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

1、專題：基于環(huán)境小衛(wèi)星的湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)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(guó)第三大淡水湖，也是富營(yíng)養(yǎng)化比較嚴(yán)重的湖泊之一。懸浮物、葉綠素a、有色可溶性有機(jī)物等是水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(huì)引起水體生物光學(xué)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(shí)現(xiàn)湖泊水質(zhì)的高頻率、大范圍、準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)l 本專題詳細(xì)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(biāo)、幾何校正、大氣校正、反演模型的建立、遙感反

2、演過(guò)程、反演結(jié)果驗(yàn)證等內(nèi)容。l 使用模塊和工具： ENVI主模塊 FLAASH大氣校正擴(kuò)展模塊 IDL開(kāi)發(fā)的環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)讀取補(bǔ)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(biāo)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(bǔ)丁基準(zhǔn)影像波譜響應(yīng)函數(shù)葉綠素濃度分布圖模型應(yīng)用于圖像結(jié)果分析星上點(diǎn)與地面實(shí)測(cè)點(diǎn)建模模型修正數(shù)據(jù)預(yù)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(diǎn)及太湖水質(zhì)反演技術(shù)要求，采用的技術(shù)路線為：先對(duì)環(huán)境小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、太湖區(qū)裁剪， 利用波段比值法對(duì)實(shí)測(cè)的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)建立反演模型，

3、將模型應(yīng)用于太湖水面區(qū)域影像，反演出整個(gè)太湖區(qū)的葉綠素a濃度。流程說(shuō)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(yīng)用中心免費(fèi)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(bǔ)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(yīng)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(cè)”進(jìn)入專題數(shù)據(jù)預(yù)處理葉綠素反演成果后期處理及應(yīng)用2、數(shù)據(jù)預(yù)處理圖像預(yù)處理流程HJ1B-CCD1原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取 輻射定標(biāo) 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(bǔ)丁基準(zhǔn)影像波譜響應(yīng)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(biāo)補(bǔ)丁 HomeProgram FilesExelisENVI51Extensions目錄下l 數(shù)據(jù)讀取和定標(biāo) 主菜單-File-Open As-HJ-1A1B2.1 數(shù)據(jù)讀取和定標(biāo)l 這一步是對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，使其具有精確的地理信息，基準(zhǔn)影像可以是地形圖，也可以是已經(jīng)過(guò)校正的其他中高分辨率影像，本專題中采用已經(jīng)過(guò)校正的TM數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)影像。l 目的是讓環(huán)境小衛(wèi)星影像擁有精確的坐標(biāo)，可以與其他數(shù)據(jù)向匹配，如實(shí)測(cè)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(jìn)行幾何配準(zhǔn)之前，將太湖以及周邊區(qū)域裁剪出來(lái)。2.2

5、 幾何校正 (二、工程區(qū)裁剪）l 以TM作為基準(zhǔn)影像對(duì)環(huán)境小衛(wèi)星圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)2.2 幾何校正（三、圖像配準(zhǔn)）l 獲得地物真實(shí)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(shí)信息，是定量遙感數(shù)據(jù)預(yù)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(yīng)函數(shù)，以文本形式提供，第一列表示波長(zhǎng)（nm），后面四列分別表示4個(gè)波段對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的波譜響應(yīng)值。需要制作波譜曲線來(lái)描述波譜響應(yīng)函數(shù)，用于大氣校正2.3 大氣校正（二、制作波譜響應(yīng)曲線）l 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備l FLAASH對(duì)圖像文件有以下幾個(gè)要求： 數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)定標(biāo)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(zhǎng)（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM）,這兩個(gè)參數(shù)都可以通過(guò)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(diǎn)型（floating）、長(zhǎng)整型(long integer )、整型（integer）和無(wú)符號(hào)整型 (unsigned int)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型： ENVI標(biāo)準(zhǔn)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(jí)參數(shù)設(shè)置2.3 大氣校正（六、FLAASH高級(jí)參數(shù)設(shè)置）l 結(jié)果檢驗(yàn)l 大氣校正前后典型地物（植被）光譜曲線對(duì)比2.3 大氣校正（七、結(jié)果檢驗(yàn)）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(cè)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(jìn)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(cè)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(shí)測(cè)點(diǎn)與星上點(diǎn)的反演模型建立，涉及到

8、定量遙感的知識(shí)。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(yàn)?zāi)Ｐ椭徊ǘ沃的Ｐ停˙NIR/BRED）來(lái)進(jìn)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(yīng)用于圖像星上點(diǎn)與地面實(shí)測(cè)點(diǎn)建模模型修正l 這一步需要整理實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，將水面調(diào)查點(diǎn)的空間位置及實(shí)測(cè)chla值一一對(duì)應(yīng)。l 實(shí)測(cè)點(diǎn)歸類反演點(diǎn)、驗(yàn)證點(diǎn)。l 按照標(biāo)準(zhǔn)格式：點(diǎn)號(hào)、水面調(diào)查點(diǎn)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(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理l 生成波段比值影像 Basic Tool-Bandmath，表達(dá)式：float(b4)/b3l 在波段比值影

9、像上導(dǎo)入采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，將影像上對(duì)應(yīng)位置的像素值導(dǎo)出3.2 采樣點(diǎn)星上數(shù)據(jù)獲取l 在Excel中選中BNIR/BRED值與葉綠素a實(shí)測(cè)值，繪制散點(diǎn)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(dá)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(yīng)用l 將驗(yàn)證點(diǎn)對(duì)應(yīng)的葉綠素反演值導(dǎo)出來(lái)，與驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測(cè)值在Excel表中一一對(duì)應(yīng)。l 同樣可以進(jìn)行反演模型建立，以R2對(duì)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。4.1 反演結(jié)果驗(yàn)證l 彩色顯示 在Layer Manager中，右鍵選擇Raster Color Slices，在彈出的對(duì)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(dòng)32位envi，選擇菜單FilePrint，調(diào)用ArcGIS的制圖工具。 如果沒(méi)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