一种适用于盐湖水体矿化度的高分辨率遥感定量估算方法与流程

本发明属于盐湖水体信息提取技术领域，具体涉及一种适用于盐湖水体矿化度的高分辨率遥感定量估算方法。

背景技术：

我国是世界上盐湖分布最多的国家之一，而且以数量多、类型全、资源丰富、富含稀有元素而著称于世。青海、西藏、内蒙古和新疆等西部地区均分布着广泛的盐湖，盐湖卤水不仅含盐度高，而且蕴藏着丰富的钾、镁、锂、硼、和铀等盐类资源，潜在价值极大。一般来讲，淡水湖和咸水湖不成矿，也并非所有的盐湖都含矿，只有成熟度较高的盐湖，即矿化度高的盐湖才能成矿。张彭熹(1987)等人对柴达木盆地盐湖卤水矿化度与卤水离子含量研究，得出了卤水中的锂、钠、镁、钾、硼与卤水矿化度呈线性相关，特别是卤水中的稀散元素大体上存在着随矿化度增高而增加的趋势。因此，定量估算盐湖水体矿化度对于分析盐湖补给-径流-排泄环境、识别盐湖矿产资源富集部位具有重要的意义。

传统盐湖水体矿化度信息获取方式为对盐湖全湖域水体进行人工面积性水样采集，而后送至分析测试实验室进行化学分析测出矿化度值。由于我国盐湖众多，大多数盐湖区自然交通条件恶劣，很难完成密集的人工面式水样采集。因此，传统盐湖水体矿化度定量分析方法周期较长、难度较大，不利于众多盐湖不同水域含矿性的快速评价。遥感技术作为新的调查手段，具有宏观、综合、动态、和快速的特点，为地球资源调查与开发、国土整治、环境监测以及全球性研究，开辟了一种新的探测手段和方法(梅安新等，2001)。随着遥感数据空间分辨率的提高和技术手段的日益完善，应用遥感技术研究盐湖受到越来越多的关注(张博，2007；张大林等，2007)。bhargana等在实验室条件下测试了低浓度单一成分(含nacl)盐水的波谱，crowley等进行了硫酸盐盐湖水中芒硝和石膏等矿物光谱测定，总结得出了该种矿物的光谱反射特征。田淑芳(2005)，张大林(2007)等基于中等分辨率(30m)的tm数据，对西藏扎布耶盐湖的总盐和氧化硼含量进行定量估算研究，估算结果具有一定的宏观指示性。但限于遥感数据的空间分辨率较低，影像中一个像元的矿化度值代表了900m²卤水矿化度的平均值，而已知卤水矿化度样本点仅有1m²水域，估算结果在实际应用中具有很大的局限性。因此，开发一种基于高分辨率卫星遥感数据的盐湖水体矿化度定量估算方法十分必要，该方法对于快速、定量识别盐湖水域矿化度高低，降低盐湖矿化度调查和分析成本，预测富矿水域具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：本发明提供一种适用于盐湖水体矿化度的高分辨率遥感定量估算方法，可有效降低盐湖水体矿化度定量识别的勘查和化学分析成本。

本发明采用的技术方案：

一种适用于盐湖水体矿化度的高分辨率遥感定量估算方法，包括如下步骤：

步骤一、高分辨率卫星遥感数据源的获取：选取覆盖某一盐湖水域数据采集质量高的wvⅱ高分辨率卫星遥感数据；

步骤二、wvⅱ卫星遥感数据预处理：对步骤一中获取的盐湖水域wvⅱ高分辨率卫星遥感数据进行影像镶嵌和彩色合成，获取预处理后的遥感影像；

步骤三、基于wvⅱ高分辨率卫星遥感数据实现盐湖水域水际线提取：对步骤二中预处理后的wvⅱ高分辨率卫星遥感数据进行盐湖水域水际线信息提取，获取精确的盐湖水域轮廓线；

步骤四、盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像不同亮度值点位选取：依据步骤三获取的盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像的辐射亮度值大小，选取一条亮度值由高到低的剖面，在剖面上均匀选取代表wvⅱ高分辨率遥感影像不同亮度值的多个点；

