一种内陆河道表层水体反射光谱走航观测方法

摘要

本发明公开了一种内陆河道表层水体反射光谱走航观测方法，包括以下步骤：安置用于内陆河道表层水体反射光谱连续观测的实测仪器，并按照垂直观测的要求调整所述实测仪器的角度，实现对灰板、天空光和水面反射光的同步观测；使用所述的实测仪器测得的灰板、天空光和水面反射光的观测值计算遥感反射率，并对计算所得的遥感反射率的异常值进行识别和剔除；将得到的内陆河道表层水体遥感反射率进行时间‑空间匹配，得到在时空上连续的内陆河道表层水体的遥感反射率。本发明实现了连续光谱观测，时空连续性增高，可以准确把握大范围水体的光谱变化情况。

说明书

技术领域

本发明涉及水体光谱测量的技术领域，特别是涉及一种内陆河道表层水体反射光谱走航观测方法。

背景技术

水体光学特性测量是水色遥感反演不可缺少的基础研究过程。水体光学特性包括固有光学特性和表观光学特性，固有光学特性仅由水体本身的物理特性所决定，不随外界入射光场的改变而变化，如吸收系数、衰减系数、散射系数等；表观光学特性是随入射光场变化而变化的水体光学参数，如离水辐亮度、上行辐照度、遥感反射率等。

内陆水体的光学特性研究多以表观光学特性测量为初始数据来源，其基本参数为离水辐亮度。离水辐亮度的测量方法包括剖面测量法和水面之上测量法。剖面测量法是纵向测量水下不同深度水体的光学特性，外推得到水表面的光学信号，从而求得离水辐亮度、归一化离水辐亮度和遥感反射率等遥感物理量的方法，这种方法在大洋一类水体中应用十分广泛，而在内陆二类水体区域中则不适用。水面之上测量法是在水面上方选取适当的观测几何，通过观测水面、对应方向上天空光和水面入射辐照度等目标，求得与剖面测量法相同遥感物理量，该方法是NASA SeaWiFS测量规范推荐的二类水体测量的主要方法，也是目前国内外学者广泛使用的水体测量方法，在我国近岸水体和湖泊、河道等内陆水体的光谱特性调查手段中占据主导地位。

水体光谱特性是水体光学组分的外在表征，利用实测的水体离水辐亮度与天空光辐亮度，可以推算出水体的遥感反射率，并以此分析水体的光谱特性。目前，水体光学测量均采用倾斜观测的方法，且以国际水色SIMBIOS计划中推荐使用的(40°，135°)观测角度为主，即光谱仪观测平面与太阳入射平面的夹角为135°(背向太阳方向)，仪器与海面法线方向的夹角为40°，该观测几何被认为能最大程度地减小船体自身以及水面耀光的影响。

由于倾斜观测需要依据船体位置、太阳方位等相关因素调整观测角度，特别是针对河道水体光谱观测时，还须考虑河道走向、岸线遮蔽物等情况。因此，现阶段只能设置若干站点进行离散样点的观测，难以实现连续光谱观测。离散样点的观测方法虽然能对局部的水体光学特性做出精确的测量和分析，但费时费力且观测样点数量有限。故离散样点的观测方法有着实测数据的代表性不足、时空连续性不高、难以把握大范围水体的光谱变化情况等缺点。

公开号为CN 109084894 B的发明公开了走航式水体光谱观测系统及观测方法，它包括支架、三轴自稳平台、观测仪器和甲板控制单元；所述的观测仪器包括辐亮度辐射计、辐照度辐射计、电子指南针、姿态传感器、GPS天线和摄像头；支架用于将整个观测系统固定安装在走航观测船体外侧，其离船最远的一端安装三轴自稳平台、制高点安装辐照度辐射计、其他任意位置安装GPS天线；三轴自稳平台的俯仰转轴固定连接仪器架；仪器架上至少安装有电子指南针、姿态传感器、辐亮度辐射计和摄像头；甲板控制单元用于向所述的观测仪器供电、通过内置软件与观测仪器进行通讯、以及通过内置软件完成观测数据的处理。该发明主要针对海洋水体的走航式水体光谱观测系统进行设计，故该系统和对应的观测方法主要解决了走航式观测中，实验船搭载的观测设备很容易随着波浪产生振动和抖动的问题。

