一種水體遙感監測方法和裝置與流程
2023-07-18 19:57:06
本發明屬於水質監測領域，尤其涉及遙感水質監測。
背景技術：
現階段對水質監測的常規手段是通過在監測水域內布設採樣點採集水樣，通過實驗儀器分析得到汙染水質的各種物質成分，進而分析水質的汙染狀況，各種汙染物質的濃度。這種方法得到的是採樣點採樣時刻的水質狀況，不能得到整個水域的汙染狀況。如果採用這種方法對河流、湖泊等廣域分布水域的水環境實施面覆蓋監測，不僅是一項消耗極大人力物力財力的工作，甚至困難到無法實施。
目前對水體面狀汙染的監測採取遙感監測方法。基於多光譜遙感圖像進行面狀水域汙染監測和研究的基礎數據是多光譜遙感圖像。圖像像元值是水體的體散射輻射能量離水返回傳感器的光譜能量和水面反射能量為主體的疊加。外部輻射能量在進入水體過程中，被水體吸收的同時也在散射。入射能量在進入水體中，隨著透射的光程路徑的增加，吸收和散射特徵也在改變，輻射能量穿透深度與水體的汙染有關。深度對離水散射能量也會產生影響。透明度高的深水區入射能量在向下傳輸的過程中被衰減很多，最終離水輻射能量很低。在透明度高的水體淺水區，輻射到達河床和水底後仍然較強，河床和水底反射光譜能量也作為離水輻射能量的一部分進入遙感傳感器。電磁波在水中的穿透深度是一個隨汙染濃度變化的函數。當水體內汙染物質濃度使輻射能量不能到達水體基底且汙染濃度分布不均勻時，輻射能量在各處的穿透深度就構成非等深面。當水深較淺時，與汙染程度相關性較低的水底物質反射能量也成為反射能量的一部分。由於自然界實際的江河湖海的水質和深度變化是一種隨機的不確定性組合條件，多光譜遙感定量反演水質參數模型所用的多光譜圖像數據並不是在一種相同環境條件下獲取的。現在基於遙感圖像光譜能量對汙染的反演都忽略了「水體體散射深度不同」、「河床和湖泊水底底質差異」這一前提，因此基於這些圖像導出的反演模型具有先天性缺陷，其結果誤差較大，數據真實性較低，普適性與可用性較差。所以現有基於遙感圖像用於汙染的定量分析的方法不能實用。
技術實現要素：
本發明為解決現有技術的不足，基於水體的光譜反射率設計了一種水體的遙感監測裝置，用於對面狀水體進行遙感監測。
一種水體遙感監測裝置，包括成像部分和漂浮部分，
所述成像部分包括：
航天或航空遙感平臺的遙感成像裝置，其中，所述成像裝置用於拍攝、存儲水體表面圖像，
所述漂浮部分包括：
錨1，用於固定所述水體遙感監測裝置的位置，其中，使所述水體遙感監測裝置在水流運動環境下的位移始終保持在誤差允許的範圍，誤差範圍為經驗值，
固定在水體不同深度處的白板4，其中，所述白板4具有相同的反射特性，
連接錨1和白板4的支撐裝置2，其中，所述支撐裝置2為剛性結構，用於固定白板4和連接錨1，
漂浮裝置3，安裝在支撐裝置2上，其中，所述漂浮裝置3用於使所述水體遙感監測裝置能夠在水體中保持一定的姿態和深度。
進一步地，所述支撐裝置2分為水上部分和水下部分，其中，水下部分的底端與錨1相連，漂浮裝置3安裝在支撐裝置2水下部分，所述支撐裝置2水上部分和水下部分分別連接有白板4，與支撐裝置2水下部分相連的白板4稱為水下白板4，與支撐裝置2水上部分相連的白板4稱為水上白板4。
進一步地，所述水上白板4的數量大於等於1，所述水下白板4的數量大於等於2。
進一步地，所述水下白板4處於不同的水深處。
進一步地，所述水下白板4有與水平面高度差為5cm、10cm或20cm。
進一步地，水下白板4在水平位置上相互不重疊。
進一步地，白板4的尺度大於等於成像裝置像素地面尺度的2倍。
進一步地，水上白板4與水下白板4的之間的水平距離大於等於成像裝置地面尺度的3個像元。
一種水體的遙感監測方法，包括如下步驟：
s1、在監測區域內多點布置水體遙感監測裝置的漂浮部分；
s2、利用水體遙感監測裝置的成像部分進行成像，同時獲取一個水體遙感監測裝置的漂浮部分的水下白板4和水上白板4的光譜反射能量的數據；
s3、基於s2所述光譜反射能量的數據計算出不同深度的水下白板4的光譜反射率；
s4、對監測區域內多點布置的水體遙感監測裝置的漂浮部分進行遍歷操作，遍歷s2-s3，得出監測區域內布置的全部水體遙感監測裝置的漂浮部分的不同深度的水下白板4光譜反射率，記作a；