步骤五、盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像不同点位光谱信息提取：对步骤四中选取的wvⅱ高分辨率遥感影像中多个点的光谱曲线进行特征分析，在高分辨率数据可见光波段域选择影像亮度值最大、谱形变化最大的波段x，在近红外波段域选择影像亮度值最小、谱形变化最小的波段y；

步骤六、构建基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度遥感指数siwvⅱ：将步骤五中获取的wvⅱ高分辨率遥感影像亮度值最大、谱形变化最大的波段x，与亮度值最小、谱形变化最小的波段y的比值作为反演湖水矿化度信息的指数，其表达式为：

siwvⅱ＝wvⅱ(bandx)/wvⅱ(bandy)(式1)

该矿化度指数siwvⅱ是用wvⅱ(bandx)与wvⅱ(bandy)波段比值来定义，其取值范围大于零；

步骤七、构建基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度三维指数：为了充分反映wvⅱ遥感影像不同波段对湖水矿化度的光谱特征，依据步骤六中的矿化度指数的定义，将矿化度指数维度进行推广，可得到盐湖水体的wvⅱ高分辨率遥感影像三维矿化度指数，即wvⅱ(bandx1)/wvⅱ(bandy1)、wvⅱ(bandx2)/wvⅱ(bandy2)、wvⅱ(bandx3)/wvⅱ(bandy3)；该三维矿化度指数提供了较步骤六中的一维矿化度指数更丰富的信息，为盐湖矿化度含量的定性估算奠定了良好基础；

步骤八、基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度信息提取：基于盐湖水体遥感信息提取方法对步骤七中构建的湖水矿化度wvⅱ遥感三维指数进行信息分离，得到wvⅱ遥感数据3个组分的遥感影像(pc1、pc2、pc3)；结合盐湖湖水水深等值线图，验证第一主成分影像(pc1)亮度值的高低定性反映了湖水矿化度含量的高低信息，而非湖水的深度信息；

步骤九、基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定性估算：对步骤八中获取的反映盐湖水体矿化度信息的第一主成分影像(pc1)，按照一定量值间隔进行密度分割，对分割后亮度值由小到大的每个量级分别赋以由浅到深的颜色，盐湖wvⅱ遥感影像颜色的深浅代表了盐湖水体矿化度的高低，即为该盐湖水体矿化度定性估测图；

步骤十、盐湖水样采集和矿化度测定：均匀采集该盐湖不同方位水域的若干个个湖水样品，并记录每个取样点的经纬度坐标，经室内化学分析测定获得水样矿化度值；

步骤十一、基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定量反演模型构建：选取三分之二的水样矿化度值及对应坐标点位的wvⅱ-pc1影像亮度值作为统计样本，基于统计分析方法，构建以wvⅱ-pc1影像亮度值为自变量，水体矿化度真实值为因变量的定量反演模型，模型模拟结果决定系数值(r)较高，绝对值估计误差较小；

步骤十二、基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定量反演模型精度评价：以剩余三分之一水样样本采集点位对应的wvⅱ-pc1影像亮度值为自变量，代入步骤十一所得的定量反演模型，得到每一个水样样本的矿化度定量反演值，通过对每一个样本的矿化度定量反演值与化学分析值统计分析得出：基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定量反演模型平均反演精度高于95％，为有效反演模型。

所述步骤一中，采集质量高是指高分辨率卫星遥感数据的采集时间为正午时间，且天空无云；高分辨率卫星遥感数据是指美国digitalglobe公司发射，多光谱波段空间分辨率为1.8米、经辐射和几何校正的worldview-ⅱ卫星遥感数据。

所述步骤二中，预处理过程包括基于直方图匹配法完成wvⅱ遥感数据的影像镶嵌，基于三波段彩色合成法实现wvⅱ遥感数据8、4、1波段的rgb彩色合成。

所述步骤三中，水际线是指盐湖水域边界轮廓线，水际线信息提取方法为采用非监督分类方法对wvⅱ遥感数据第8波段影像进行信息提取。

所述步骤四中，选取wvⅱ遥感影像不同亮度值的多个点数量需大于5个点。

所述步骤五中，wvⅱ遥感影像可见光波段域共6个波段，波长范围为450nm～745nm；wvⅱ遥感影像近红外波段域共两个波段，波长范围为770nm～1040nm；选取的波段x指wvⅱ第三波段数据，选取的波段y指wvⅱ第八波段数据。

