8-專題：基于環(huán)境小衛(wèi)星的湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測

1、專題：基于環(huán)境小衛(wèi)星的湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測技術(shù)支持郵箱：ENVI-IDL技術(shù)支持熱線：400-819-2881-7官方技術(shù)博客：http:/ 太湖是中國第三大淡水湖，也是富營養(yǎng)化比較嚴重的湖泊之一。懸浮物、葉綠素a、有色可溶性有機物等是水質(zhì)監(jiān)測的重要參數(shù)。專題背景l(fā)這些水質(zhì)參數(shù)濃度的變化，會引起水體生物光學特性和水面反射率的改變，利用遙感技術(shù)，根據(jù)水體光譜特性與水質(zhì)參數(shù)濃度間的關(guān)系，反演水質(zhì)參數(shù)，可以實現(xiàn)湖泊水質(zhì)的高頻率、大范圍、準實時監(jiān)測l 本專題詳細介紹了利用環(huán)境小衛(wèi)星CCD-1B圖像反演太湖葉綠素a濃度的完整流程，涉及環(huán)境小衛(wèi)星的數(shù)據(jù)讀取、輻射定標、幾何校正、大氣校正、反演模型的建立、遙感反

2、演過程、反演結(jié)果驗證等內(nèi)容。l 使用模塊和工具： ENVI主模塊 FLAASH大氣校正擴展模塊 IDL開發(fā)的環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)讀取補丁 Excel相關(guān)功能專題概述處理流程HJ1B-CCD1原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取輻射定標幾何校正大氣校正太湖區(qū)裁剪環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理補丁基準影像波譜響應函數(shù)葉綠素濃度分布圖模型應用于圖像結(jié)果分析星上點與地面實測點建模模型修正數(shù)據(jù)預處理葉綠素濃度反演太湖矢量數(shù)據(jù)l 根據(jù)環(huán)境小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)特點及太湖水質(zhì)反演技術(shù)要求，采用的技術(shù)路線為：先對環(huán)境小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理：數(shù)據(jù)讀取、輻射定標、幾何校正、大氣校正、太湖區(qū)裁剪， 利用波段比值法對實測的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)建立反演模型，

3、將模型應用于太湖水面區(qū)域影像，反演出整個太湖區(qū)的葉綠素a濃度。流程說明l 環(huán)境小衛(wèi)星CCD-1B數(shù)據(jù)，在環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應用中心免費下載獲取，環(huán)境小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)下載地址：l 環(huán)境小衛(wèi)星的讀取補丁下載地址：http:/ TM數(shù)據(jù)下載地址為：l 大氣校正用到的環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)波譜響應函數(shù)下載地址： http:/ 數(shù)據(jù)： “4-專題：基于環(huán)境小衛(wèi)星的湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測”進入專題數(shù)據(jù)預處理葉綠素反演成果后期處理及應用2、數(shù)據(jù)預處理圖像預處理流程HJ1B-CCD1原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取 輻射定標 幾何校正大氣校正太湖區(qū)裁剪環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理補丁基準影像波譜響應函數(shù)太湖矢量數(shù)據(jù)太湖水面HJ1B-CCD1數(shù)據(jù)l 安裝

4、環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)讀取和定標補丁 HomeProgram FilesExelisENVI51Extensions目錄下l 數(shù)據(jù)讀取和定標 主菜單-File-Open As-HJ-1A1B2.1 數(shù)據(jù)讀取和定標l 這一步是對環(huán)境數(shù)據(jù)進行幾何校正，使其具有精確的地理信息，基準影像可以是地形圖，也可以是已經(jīng)過校正的其他中高分辨率影像，本專題中采用已經(jīng)過校正的TM數(shù)據(jù)作為基準影像。l 目的是讓環(huán)境小衛(wèi)星影像擁有精確的坐標，可以與其他數(shù)據(jù)向匹配，如實測GPS數(shù)據(jù)。2.2 幾何校正（一、目的）l 由于整景數(shù)據(jù)范圍非常大，而我們的工程區(qū)只是其中一小部分，所以在進行幾何配準之前，將太湖以及周邊區(qū)域裁剪出來。2.2