s5、將監測區域內水體遙感監測裝置的漂浮部分的鄰域自然水體的光譜能量像元值與s4所述a建立映射關係，對全圖像像元值進行輻射能量值到反射率值的變換；
s6、生成監測區域內水體光譜反射率圖像；
s7、基於s6所述水體光譜反射率圖像與汙染指標的數學關係式，構成的網節點之間內插生成監測水域的汙染指標專題圖。
本發明的有益效果是：
在幾何解析度不是很高的情況下，減少在水域的提取過程中的一些誤差，提高對河流水質的監測的準確性。
附圖說明
圖1為本發明裝置圖剖面圖。
圖2為電磁波與水體的相互作用示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖，詳細說明本發明的技術方案。
首先，對遙感技術水質監測的指標進行介紹：
物理指標，包括溫度和懸浮物。
通過熱紅外技術對熱汙染水體進行監測，用標準的水體進行對比，即可完成對溫度的監測。
對於非色素懸浮物，它對電磁輻射強烈散射，隨著懸浮物濃度的增高，會使得原本輻射不強烈的波段上表現出強烈的輻射，依據懸浮物對水體的散射特性，隨著懸浮物濃度的增加，其反射率在整個波長範圍內都要增加。
化學指標，包括黃色物質。
黃色物質主要成分為可溶有機碳，它的光譜反射特徵是在藍光波段表現為吸收而且在黃光波段表現為強散射，根據這些特點可以對黃色物質進行遙感監測。
生物指標中，包括葉綠素。
葉綠素作為水中植物光合作用的最主要色素，影響著生物的生產能力，它的含量也可以反映出水體的營養狀況，是水質監測中的一個很重要指標。
其他指標，包括常見的物質，例如石油、ph、bod、cod等。
對於石油汙染的監測可以利用紫外遙感的方式，對於其他的物質，一般採取間接的方法來監測，通常引入一個中間量，通過對中間量的監測，最後轉換為對監測對象物質的監測。
本發明實施例選用亞光陶瓷白板作為水上白板和水下白板。標準陶瓷白板相比聚四氟乙烯材質白板具有耐汙染性和反覆清洗的優勢，在空氣中用成像光譜儀測得其在波段上的白板能量值；其次，將標準白板置放於水樣測試容器中固定，向容器中加入一定懸浮物濃度的河流水樣，用成像光譜儀測得水體重白板的能量值。在不同濃度的懸浮物質和不同深度我們觀察到水體下物質的透射性是不一樣的，濃度與深度和透射率是呈現出負相關的，假設濃度和深度對傳感器每次的能量影響是e0；最後，通過濃度和深度的改變，來觀察傳感器接收能量值的改變，由此便可以的到傳感器接收的輻射能量其公式如下：該裝置是一個漂浮於水面的裝置(圖1)，裝置的水面之上部分布置有白板，裝置在不同的水深位置放置多塊白板，分布在不同空間位置的白板在垂直成像或傾斜成像時都能在圖像空間上清晰分開。當飛行器攜帶多波段遙感傳感器對準該水域成像後，就獲得了該位置從水面以上直接反射和不同給定水深處白板散射反射的水體光譜能量。以水面之上白板的像元值和水中白板的像元值進行比值處理，得到該裝置處與汙染水體指標相關的反射率圖像。可以由反射率圖像反演出該像元值對應的汙染指標值。該裝置所處位置的自然狀態的水體汙染指標由此確定。以該處自然狀態水體的圖像像元值作為參考標準，形成其周圍水體的汙染指標面狀分布圖。
將本發明所述的多個裝置合理分布於河流、湖泊的多處，形成的多個面狀水域汙染參數，連接為更大的面狀汙染分布圖。
s1、如圖1所示，在監測區域內多點布置水體遙感監測裝置的漂浮部分；
s2、利用水體遙感監測裝置的成像部分進行成像，同時獲取一個水體遙感監測裝置的漂浮部分的水下白板4和水上白板4的光譜反射能量的數據；
s3、基於s2所述光譜反射能量的數據計算出不同深度的水下白板4的光譜反射率；
s4、對監測區域內多點布置的水體遙感監測裝置的漂浮部分進行遍歷操作，遍歷s2-s3，得出監測區域內布置的全部水體遙感監測裝置的漂浮部分的不同深度的水下白板4光譜反射率，記作a；
s5、將監測區域內水體遙感監測裝置的漂浮部分的鄰域自然水體的光譜能量像元值與s4所述a建立映射關係，對全圖像像元值進行輻射能量值到反射率值的變換；
s6、生成監測區域內水體光譜反射率圖像；
s7、基於s6所述水體光譜反射率圖像與汙染指標的數學關係式，構成的網節點之間內插生成監測水域的汙染指標專題圖。