水体颗粒有机碳端元浓度确定方法、设备和存储介质

摘要

本申请涉及水体颗粒有机碳端元浓度确定方法、设备和存储介质，以降低确定水体颗粒有机碳端元浓度的成本。该方法包括：根据水体中内源性颗粒有机碳POC浓度与浮游植物吸收系数(λ)的相关性，获取与(λ)的关系模型；获取水体的水面遥感反射率模型Rrs(λ)；获取水体中内源性POC比例Rend以及水体反射光谱的波长分别在620nm和709nm处的水面遥感反射率Rrs(620)和Rrs(709)；计算水体反射光谱的波长λ在620nm处的浮游植物吸收系数(620)；将(620)代入与(λ)的关系模型中的自变量，得到；计算得到水体中外源性POC浓度。本申请的技术方案降低了确定水体颗粒有机碳端元浓度的时间和人力成本。

说明书

技术领域

本申请涉及遥感技术领域，特别涉及一种水体颗粒有机碳端元浓度确定方法、设备和存储介质。

背景技术

遥感技术作为一种信息化、数字化的重要手段，能够及时、高效地提供同一区域多平台、多时序、多光谱的监测数据。水体中颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon，POC）主要来自于内源和外源端元的混合，POC浓度分布的时空异质性也较强。这使得遥感光学技术成为探索POC浓度和POC来源组分时空变化的必然选择。POC及其端元浓度的差异不仅对湖泊生态有影响，还可能导致水体的光学特性发生变化。对于以内源性POC为主的水体（例如开阔的大洋），自生生物生产是POC的主要来源，其浮游植物吸收系数和非色素颗粒物吸收系数在可见光波段较高。基于这种来源单一的特征，学者们虽然成功地构建了POC浓度的遥感反演模型，为探索海洋POC提供了极大的便利，然而，上述遥感反演模型在应用于复杂POC来源的内陆水体时，估算精度大打折扣，甚至部分算法失效，其主要原因是内陆水体中的POC来源于原位生产、地面负荷和沉积物再悬浮这三个端元的组合，而内陆湖泊POC及其端元浓度具有较强的复杂性和多变性，基于遥感光学的POC浓度反演算法至今仍然不成熟，并且，到目前为止仍然没有一种光学算法可以用于POC端元浓度的反演。

目前，水体POC浓度测量主要是在采用实验室内采用消煮法测定，该方法需要将样品带回现场，且分析测试步骤复杂。基于遥感光学的POC浓度估算则是采用水体蓝光波段与红光波段比值或近红外波段与红光波段比值与POC浓度的线性关系进行反演模型的构建。遥感反演的方法目前仍处于一湖一模型的阶段，并且精度较低，而采用稳定同位素的方法测定水体的POC端元浓度，则因测试成本高昂且严重依赖进口质谱仪，亦极大程度上阻碍了这种方法的应用。

发明内容

为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本申请提供一种水体颗粒有机碳端元浓度确定方法、设备和存储介质，以降低确定水体颗粒有机碳端元浓度的成本。

一方面，本申请提供了一种水体颗粒有机碳端元浓度确定方法，包括：

根据水体中内源性颗粒有机碳POC浓度

通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取所述水体的水面遥感反射率模型

根据所述水面遥感反射率模型

根据所述水体反射光谱的波长分别在620nm和709nm处的水面遥感反射率

将所述

根据所述

另一方面，本申请提供了一种水体颗粒有机碳端元浓度确定装置，包括：

第一获取模块，用于根据水体中内源性颗粒有机碳POC浓度

第二获取模块，用于通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取所述水体的水面遥感反射率模型

第三获取模块，用于根据所述水面遥感反射率模型

第一计算模块，用于根据所述水体反射光谱的波长分别在620nm和709nm处的水面遥感反射率

第二计算模块，用于将所述

第三计算模块，用于根据所述

第三方面，本申请提供了一种设备，所述设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述颗粒有机碳来源示踪方法的技术方案的步骤。