所述步骤七中，wvⅱ(bandx1)/wvⅱ(bandy1)指wvⅱ遥感影像第3波段的辐射亮度值与第8波段的辐射亮度值进行相除；wvⅱ(bandx2)/wvⅱ(bandy2)指wvⅱ遥感影像第3波段的辐射亮度值与第7波段的辐射亮度值进行相除；wvⅱ(bandx3)/wvⅱ(bandy3)指wvⅱ遥感影像第4波段的辐射亮度值与第8波段的辐射亮度值进行相除。

所述步骤八中，遥感信息提取方法为主成分分析法(简称“pca”法)；3个组分的遥感影像(pc1、pc2、pc3)指对wvⅱ遥感三维指数进行主成分变换后，得到的第一主成分(pc1)、第二主成分(pc2)和第三主成分(pc3)。

所述步骤九中，按照一定量值间隔进行密度分割指按照wvⅱ第一主成分影像亮度值大小均匀分为7个等级。

所述步骤十中，水样矿化度化学分析测定方法采用105℃烘干测定法。

所述步骤十一中，盐湖水体定量反演模型为ym＝0.185xm+208.659，ym为编号为m的水体样本定量反演的矿化度值，xm为编号为m的水样点位wvⅱ-pc1影像亮度值，定量反演模型模拟结果决定系数值r＝0.650，绝对值估计误差为10.9g/l。

所述步骤十二中，盐湖水体定量反演模型的平均反演精度为96.90％。

本发明的有益效果：

本发明的方法能够快速定量识别盐湖水域矿化度含量，大大降低盐湖湖水矿化度调查和分析成本，对分析盐湖演化和识别富矿水域具有重要的意义，也为基于航空/航天遥感技术快速识别盐湖富矿水域提供了重要的技术参考。

附图说明

图1为某盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像灰度图；

图2为某盐湖wvⅱ高分辨率遥感影像不同点位波谱曲线图；

图3为某盐湖wvⅱ遥感影像三维矿化度指数主成分分析第一主分量图；

图4为某盐湖水体矿化度wvⅱ遥感定量估算图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明一种适用于盐湖水体矿化度的高分辨率遥感定量估算方法，包括如下步骤：

步骤一、高分辨率卫星遥感数据源的获取。选取覆盖某一盐湖水域的高分辨率遥感数据，数据为美国digitalglobe公司发射，多光谱波段空间分辨率为1.8米、经辐射和几何校正的worldview-ⅱ(简称“wvⅱ”)卫星遥感数据，数据采集时间正午时间，且天空无云；

步骤二、wvⅱ卫星遥感数据预处理。对步骤一中获取的盐湖水域wvⅱ卫星遥感数据，基于直方图匹配法完成wvⅱ遥感数据的影像镶嵌，基于三波段彩色合成法实现wvⅱ遥感数据8、4、1波段的rgb彩色合成，获取预处理后的遥感影像，如图1所示；

步骤三、基于wvⅱ卫星遥感数据实现盐湖水域水际线提取。对步骤二中获取的wvⅱ卫星遥感数据第8波段影像，采用非监督分类方法(isodata法)进行盐湖水域边界轮廓线信息提取，获取精确的盐湖水域轮廓线；

步骤四、盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像不同亮度值点位选取。依据步骤三获取的盐湖水域水际线wvⅱ高分辨率遥感影像的辐射亮度值大小，选取一条光谱亮度值由高到低的剖面，在剖面上均匀选取代表wvⅱ高分辨率遥感影像不同亮度值的多个点，点数需大于5个点；

步骤五、盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像不同点位光谱信息提取。对步骤四中选取的盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像不同亮度值点位的光谱曲线进行特征分析，在可见光波段域(450nm～745nm)选择影像亮度值最大、谱形变化最大的wvⅱ第三波段数据(wvⅱ-band3)，在近红外波段域(770nm～1040nm)选择影像亮度值最小、谱形变化最小的波段wvⅱ第八波段数据(wvⅱ-band8)，如图2所示；

