[发明专利]一种基于卫星遥感监测城市污染水体的方法

说明书

本发明公开了一种基于卫星遥感监测城市污染水体的方法，属于城市污染水体监测技术领域，包括以下步骤：S1、获取卫星遥感数据，并对获取的数据预处理后，得到瑞利校正反射率数据；S2、水体提取模型的训练数据生成；S3、水体提取模型的训练、验证与应用；S4、基于机器学习的城市污染水体提取模型的建立、验证与应用，该基于卫星遥感监测城市污染水体的方法，进一步提取城市污染水体，相较以往污染水体的提取方法而言，自动性更强、适用性更广，更适合于实际应用，并且基于机器学习算法，使用卫星的R_rc数据建立了城市污染水体的识别监测模型，相比以往算法更具稳定性，为城市污染水体的长期业务化监测打下坚实基础。

技术领域

本发明属于城市污染水体监测技术领域，具体涉及基于卫星遥感监测城市污染水体的方法。

背景技术

污染频发的河道常为封闭或半封闭状态，没有明显的水流流动，且表面常漂浮生活垃圾等,造成水体污染的主要成因包括有机污染物、重金属污染、底泥再悬浮、水体热污染以及水循环条件不足等，这种河流污染已经成为我国众多城市都存在的环境污染问题,严重污染的河流对城市环境和居民生活均造成多方面的不利影响，不仅危及居民生活用水安全、破坏河流生态功能，而且其中滋生的微生物还会影响周边空气的质量，最终甚至引发个体疾病或传染疾病爆发，危害市民的身体健康。针对我国严重的水污染现状，因此，控制和治理城市河道水体污染已经迫在眉睫,河流污染问题的治理已成为政府和学界关注的城市环境改善的重点和难点。

早期的污染水体监测采用人工采样的方式，利用遥感手段监测是近几年兴起的一种技术手段,最早的水色遥感主要针对开阔海域及海湾地区，直到19世纪70年代，遥感技术才开始被应用于内陆水体的识别研究，国外学者利用遥感手段估计叶绿素a（Chlorophyll-a, Chl-a）浓度和总悬浮物浓度，研究海域的污染状况，然而遥感手段用于监测污染水体的应用却不多，现有应用主要分为以下3个方面。

（1）从典型遥感水质参数的角度，探究其与卫星波段组合及污染水体评价指标之间的联系，建立污染水体判别模型，选择陆地卫星Landsat TM数据对各波段与综合污染指数进行多元回归分析，定量化预测水体污染指数，利用GF卫星反演Chl-a浓度、总悬浮物浓度和浊度，发现Chl-a浓度和总悬浮物浓度在量值上与水体黑臭并无关联，浊度可以很好地区分黑臭水体与一般水体，可作为判别指标，利用GF-1影像反演水质参数的研究确定模型，反演Chl-a浓度、悬浮物浓度、透明度和综合营养状态指数，并以综合营养状态指数为指标评价水体黑臭情况，效果较好；

（2）从水体的光学作用机理角度，分析致黑臭物质或其他水体组分的吸收特征以及水体表观反射的特征差异，构建黑臭水体识别模型，对黑臭水体和一般水体的固有光学特性差异进行了分析，发现重度黑臭水体的透明度低于一般水体，悬浮物浓度、浊度和黄色物质（Colored dissolved organic matter，CDOM）均高于一般水体，轻度黑臭介于两者之间，对悬浮物等水质参数浓度及水体组分吸收系数进行测量，发现由于黑臭水体中的CDOM浓度较高，可将CDOM吸收特征波段400 nm与不同波段范围内拟合的吸收系数曲线斜率作为区分依据，以南京市为研究区域，采用GF-2影像，提出单波段阈值法、蓝绿波段差值法、红绿波段比值法和色度法，比值法的识别精度最高，其中，色度法可以直观且定量地反映水体颜色变化规律，根据色度计算公式，将红、绿、蓝波段分别作为R、G、B通道代入公式计算，得到CIE坐标系统中表征颜色的主波长，以主波长范围划分阈值区分两类水体，针对沈阳市提出新的归一化比值法BOI，并改进了温爽提出的比值法阈值，提高对于沈阳市的普适性，通过光谱特征，构建反映水体清洁程度的光谱指数WCI，并结合水色、次生环境、河道淤塞和岸边带垃圾堆放4种解译标志识别太原市的黑臭水体，识别精度良好；

（3）结合污染水体周围的地物影像特征作为解译标志，研究污染水体的提取方法也是应用的一方面，基于多源数据，通过目视解译与计算机变化信息的提取，实现了对黑臭水体治理进展情况的监测；