公开号为CN 111879709 A的发明公开了湖泊水体光谱反射率检验方法及装置，所述方法包括：利用预设的水体光谱反射率预测模型对实测水体光谱反射率进行筛选；所述水体光谱反射率预测模型是基于水体参量样本数据、环境参量样本数据和对应的水体样本光谱反射率进行训练后得到的；所述实测水体光谱反射率是通过测量设备对待测水体进行抽样检测得到的光谱反射率；根据筛选后的实测水体光谱反射率对卫星反演算法进行检验和修正，使用修正后的卫星反演算法获取待测水体光谱反射率。该发明是通过筛选后的实测水体光谱反射率对卫星反演获取的水体光谱反射率进行验证并修正，解决了现有的通过卫星获取的水体光谱反射率可信度低的缺陷。

发明内容

本发明通过获取大量的且在时空上连续的水体反射光谱数据，实现了快速连续的内陆河道表层水体反射光谱走航观测。

一种内陆河道表层水体反射光谱走航观测方法，包括以下步骤：

1、安置用于内陆河道表层水体反射光谱连续观测的实测仪器，并按照垂直观测的要求调整所述实测仪器的角度，实现对灰板、天空光和水面反射光的同步观测；

2、使用所述的实测仪器测得的灰板、天空光和水面反射光的观测值计算遥感反射率，并对计算所得的遥感反射率的异常值进行识别和剔除；

3、将步骤2得到的内陆河道表层水体遥感反射率进行时间-空间匹配，得到在时空上连续的内陆河道表层水体的遥感反射率。

优选地，所述的实测仪器采用光谱仪。

进一步优选地，在安置前对所述的光谱仪进行灰板标定，得到所述光谱仪的辐亮度值，并以事先确定的实地实测灰板的光谱仪标定结果为基准，分别计算观测天空光和水面反射光的光谱仪的标定系数。由于光谱仪的型号、感光元件响应、外接光纤等差异，故测得的数据存在一致性误差，所述标定系数可减少因光谱仪、外接光纤等设备因素产生的误差。

优选地，控制快速连续走航观测时的实测环境，包括以下方法：选择水面风浪较小时进行观测，测试船的船体应避免摇晃；测试船匀速在河道中间位置行驶，尽量避免岸线遮蔽物本身和阴影对观测的影响。

进一步优选地，安置所述的光谱仪的步骤包括：

1.1光谱仪的外接光纤的光纤探头固定于灰板的支架上，用于对灰板的观测；

1.2两台光谱仪分别连接对应的外接光纤，再按水面之上测量法的要求固定于探头支架上，分别用于对天空光和水面反射光的观测，所述光谱仪的固定位置要满足离水面具有一定距离、无遮蔽物和光线充足等条件，同时观测时间应避开太阳天顶角较小的午间时段，以减少太阳耀光的影响。

所述步骤1是在二类水体水面之上测量法的基础上，根据内陆河道的特殊性进行用于内陆河道表层水体反射光谱快速观测的实测仪器的安置，实现水体反射光谱连续走航观测。

所述步骤1按照垂直观测的要求，调整所述光谱仪的光纤探头与水体表面法线平行，即观测天顶角分别为0°(水面反射光的观测)或180°(天空光的观测)的情况。

采用垂直观测的方法设置光谱仪的角度，光谱仪的光纤探头分别安置为垂直于灰板、天空和水面进行同步观测。虽然(40°，135°)是目前推荐使用的二类水体观测几何，但由于倾斜观测需要依据河道走向、船体位置、岸线遮蔽物、太阳方位等情况随时调整观测角度，因此无法适用于内陆河道水体的快速连续观测。在综合考虑内陆水体，特别是河道水体的特殊性后，以快速观测为目的，将观测几何进行的角度调整为(0°，180°)。

