮物。

通过热红外技术对热污染水体进行监测，用标准的水体进行对比，即可完成对温度的监测。

对于非色素悬浮物，它对电磁辐射强烈散射，随着悬浮物浓度的增高，会使得原本辐射不强烈的波段上表现出强烈的辐射，依据悬浮物对水体的散射特性，随着悬浮物浓度的增加，其反射率在整个波长范围内都要增加。

化学指标，包括黄色物质。

黄色物质主要成分为可溶有机碳，它的光谱反射特征是在蓝光波段表现为吸收而且在黄光波段表现为强散射，根据这些特点可以对黄色物质进行遥感监测。

生物指标中，包括叶绿素。

叶绿素作为水中植物光合作用的最主要色素，影响着生物的生产能力，它的含量也可以反映出水体的营养状况，是水质监测中的一个很重要指标。

其他指标，包括常见的物质，例如石油、ph、bod、cod等。

对于石油污染的监测可以利用紫外遥感的方式，对于其他的物质，一般采取间接的方法来监测，通常引入一个中间量，通过对中间量的监测，最后转换为对监测对象物质的监测。

本发明实施例选用亚光陶瓷白板作为水上白板和水下白板。标准陶瓷白板相比聚四氟乙烯材质白板具有耐污染性和反复清洗的优势，在空气中用成像光谱仪测得其在波段上的白板能量值；其次，将标准白板置放于水样测试容器中固定，向容器中加入一定悬浮物浓度的河流水样，用成像光谱仪测得水体重白板的能量值。在不同浓度的悬浮物质和不同深度我们观察到水体下物质的透射性是不一样的，浓度与深度和透射率是呈现出负相关的，假设浓度和深度对传感器每次的能量影响是e0；最后，通过浓度和深度的改变，来观察传感器接收能量值的改变，由此便可以的到传感器接收的辐射能量其公式如下：该装置是一个漂浮于水面的装置(图1)，装置的水面之上部分布置有白板，装置在不同的水深位置放置多块白板，分布在不同空间位置的白板在垂直成像或倾斜成像时都能在图像空间上清晰分开。当飞行器携带多波段遥感传感器对准该水域成像后，就获得了该位置从水面以上直接反射和不同给定水深处白板散射反射的水体光谱能量。以水面之上白板的像元值和水中白板的像元值进行比值处理，得到该装置处与污染水体指标相关的反射率图像。可以由反射率图像反演出该像元值对应的污染指标值。该装置所处位置的自然状态的水体污染指标由此确定。以该处自然状态水体的图像像元值作为参考标准，形成其周围水体的污染指标面状分布图。

将本发明所述的多个装置合理分布于河流、湖泊的多处，形成的多个面状水域污染参数，连接为更大的面状污染分布图。

s1、如图1所示，在监测区域内多点布置水体遥感监测装置的漂浮部分；

s2、利用水体遥感监测装置的成像部分进行成像，同时获取一个水体遥感监测装置的漂浮部分的水下白板4和水上白板4的光谱反射能量的数据；

s3、基于s2所述光谱反射能量的数据计算出不同深度的水下白板4的光谱反射率；

s4、对监测区域内多点布置的水体遥感监测装置的漂浮部分进行遍历操作，遍历s2-s3，得出监测区域内布置的全部水体遥感监测装置的漂浮部分的不同深度的水下白板4光谱反射率，记作a；

s5、将监测区域内水体遥感监测装置的漂浮部分的邻域自然水体的光谱能量像元值与s4所述a建立映射关系，对全图像像元值进行辐射能量值到反射率值的变换；

s6、生成监测区域内水体光谱反射率图像；

s7、基于s6所述水体光谱反射率图像与污染指标的数学关系式，构成的网节点之间内插生成监测水域的污染指标专题图。