一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法与流程

本发明属于定量遥感水质参数反演领域，具体涉及一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法。

背景技术：

1、在海洋中，核素受到海水运动影响的同时，还受自身衰变、悬浮物对核素的吸附沉降和生物富集等因素影响。海洋中的悬浮物对核素的吸附沉降作用会影响海水中核素浓度，尤其是中国近海域，悬浮物浓度较高，对核素浓度影响较大。因此通过对核电站近岸海域悬浮物浓度进行监测还有助于更好的研究核事故后核素在海洋中的迁移。

2、近年来，我国遥感卫星资源发展迅速，陆地、气象、海洋等观测卫星体系基本形成，目前已有的专门用于悬浮物浓度监测的卫星传感器，但其空间分辨率较低、观测频率较低，对悬浮物浓度的监测效率较低。

3、同时现有针对悬浮物浓度的研究中所采用的数据以国外卫星数据为主，研究对象以内陆湖泊或长江、黄河等大型河流，针对近海，尤其是核电站近岸海域的研究较少。

4、因此研究一种基于国产卫星数据实现对于核电站近岸海域的总悬浮物浓度反演的模型方法是十分有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，该方法基于国产多光谱遥感卫星数据，适用于核电站近岸海域总悬浮物浓度的反演。

2、实现本发明目的的技术方案：

3、一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，所述方法包括：

4、步骤一：获取核电站近岸海域中每个采样点处的总悬浮物浓度实测浓度和水体高光谱遥感反射率数据；

5、步骤二：利用gf1-b卫星数据的光谱响应函数对实测水体高光谱反射率数据进行重采样，将实测水体高光谱反射率数据转化为与卫星数据一致的四波段反射率数据；

6、步骤三：对四波段反射率数据进行校正，获得预处理后的影像；通过归一化水指数影像，获得水体矢量图，提取卫星影像水体部分；

7、步骤四：根据实测总悬浮物浓度及其对应的与卫星数据一致的四波段反射率数据，计算建模因子；

8、步骤五：根据建模因子与对应的实测总悬浮物浓度，建立总悬浮物浓度反演模型；

9、步骤六：根据建立的总悬浮物浓度反演模型，计算提取的卫星影像水体部分的总悬浮物浓度的反演结果；

10、步骤七：采用平均相对误差与均方根误差，对获得的总悬浮物浓度的反演结果进行评价。

11、所述步骤二中的四波段反射率数据为：蓝光波段b1、绿光波段b2、红光波段b3、近红外波段b4四波段反射率数据。

12、所述步骤三中的反射率数据校正包括：辐射校正、大气校正和几何校正。

13、所述步骤三中的通过归一化水指数影像，获得水体矢量图，提取卫星影像水体部分具体为：通过预处理后的影像中的绿光波段b2和近红外波段b4的光谱反射率计算归一化水指数影像；利用envi软件的决策树分类功能，获得水体矢量图；利用目视解译方法将湖泊、远离海岸的河流和微小水体部分从水体矢量图中圈除；然后将处理好的水体矢量图作为掩膜范围从预处理后的影像中提取卫星影像水体部分。

14、所述步骤三中计算归一化水指数影像的公式为：

15、ndwi＝(b2-b4)/(b2+b4)

16、式中，ndwi表示归一化水指数值，b2表示预处理后的影像中的绿光波段的光谱反射率，b4表示表示预处理后的影像中的近红外波段的光谱反射率。

17、所述步骤四具体为：将实测总悬浮物浓度数据按照2:1的比例随机划分为建模数据与验证数据；对与实测总悬浮物浓度建模数据对应的与卫星数据一致的四波段反射率数据，计算相关系数，实测水体光谱反射率与实测总悬浮物浓度相关系数，相关性最高lnb3/lnb2为建模所需的建模因子。

18、所述步骤五具体为：将选中的建模因子与对应的实测总悬浮物浓度建模数据进行回归拟合，获得总悬浮物浓度反演模型。

19、所述步骤六具体为：对提取的卫星影像水体部分，利用arcgis软件的栅格计算功能计算lnb3/lnb2反射率比值，并将结果代入到建立的总悬浮物浓度反演模型中，得到总悬浮物浓度的反演结果。.