第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述颗粒有机碳来源示踪方法的技术方案的步骤。

从上述本申请提供的技术方案可知，由于本申请的技术方案是通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取水体的水面遥感反射率模型，即原始数据的获取使用的是价格相对便宜和操作难度相对较低的仪器，因此，本申请的技术方案极大程度上降低了确定水体颗粒有机碳端元浓度的时间和人力成本，从而也有利于推广技术的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的水体颗粒有机碳端元浓度确定方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的地面高光谱数据获取时的ASD观测几何的示意图；

图3是本申请实施例提供的水体中内源性POC浓度

图4是本申请实施例提供的颗粒有机碳POC来源比例指数

图5是本申请实施例提供的基于地面高光谱数据集验证的水体中内源性POC比例

图6是本申请实施例提供的实测所得

图7是本申请实施例提供的实测所得

图8是本申请实施例提供的实测所得水体POC总浓度

图9是本申请实施例提供的实测所得水体中外源性POC浓度

图10是本申请实施例提供的水体颗粒有机碳端元浓度确定装置的结构示意图；

图11是本申请实施例提供的设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本说明书中，诸如第一和第二这样的形容词仅可以用于将一个元素或动作与另一元素或动作进行区分，而不必要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。在环境允许的情况下，参照元素或部件或步骤（等）不应解释为局限于仅元素、部件、或步骤中的一个，而可以是元素、部件、或步骤中的一个或多个等。

在本说明书中，为了便于描述，附图中所示的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

本申请提出了一种水体颗粒有机碳端元浓度确定方法，如附图1所示，该方法主要包括步骤S101至S106，详述如下：

步骤S101：根据水体中内源性颗粒有机碳POC浓度

由于水体中浮游植物是内源性POC的直接贡献者，并且，水体中内源性POC浓度

步骤S102：通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取水体的水面遥感反射率模型

在本申请实施例中，携式光谱辐射计可以是型号为ASD FieldSpec Pro的光谱辐射计，该仪器的光谱分辨率为2nm，测量范围为350nm至1050nm。每次测量之前要进行暗电流矫正。在测量时，应避免水体上船只等阴影和周边杂散光对输入信号的影响。每次测量10条辐射亮度光谱，然后剔除异常值后求取平均值。至于此处的水体，是指待分析颗粒有机碳来源的水体，换言之，该水体作为颗粒有机碳的受体，需要分析其中颗粒有机碳的来源。

作为本申请一个实施例，通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取水体的水面遥感反射率模型

步骤S1021：优化白板积分时间。

步骤S1022：在测量平面与水面的法线方向的夹角在30°至45°之间时，测量第一次标准灰板辐射亮度值

如图3所示，为了避开太阳直射、反射和船舶阴影对光场的破坏，要求测量员背对太阳，太阳光入射平面与便携式光谱辐射计所在测量平面间的夹角（图中以Φ示出）介于90°至135°间，便携式光谱辐射计所在测量平面与法线方向的夹角（图中以θ示出）在30°至45°之间，此处的法线方向垂直于水体表面。

步骤S1023：测量水体的总辐射亮度值

步骤S1024：将光谱辐射计保持与太阳的入射平面不变的方位角，向天空垂直旋转测量天空的漫散射辐射亮度值

需要说明的是，在测量天空的漫散射辐射亮度值

步骤S1025：测量第二次标准灰板辐射亮度值

步骤S1026：计算

即按照公式

步骤S1027：按照公式

率模型

POC稳定性碳同位素组成测定采用熔封石英管高温燃烧法。取1毫克过滤样片与 2克线装氧化铜混合装入石英管内，经真空线系统抽出真空后进行熔封，并在马弗炉内进行4小时850℃的燃烧，待样品温度降至常温后将管内的二氧化碳气体导出，经过纯化系统进行纯化后使用气体稳定同位素质谱仪测定δ