5、 幾何校正 (二、工程區(qū)裁剪）l 以TM作為基準影像對環(huán)境小衛(wèi)星圖像進行圖像配準2.2 幾何校正（三、圖像配準）l 獲得地物真實的光譜信息是遙感反演的前提，大氣校正可消除大氣影響，還原地物的真實信息，是定量遙感數(shù)據(jù)預處理中必不可少的環(huán)節(jié)。2.3 大氣校正（一、概述）l 環(huán)境小衛(wèi)星提供了波譜響應函數(shù)，以文本形式提供，第一列表示波長（nm），后面四列分別表示4個波段對應波長的波譜響應值。需要制作波譜曲線來描述波譜響應函數(shù)，用于大氣校正2.3 大氣校正（二、制作波譜響應曲線）l 數(shù)據(jù)準備l FLAASH對圖像文件有以下幾個要求： 數(shù)據(jù)是經(jīng)過定標后的輻射亮度（輻射率）數(shù)據(jù)，單位是：（W）/（cm2*n

6、m*sr）。 數(shù)據(jù)帶有中心波長（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM）,這兩個參數(shù)都可以通過編輯頭文件信息輸入（Edit Header）。 數(shù)據(jù)類型 支持四種數(shù)據(jù)類型：浮點型（floating）、長整型(long integer )、整型（integer）和無符號整型 (unsigned int)。數(shù)據(jù)存儲類型： ENVI標準柵格格式文件，且是BIP或者BIL。 波譜范圍：4002500nm2.3 大氣校正（三、FLAASH大氣校正）l 基本參數(shù)設(shè)置2.3 大氣校正（四、FLAASH基本參數(shù)設(shè)置）l 多光譜參數(shù)設(shè)置2.3 大氣校正（五、FLAASH多光譜參數(shù)設(shè)置）l

7、高級參數(shù)設(shè)置2.3 大氣校正（六、FLAASH高級參數(shù)設(shè)置）l 結(jié)果檢驗l 大氣校正前后典型地物（植被）光譜曲線對比2.3 大氣校正（七、結(jié)果檢驗）l 利用ENVI FX提供的面向?qū)ο髨D像分割工具，首先獲得Shapefile，然后利用ENVI的矢量編輯功能獲取太湖矢量文件。l 保存在 “4-專題：基于環(huán)境小衛(wèi)星的湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測3-大氣校正太湖矢量數(shù)據(jù)”2.4 裁剪太湖區(qū)l 利用獲得的Shapefile進行圖像裁剪l 太湖矢量數(shù)據(jù)： “4-專題：基于環(huán)境小衛(wèi)星的湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測3-大氣校正太湖矢量數(shù)據(jù)”2.4 裁剪太湖區(qū)3、葉綠素反演l 本環(huán)節(jié)最重要的是地面實測點與星上點的反演模型建立，涉及到

8、定量遙感的知識。l 在前人研究了大量的算法和模型的基礎(chǔ)上，本專題選擇經(jīng)驗模型之一波段值模型（BNIR/BRED）來進行葉綠素的反演，做為示例。l 波段比值模型： Chla=a*（BNIR/BRED）+b葉綠素反演模型應用于圖像星上點與地面實測點建模模型修正l 這一步需要整理實地調(diào)查數(shù)據(jù)，將水面調(diào)查點的空間位置及實測chla值一一對應。l 實測點歸類反演點、驗證點。l 按照標準格式：點號、水面調(diào)查點的經(jīng)緯度、葉綠素含量，以四列形式保存為.txt和Excel文件。3.1 采樣點實測數(shù)據(jù)整理l 生成波段比值影像 Basic Tool-Bandmath，表達式：float(b4)/b3l 在波段比值影

9、像上導入采樣點數(shù)據(jù)，將影像上對應位置的像素值導出3.2 采樣點星上數(shù)據(jù)獲取l 在Excel中選中BNIR/BRED值與葉綠素a實測值，繪制散點圖3.3 模型參數(shù)反演l 反演出的參數(shù)a和b，帶入反演模型： Chla= 0.0417* BNIR/BRED+0.0167 葉綠素反演 Basic Tool-Bandmath， 表達式：0.0417*b1 + 0.0167 設(shè)置b1為b4/b3圖像l 得到葉綠素反演圖。3.4 葉綠素反演4、成果后處理及應用l 將驗證點對應的葉綠素反演值導出來，與驗證點的實測值在Excel表中一一對應。l 同樣可以進行反演模型建立，以R2對進行結(jié)果驗證。4.1 反演結(jié)果驗證l 彩色顯示 在Layer Manager中，右鍵選擇Raster Color Slices，在彈出的對話框中設(shè)置顏色表，單擊OK,將結(jié)果以彩色方式顯示。l 制圖輸出 啟動32位envi，選擇菜單FilePrint，調(diào)用ArcGIS的制圖工具。 如果沒有安裝ArcGIS，可以使用ENVI Classic的QuickMap。4.2 反演結(jié)果制圖輸出l 該專題從原始的HJ1