20、所述步骤七中平均相对误差的计算公式为：

21、

22、均方根误差的计算公式为：

23、

24、式中，mre表示平均相对误差，rmse表示均方根误差，x表示实测值，x′表示利用模型反演得到的结果，n表示验证数据个数。

25、本发明的有益技术效果在于：

26、1、本发明提供的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，基于现场实测悬浮物浓度及对应水体光谱数据和准星地同步遥感卫星数据(本实例中选用gf1-b卫星pms数据)，建立的核电站近岸海域总悬浮物浓度反演模型为y＝9.9348x2+29.713x+23.879，其中x表示模型因子ln(b3)-ln(b2)，b2和b3分别表示卫星影像在绿波段和红波段的反射率。模型决定系数r2为0.730，利用验证数据进行验证表示模型反演结果的平均相对误差低于0.4。表明本发明方法获得的总悬浮物浓度反演结果较好，适用于核电站近岸海域总悬浮物浓度的反演。

27、2、本发明提供的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法中，国产gf1-b数据的使用可实现长时序、大范围的观测，有利于对于研究区的长期全面观测。

28、3、近海水质监测仍多依赖于经验模型的构建，而经验模型的使用范围限定与局部地区，因此针对核电站近岸海域需要进行专门的模型构建。

技术特征：

1.一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤二中的四波段反射率数据为：蓝光波段b1、绿光波段b2、红光波段b3、近红外波段b4四波段反射率数据。

3.根据权利要求2所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤三中的反射率数据校正包括：辐射校正、大气校正和几何校正。

4.根据权利要求3所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤三中的通过归一化水指数影像，获得水体矢量图，提取卫星影像水体部分具体为：通过预处理后的影像中的绿光波段b2和近红外波段b4的光谱反射率计算归一化水指数影像；利用envi软件的决策树分类功能，获得水体矢量图；利用目视解译方法将湖泊、远离海岸的河流和微小水体部分从水体矢量图中圈除；然后将处理好的水体矢量图作为掩膜范围从预处理后的影像中提取卫星影像水体部分。

5.根据权利要求4所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤三中计算归一化水指数影像的公式为：

6.根据权利要求5所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤四具体为：将实测总悬浮物浓度数据按照2:1的比例随机划分为建模数据与验证数据；对与实测总悬浮物浓度建模数据对应的与卫星数据一致的四波段反射率数据，计算相关系数，实测水体光谱反射率与实测总悬浮物浓度相关系数，相关性最高lnb3/lnb2为建模所需的建模因子。

7.根据权利要求6所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤五具体为：将选中的建模因子与对应的实测总悬浮物浓度建模数据进行回归拟合，获得总悬浮物浓度反演模型。

8.根据权利要求7所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤六具体为：对提取的卫星影像水体部分，利用arcgis软件的栅格计算功能计算lnb3/lnb2反射率比值，并将结果代入到建立的总悬浮物浓度反演模型中，得到总悬浮物浓度的反演结果。

9.根据权利要求8所述的一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，其特征在于，所述步骤七中平均相对误差的计算公式为：

技术总结
本发明属于定量遥感水质参数反演领域，具体涉及一种核电站近岸海域总悬浮物浓度反演方法，包括：获取核电站近岸海域中每个采样点处的总悬浮物浓度实测浓度和水体高光谱遥感反射率数据；利用GF1‑B卫星数据的光谱响应函数对实测水体高光谱反射率数据进行重采样，获得为与卫星数据一致的四波段反射率数据；对四波段反射率数据进行校正，获得预处理后的影像；通过归一化水指数影像，获得水体矢量图，提取卫星影像水体部分；根据实测总悬浮物浓度及其对应的与卫星数据一致的四波段反射率数据，计算建模因子；建立总悬浮物浓度反演模型；计算提取的卫星影像水体部分的总悬浮物浓度的反演结果；对获得的总悬浮物浓度的反演结果进行评价。

技术研发人员：芮歆旻,陈雪娇,武鼎,车永飞
受保护的技术使用者：核工业北京地质研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8