一種利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法。其特征在于，所述的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法包括以下步驟：S1：利用ASD便攜式光譜儀和TDR土壤水分儀采集岸灘表層反射率光譜與含水量數(shù)據(jù)，處理后建立岸灘含水量反演建模數(shù)據(jù)集；S2：利用岸灘含水量反演建模數(shù)據(jù)集建立沙質(zhì)岸灘含水量反演模型；S3：利用前述沙質(zhì)岸灘含水量反演模型對經(jīng)過預處理的高光譜遙感數(shù)據(jù)進行處理，得到岸灘含水量分布數(shù)據(jù)，并利用衛(wèi)星同步現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對模型反演結(jié)果進行精度評價。該方法可有效提取沙質(zhì)岸灘的含水量二維分布信息，填補了目前缺乏沙質(zhì)岸灘含水量反演方法的空白。
【專利說明】一種利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及遙感應用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種利用沙質(zhì)岸灘含水量估算方法。

【背景技術(shù)】
[0002]非基巖岸灘承載特性與岸灘含水量密切相關(guān)，研究岸灘含水量對獲取岸灘承載特性具有重要意義。大量研究發(fā)現(xiàn)，隨著岸灘含水量的提高，光譜反射率會相應降低，干燥岸灘具有較高的反射率，因此岸灘表層反射率的變化反應了岸灘表層干濕程度。高光譜遙感技術(shù)能夠?qū)挿w、高效率地獲取岸灘表層反射率，這為快速獲取大面積岸灘含水量數(shù)據(jù)提供了有效數(shù)據(jù)來源。
[0003]基于上述原理，許多專家學者利用高光譜遙感數(shù)據(jù)發(fā)展了一系列岸灘含水量反演算法。這些算法主要包括利用土壤反射率在短波紅外的3個水分吸收帶(1400nm、1900nm和2100nm)和利用在可見光近紅外波段反射率斜率變化(450nm、600nm、720nm和880nm)建立的經(jīng)驗模型。這些模型在形式主要為多元線性關(guān)系，受到土壤類型和適用區(qū)域限制，主要適用于淤泥質(zhì)岸灘的含水量反演，目前尚缺乏針對沙質(zhì)岸灘的含水量反演算法。由于岸灘質(zhì)地類型對表層反射率的影響較大，通常來說沙質(zhì)岸灘相同含水量下的反射率遠大于淤泥質(zhì)岸灘，因此適用于淤泥質(zhì)岸灘含水量反演的算法在沙質(zhì)岸灘應用時誤差較大，不能滿足應用需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]利用ASD便攜式光譜儀采集到的350nm?2500nm沙質(zhì)岸灘表層遙感反射率數(shù)據(jù)以及相應的岸灘表層含水量數(shù)據(jù)尋找對沙質(zhì)岸灘表層含水量變化敏感的波段，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高光譜遙感器光譜響應函數(shù)，建立適用于該遙感器特征的沙質(zhì)岸灘含水量反演模型。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，沙質(zhì)岸灘含水量對600-800nm光譜斜率變化敏感，同時1400nm和1900nm是沙質(zhì)岸灘表層反射率水分子吸收帶。根據(jù)這個實驗結(jié)果，本發(fā)明建立了以600與SOOnm光譜比值、1400nm和1900nm附近光譜吸收指數(shù)為自變量的沙質(zhì)岸灘含水量反演多元線性函數(shù)關(guān)系。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是建立了基于高光譜數(shù)據(jù)針對沙質(zhì)岸灘含水量反演的數(shù)學模型，模型針對性更強，反演精度高，填補了沙質(zhì)岸灘含水量缺少遙感反演模型的空白。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法流程;