优选地，所述步骤2中计算遥感反射率，并对计算所得的遥感反射率的异常值进行识别和剔除的步骤包括：

2.1光谱仪数据的导出及格式转换，光谱仪实测数据用其匹配软件导出，导出格式为ASD格式，对导出的数据用ViewSpecPro进行查看，并将ASD格式转换成面向连续观测的光谱反射数据处理系统所需的TXT格式；

2.2水体实测辐亮度异常值的剔除，将步骤2.1得到的数据输出到光谱反射数据处理系统读取所述TXT文件的每条数据，然后选择特征波长查看并识别明显的异常值，最后将所述异常值剔除，所述异常值出现的原因主要是走航观测时受到河道上桥梁的遮蔽所致。

2.3计算水体的遥感反射率Rrs：

式中，Lw、Lsky、Es分别为光谱仪面向水体、天空和标准灰板时的测量值，ρ

2.4遥感反射率异常值的剔除及平滑：通过步骤2.3得到内陆河道表层水体遥感反射率后，再次选择特征波长查看并识别计算得到的遥感反射率的异常值，然后对剔除异常值后的内陆河道表层水体的遥感反射率进行均值滤波，实现数据的平滑，得到修正后的遥感反射率。

步骤2.4中采用先设定阈值，再根据设定阈值的前后两条数据的差值与阈值进行比较，剔除异常的遥感反射率。

步骤2基于实测数据的内陆河道表层水体遥感反射率计算及异常值的识别和剔除是以快速、连续观测为目的。所有数据异常值的识别和剔除在面向连续观测的光谱反射数据处理系统中实现。

优选地，所述步骤3以步骤2得到的遥感反射率的数据和卫星定位数据进行的时空同步匹配，其具体步骤包括如下：

3.1内陆河道表层水体遥感反射率的时间同步，对于缺乏光谱数据记录的整秒时刻，采用所述整秒时刻前后时刻的两条光谱数据的均值进行插值处理，对于存在多条光谱数据记录的整秒时刻，则以该时刻内的多条光谱数据的均值进行代替处理，由此获得整秒时刻的光谱数据结果，达到时间上的连续观测。

3.2内陆河道表层水体遥感反射率的空间同步定位，利用连续观测的卫星定位数据，按照步骤3.1处理后的整秒时刻的数据，插值出同步的整秒经纬度数据，从而实现对经纬度数据和内陆河道表层水体遥感反射率数据的时间-空间匹配，得到在时空上连续的内陆河道表层水体遥感反射率。

本发明相比现有技术，其优点在于：

1.采用垂直观测，无需调整测量角度，测量的一致性能够保证且稳定性较好，垂直测量的光谱反射率计算同样可以消除了大部分不确定因素，完全符合做反演模型的构建及水质光谱特性研究。

2.由于光谱采集还参考了太阳高度角和采集时间等因素，使得光谱特征得到了进一步的改善，且进行了时间和经纬度的时空匹配，提高了水体遥感反射率数据的时空连续性。同时，由于大多数卫星传感器的观测天顶角都接近于0，也就是近乎垂直观测，所以本发明除了得到大量连续的内陆河道表层水体反射光谱数据外，还可以作为与卫星影像观测几何更为接近的实测数据进行应用。