步骤六、构建基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度遥感指数siwvⅱ。将步骤五中获取的盐湖水域wvⅱ高分辨率遥感影像不同点位光谱亮度值最大、谱形变化最大的波段x，与亮度值最小、谱形变化最小的波段y的比值作为反演湖水矿化度信息的指数，其表达式为：

siwvⅱ＝wvⅱ(bandx)/wvⅱ(bandy)(式1)

该矿化度指数siwvⅱ是用wvⅱ(bandx)与wvⅱ(bandy)波段比值来定义，其取值范围大于零；

步骤七、构建基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度三维指数。为了充分反映wvⅱ遥感影像不同波段对湖水矿化度的光谱特征，依据步骤六中的矿化度指数的定义，将矿化度指数维度进行推广，可得到盐湖水体的wvⅱ高分辨率遥感影像三维矿化度指数，即指wvⅱ遥感影像第3波段的辐射亮度值与第8波段的辐射亮度值进行相除(wvⅱ(band3)/wvⅱ(band8))、wvⅱ遥感影像第3波段的辐射亮度值与第7波段的辐射亮度值进行相除(wvⅱ(band3)/wvⅱ(band7))、wvⅱ遥感影像第4波段的辐射亮度值与第8波段的辐射亮度值进行相除(wvⅱ(band4)/wvⅱ(band8))。该三维矿化度指数提供了较步骤六中的一维矿化度指数更丰富的信息，为盐湖矿化度含量的定性估算奠定了良好基础；

步骤八、基于wvⅱ遥感影像的盐湖水体矿化度信息提取。基于主成分分析法(简称“pca”法)对步骤七中构建的湖水矿化度wvⅱ遥感三维指数进行信息分离，得到wvⅱ遥感数据第一主成分(pc1)、第二主成分(pc2)和第三主成分(pc3)3个组分的遥感影像；结合盐湖湖水水深等值线图，验证第一主成分影像(pc1)亮度值的高低定性反映了湖水矿化度含量的高低信息，而非湖水的深度信息，如图3所示；

步骤九、基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定性估算。对步骤八中获取的反映盐湖水体矿化度信息的第一主成分影像(pc1)，按照一定量值间隔进行密度分割，均匀分为8个等级，对分割后亮度值由小到大的每个量级分别赋以由浅到深的颜色，盐湖wvⅱ遥感影像颜色的深浅代表了盐湖水体矿化度的高低，即为该盐湖水体矿化度定性估测图；

步骤十、盐湖水样采集和矿化度测定。均匀采集该盐湖不同方位水域的若干个个湖水样品，并记录每个取样点的经纬度坐标，室内化学分析采用105℃烘干测定法测定水样矿化度值；

步骤十一、基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定量反演模型构建。选取三分之二的水样矿化度值及对应坐标点位的wvⅱ-pc1影像亮度值作为统计样本，基于统计分析方法，构建以wvⅱ-pc1影像亮度值为自变量，水体矿化度真实值为因变量的定量反演模型ym＝0.185xm+208.659，ym为编号为m的水体样本定量反演的矿化度值，xm为编号为m的水样点位wvⅱ-pc1影像亮度值。定量反演模型模拟结果决定系数值r＝0.650，绝对值估计误差为10.9g/l，如图4所示；

步骤十二、基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定量反演模型精度评价。以剩余三分之一水样样本采集点位对应的wvⅱ-pc1影像亮度值为自变量，代入步骤十一所得的定量反演模型，得到每一个水样样本的矿化度定量反演值。通过对每一个样本的矿化度定量反演值与化学分析值统计分析得出：基于wvⅱ高分辨率遥感影像的盐湖水体矿化度定量反演模型平均反演精度为96.9％，如表1，为有效反演模型。

表1某盐湖水样矿化度化学分析值与模型反演精度对比表

综合上述分析，盐湖水体矿化度均可以通过本方法进行快速定量估算，大大降低了盐湖水体矿化度调查和分析成本，提高了盐湖富矿水域的识别效率，对于分析盐湖的形成和演化、矿产资源富集部位具有重要的意义。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。