【具體實施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明【具體實施方式】進一步詳細描述。
[0010]以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0011]圖1為本發(fā)明利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的針對沙質(zhì)岸灘含水量進行的估算方法流程圖，如圖1所示，本發(fā)明反演沙質(zhì)岸灘含水量流程如下:
[0012](I)建立沙質(zhì)岸灘光譜數(shù)據(jù)與含水量數(shù)據(jù)集
[0013]為針對沙質(zhì)岸灘特征建立含水量反演模型，需要同時采集其可見光到短波紅外波段的光譜數(shù)據(jù)以及相應的表層含水量數(shù)據(jù)，并建立模型數(shù)據(jù)集。岸灘表層反射率光譜的測量使用ASD FieldSpec Pro型便攜式光譜儀，獲取沙質(zhì)岸灘表層350~2500nm(光譜分辨率Inm)波長范圍內(nèi)的反射率光譜曲線。由于潮汐以及波浪的影響，岸灘表層含水量變化迅速，如果利用烘箱法獲取其含水量數(shù)據(jù)，沙質(zhì)樣本采集難度大，并且在采集過程中沙粒會迅速丟失大量水分，這將會嚴重影響最后模型反演結(jié)果。因此采用TDR 土壤水分儀進行沙質(zhì)岸灘表層體積含水量數(shù)據(jù)的采集。由于沙質(zhì)岸灘密度處于TDR土壤水分儀適用范圍(1.1~
1.7g/cm3)內(nèi)，利用TDR進行岸灘含水量數(shù)據(jù)采集的精度(相對誤差±3% )能夠滿足建模需求。現(xiàn)場采集光譜數(shù)據(jù)和含水量數(shù)據(jù)需要同時進行，采集一個樣點的含水量數(shù)據(jù)后需迅速接著采集其表層光譜數(shù)據(jù)，同時，為了減少系統(tǒng)隨機誤差，每一個樣點，都需要采集5組含水量和表層光譜數(shù)據(jù)。
[0014]采集大量岸灘含水量和光譜數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行以下處理:
[0015]I)篩選數(shù)據(jù)，去除奇異點數(shù)據(jù)，建立模型反演數(shù)據(jù)集。
[0016]2)數(shù)據(jù)篩選完成后，需要對反射率光譜數(shù)據(jù)和含水量數(shù)據(jù)分別取平均(前述每個樣點采集5組數(shù)據(jù))以消除采集系統(tǒng)隨機誤差。
[0017]3)針對反射率光譜數(shù)據(jù)，由于采集時系統(tǒng)噪聲影響，需要采用移動平均處理去除隨機噪聲影響。采用9點加權(quán)移動平均方法對光譜曲線進行平滑去噪處理。計算公式如下:
[0018]R' j = 0.04民_4+0.08民_3+0.12民_2+0.16^^+0.20?
[0019]+0.16Ri+1+0.12Ri+2+0.08Ri+3+0.04Ri+4
[0020]Rf i 是經(jīng)過平滑后的樣本反射率值，1-4、1-3、1-2、1-1、1、i+1、i+2、i+3、i+4 分別表不以i波長為中心的9個波長。
[0021]4)針對不同的高光譜遙感器，還需要利用其各波段光譜響應函數(shù)，將測量所得的反射率光譜數(shù)據(jù)等效到與高光譜數(shù)據(jù)響應的各波段中心波長，計算公式為:

【權(quán)利要求】
1.一種利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法，其特征在于，所述的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法包括以下步驟: S1:利用ASD便攜式光譜儀和TDR土壤水分儀采集岸灘表層反射率光譜與含水量數(shù)據(jù)，處理后建立岸灘含水量反演建模數(shù)據(jù)集； S2:利用岸灘含水量反演建模數(shù)據(jù)集建立沙質(zhì)岸灘含水量反演模型； S3:利用前述沙質(zhì)岸灘含水量反演模型對經(jīng)過預處理的高光譜遙感數(shù)據(jù)進行處理，得到岸灘含水量分布數(shù)據(jù)，并利用衛(wèi)星同步現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對模型反演結(jié)果進行精度評價。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法，其特征在于，所述的SI中建模數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)采集包括利用ASD便攜式光譜儀(光譜范圍是350nm~2500nm)采集岸灘表層反射率光譜以及利用經(jīng)過標定的TDR 土壤水分儀采集岸灘表層體積含水量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法，其特征在于，所述S2進行沙質(zhì)岸灘含水量反演模型系數(shù)標定的模型函數(shù)形式為:
式中，X1, X2, X3, X4是需要進行標定的系數(shù)，是800nm波段反射率與600nm波段反射率比值，SAI (1400)和SAI (1900)分別為1400nm和1900nm附近光譜吸收指數(shù)。SAI計算公式為:
式中，Xm為吸收谷點的波長，Pm是其相應的反射率，在這里分別是1400nm和1900nm。^和λ 2分別為反射率曲線吸收谷底最近的兩個肩部波長，對應1400nm的是1350nm和1550nm,對應1900nm的是1850nm和2050nm, P !和P2是與λ !和A2相應的反射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用可見光近紅外和短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的沙質(zhì)岸灘含水量估算方法，其特征在于，所述S3主要包括高光譜遙感數(shù)據(jù)預處理，利用沙質(zhì)岸灘含水量數(shù)據(jù)獲取含水量分布數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場同步觀測試驗對模型反演結(jié)果進行精度驗證。
【文檔編號】G01N21/85GK104181161SQ201310188854
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】江碧濤, 時春雨, 李紫薇, 周春平, 楊曉峰, 蔡琳, 馬勝, 楊曉月, 馬璐, 趙俊保, 吳正升, 胡世倉 申請人:江碧濤