其中，Rsample是样品的同位素比，R

步骤S103：根据水面遥感反射率模型

作为本申请一个实施例，根据水面遥感反射率模型

步骤S1031：将波长λ=620和λ=709分别代入水面遥感反射率模型

如前所述，由于水面遥感反射率模型

步骤S1032：根据水面遥感反射率模型

从图4示出的水面遥感反射率模型对应曲线可知，在可见光波段，随内源性POC比例

具体地，根据水面遥感反射率模型

步骤S1033：根据地面

作为本申请一个实施例，根据地面

步骤S1034：将颗粒有机碳POC来源比例指数

如前所述，

步骤S104：根据水体反射光谱的波长分别在620nm和709nm处的水面遥感反射率

具体地，步骤S104的实现可以是：首先，通过经验公式，获取水体的水面遥感反射率模型中水体反射光谱的波长λ在778.75nm处水体的后向散射系数

步骤S105：将

在经步骤S101至步骤S104得到将

步骤S106：根据

水体中POC的总浓度

为了对通过上述实施例确定的水体中内源性POC浓度

上述MAPE和RMSE的计算公式中，

图6给出了实测所得

从上述附图1示例的水体颗粒有机碳端元浓度确定方法可知，由于本申请的技术方案是通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取水体的水面遥感反射率模型，即原始数据的获取使用的是价格相对便宜和操作难度相对较低的仪器，因此，本申请的技术方案极大程度上降低了确定水体颗粒有机碳端元浓度的时间和人力成本，从而也有利于推广技术的应用。

请参阅附图10，是本申请实施例提供的一种水体颗粒有机碳端元浓度确定装置，可以包括第一获取模块1001、第二获取模块1002、第三获取模块1003、第一计算模块1004、第二计算模块1005和第三计算模块1006，详述如下：

第一获取模块1001，用于根据水体中内源性颗粒有机碳POC浓度

第二获取模块1002，用于通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取水体的水面遥感反射率模型

第三获取模块1003，用于根据水面遥感反射率模型

第一计算模块1004，用于根据水体反射光谱的波长分别在620nm和709nm处的水面遥感反射率

第二计算模块1005，用于将

第三计算模块1006，用于根据

从以上技术方案的描述中可知，由于本申请的技术方案是通过便携式光谱辐射计对水体和天空进行辐射亮度值的测量，获取水体的水面遥感反射率模型，即原始数据的获取使用的是价格相对便宜和操作难度相对较低的仪器，因此，本申请的技术方案极大程度上降低了确定水体颗粒有机碳端元浓度的时间和人力成本，从而也有利于推广技术的应用。

图11是本申请一实施例提供的设备的结构示意图。如图11所示，该实施例的设备11主要包括：处理器110、存储器111以及存储在存储器111中并可在处理器110上运行的计算机程序112，例如水体颗粒有机碳端元浓度确定方法的程序。处理器110执行计算机程序112时实现上述水体颗粒有机碳端元浓度确定方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S106。或者，处理器110执行计算机程序112时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图10所示第一获取模块1001、第二获取模块1002、第三获取模块1003、第一计算模块1004、第二计算模块1005和第三计算模块1006的功能。

示例性地，水体颗粒有机碳端元浓度确定方法的计算机程序112主要包括：根据水体中内源性颗粒有机碳POC浓度

设备11可包括但不仅限于处理器110、存储器111。本领域技术人员可以理解，图11仅仅是设备11的示例，并不构成对设备11的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器110可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 （Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现成可编程门阵列 （Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器111可以是设备11的内部存储单元，例如设备11的硬盘或内存。存储器111也可以是设备11的外部存储设备，例如设备11上配备的插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器111还可以既包括设备11的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器111用于存储计算机程序以及设备所需的其他程序和数据。存储器111还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即，将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/设备实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个非临时性计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，水体颗粒有机碳端元浓度确定方法的计算机程序可存储于一存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤，即，根据水体中内源性颗粒有机碳POC浓度

非临时性计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读内存（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，非临时性计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，非临时性计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。