[发明专利]基于GNSS信号的水面水华密度遥感探测方法及系统

说明书

本发明提供一种基于GNSS信号的水面水华密度遥感探测方法及系统，包括利用组成混合物介质的各介电常数，构建水华混合物的反射模型；利用风速数据、GNSS观测的均方斜率，以及和光学或近红外遥感影像的水华密度数据，建立以水华密度和风速为参数的水华表面的风驱动粗糙度模型；以双基雷达方程为基础，结合水华反射特点，顾及已建立的以水华密度为参数的水面混合物反射模型和粗糙度模型，建立水华密度和GNSS反射观测值的关系模型；同时利用水华区域内对应的GNSS‑R反射功率和水华密度进行拟合，获取水华密度探测经验模型，实现基于GNSS‑R反射功率的水面水华反演。本发明大幅降低了水华监测成本，同时提升了水华监测的时空分辨率。

技术领域

本发明涉及遥感技术领域，特别涉及一种利用GNSS信号遥感探测水面水华密度的技术方案。

背景技术

水华(包括赤潮、浒苔等)是由于水体富营养化产生的一种严重的水污染灾害。近些年，水华的种类、爆发周期和爆发机制产生了重大变化，日益呈现长时间、高频次、大范围且危害不断加剧的特征，对海洋生态和海洋经济造成了无法估量的损失。目前，对于水华的监测主要依靠原位测量(人工采集、分析水样、浮标等)和卫星遥感等方式。这些方法在水华监测中发挥着重要的作用，但也存在着一定的不足。原位测量方法成本高，监测区域有限，对大面积爆发的水华往往无能为力；遥感技术通过海水颜色监测水华，但是往往水华发生到一定程度才能有所察觉，因此无法实现水华密度的反演。同时，受限于卫星数量，传统遥感方式重访时间很长，难以适应水华快速变化的特点，并且部分光学卫星受天气条件影响严重，无法实现长时间连续观测。

发明内容

本发明主要是解决现有技术及监测方法所存在的技术问题，给出了一种利用GNSS信号进行水华探测的新方案。该方案不仅能够降低监测成本、提高监测时效性，而且有效地解决卫星遥感方式复杂环境下监测的不确定性问题。

本发明着力解决两个问题。第一是水华产生对GNSS信号的影响机制。聚焦于因水华引起的GNSS信号的水面反射模型与正常水面的差异，构建一种由因水华的爆发而改变的水面反射率模型。该模型是由混合物(水体、水华、有机物泡沫等)的组成成分所占比例及各自的介电常数为基础构建的，普遍适用于各种水体环境；另外是解决水华的产生导致水面粘性阻尼增加进而对GNSS反射信号的影响关系模型。通过分析水华产生的机理和水华产生对水面张力的影响来确定水华对GNSS信号的影响。第二是构建GNSS反射信号区与水华密度的关系模型。在实现GNSS反射信号区分水华区域和正常水面区域能力的同时，还要实现GNSS信号可探测水华密度的能力。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明提供一种基于GNSS信号的水面水华密度遥感探测方法，包括以下步骤：

步骤1，利用组成混合物介质的各介电常数，构建水华混合物的反射率模型；

步骤2，利用风速数据、GNSS观测的均方斜率mss，以及光学或近红外遥感影像的水华密度数据，建立以水华密度和风速为参数的水华表面的风驱动粗糙度模型；

步骤3，以双基雷达方程为基础，结合水华反射特点，顾及已建立的以水华密度为参数的水面混合物反射模型和粗糙度模型，建立水华密度和GNSS反射观测值的关系模型；

步骤4，同时利用水华区域内对应的GNSS-R反射功率和水华密度进行拟合，获取水华密度探测经验模型，实现基于GNSS-R反射功率的水面水华反演。

而且，步骤1中，基于混合物各个组成部分的体积比、介电常数和水华细胞形态参数，构建线性组合的水华混合物介电常数模型，利用菲涅尔反射方程，计算混合物水面反射系数。

而且，设水体和泡沫混合物的介电常数为ε_wf，水华藻体的介电常数为ε_ga，所述水华混合物介电常数模型表示为，