附图说明

图1为本发明实施例光谱仪互校几何示意图。

图2为本发明实施例得到的光谱仪标定系数图。

图3为本发明实施例光谱仪实测几何示意图。

图4为本发明实施例经过数据合理性检验和修正后得到的特征波长遥感反射率。

图5为本发明实施例经过数据合理性检验和修正后得到的时间上连续的遥感反射率。

图6为为本发明实施例时空匹配后得到的时空上连续的遥感反射率。

具体实施方式

一种内陆河道表层水体反射光谱走航观测方法，包括以下步骤：

(1)安置用于内陆河道表层水体反射光谱连续观测的实测仪器，并按照垂直观测的要求调整所述实测仪器的角度，实现对灰板、天空光和水面反射光的同步观测；

(2)使用所述的实测仪器测得的灰板、天空光和水面反射光的观测值计算遥感反射率，并对计算所得的遥感反射率的异常值进行识别和剔除；

(3)将步骤(2)得到的内陆河道表层水体遥感反射率进行时间-空间匹配，得到在时空上连续的内陆河道表层水体的遥感反射率。

选择图6所示河道进行快速连续的内陆河道表层水体反射光谱走航观测，具体步骤为：

S1.1如图1所示，在对光谱仪进行灰板标定得到对应的辐亮度值，并计算得到天空光和水面反射光的标定系数，如图2所示。由于光谱仪的型号、感光元件响应、外接光纤等差异，故测得的数据存在一致性误差，标定系数可减少因光谱仪、外接光纤等设备因素产生的误差。

S1.2如图3所示，将光谱仪的外接光纤的光纤探头固定于灰板的支架上，用于对灰板的观测。

S1.3如图3所示，将两台光谱仪分别连接对应的外接光纤，再按水面之上测量法的要求固定于探头支架上，分别用对于天空光和水面反射光的观测，光谱仪的固定位置要满足离水面具有一定距离、无遮蔽物和光线充足等条件，同时观测时间应避开太阳天顶角较小的午间时段，以减少太阳耀光的影响。

S1.4采用垂直观测的方法设置光谱仪的角度，光谱仪的光纤探头分别安置为垂直于灰板、天空和水面进行同步观测。

S1.5选择水面风浪较小时进行观测，测试船的船体应避免摇晃；测试船匀速在河道中间位置行驶，尽量避免岸线遮蔽物本身和阴影对观测的影响。

S2.1光谱仪的数据导出及格式转换，光谱仪实测数据用其匹配软件导出，导出格式为ASD格式，对导出的数据用ViewSpecPro进行查看，并将ASD格式转换成面向连续观测的光谱反射数据处理系统所需的TXT格式。

S2.2水体实测辐亮度异常值的剔除，光谱反射数据处理系统读取TXT文件的每条数据，然后选择特征波长查看并识别明显的异常值，最后将异常值剔除，如图4所示。

S2.3计算水体的遥感反射率Rrs：

式中，Lw、Lsky、Es分别为光谱仪面向水体、天空和标准灰板时的测量值，ρ

S2.4遥感反射率异常值的剔除及平滑：通过S3.3得到内陆河道表层水体遥感反射率后，再次选择特征波长查看并识别计算得到的遥感反射率的异常值，采用先设定阈值，再根据前后两条数据的差值与阈值进行比较的方法剔除掉异常的遥感反射率，然后对剔除掉异常值的内陆河道表层水体的遥感反射率进行均值滤波来实现数据的平滑，得到修正后的遥感反射率，如图5所示。

S3.1内陆河道表层水体的遥感反射率的时间同步，对于缺乏光谱数据记录的整秒时刻，采用其前后时刻的两条光谱数据的均值进行插值处理，对于存在多条光谱数据记录的整秒时刻，则以该时刻内的多条光谱数据的均值进行代替处理，由此获得整秒时刻的光谱数据结果，达到时间上的连续观测。由于光谱仪观测时数据设置为1秒一条数据，但由于光谱仪记录存在数据延迟等现象，光谱数据并未为整秒记录，故需要进行时间匹配处理。

S3.2内陆河道表层水体遥感反射率的空间同步定位，利用连续观测的卫星定位数据，按照步骤3.1处理后的整秒时刻的数据，插值出同步的整秒经纬度数据，从而实现对经纬度数据和内陆河道表层水体遥感反射率数据的时间-空间匹配，得到在时空上连续的内陆河道表层水体遥感反射率，如图6所示。