8-专题：基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测

1、专题：基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测技术支持邮箱：ENVI-IDL技术支持热线：400-819-2881-7官方技术博客：http:/ 太湖是中国第三大淡水湖，也是富营养化比较严重的湖泊之一。悬浮物、叶绿素a、有色可溶性有机物等是水质监测的重要参数。专题背景l这些水质参数浓度的变化，会引起水体生物光学特性和水面反射率的改变，利用遥感技术，根据水体光谱特性与水质参数浓度间的关系，反演水质参数，可以实现湖泊水质的高频率、大范围、准实时监测l 本专题详细介绍了利用环境小卫星CCD-1B图像反演太湖叶绿素a浓度的完整流程，涉及环境小卫星的数据读取、辐射定标、几何校正、大气校正、反演模型的建立、遥感反

2、演过程、反演结果验证等内容。l 使用模块和工具： ENVI主模块 FLAASH大气校正扩展模块 IDL开发的环境小卫星数据读取补丁 Excel相关功能专题概述处理流程HJ1B-CCD1原始数据数据读取辐射定标几何校正大气校正太湖区裁剪环境小卫星数据处理补丁基准影像波谱响应函数叶绿素浓度分布图模型应用于图像结果分析星上点与地面实测点建模模型修正数据预处理叶绿素浓度反演太湖矢量数据l 根据环境小卫星CCD数据特点及太湖水质反演技术要求，采用的技术路线为：先对环境小卫星CCD数据进行数据预处理：数据读取、辐射定标、几何校正、大气校正、太湖区裁剪， 利用波段比值法对实测的叶绿素a浓度数据建立反演模型，

3、将模型应用于太湖水面区域影像，反演出整个太湖区的叶绿素a浓度。流程说明l 环境小卫星CCD-1B数据，在环保部卫星环境应用中心免费下载获取，环境小卫星CCD数据下载地址：l 环境小卫星的读取补丁下载地址：http:/ TM数据下载地址为：l 大气校正用到的环境小卫星数据波谱响应函数下载地址： http:/ 数据： “4-专题：基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测”进入专题数据预处理叶绿素反演成果后期处理及应用2、数据预处理图像预处理流程HJ1B-CCD1原始数据数据读取 辐射定标 几何校正大气校正太湖区裁剪环境小卫星数据处理补丁基准影像波谱响应函数太湖矢量数据太湖水面HJ1B-CCD1数据l 安装

4、环境小卫星数据读取和定标补丁 HomeProgram FilesExelisENVI51Extensions目录下l 数据读取和定标 主菜单-File-Open As-HJ-1A1B2.1 数据读取和定标l 这一步是对环境数据进行几何校正，使其具有精确的地理信息，基准影像可以是地形图，也可以是已经过校正的其他中高分辨率影像，本专题中采用已经过校正的TM数据作为基准影像。l 目的是让环境小卫星影像拥有精确的坐标，可以与其他数据向匹配，如实测GPS数据。2.2 几何校正（一、目的）l 由于整景数据范围非常大，而我们的工程区只是其中一小部分，所以在进行几何配准之前，将太湖以及周边区域裁剪出来。2.2

5、 几何校正 (二、工程区裁剪）l 以TM作为基准影像对环境小卫星图像进行图像配准2.2 几何校正（三、图像配准）l 获得地物真实的光谱信息是遥感反演的前提，大气校正可消除大气影响，还原地物的真实信息，是定量遥感数据预处理中必不可少的环节。2.3 大气校正（一、概述）l 环境小卫星提供了波谱响应函数，以文本形式提供，第一列表示波长（nm），后面四列分别表示4个波段对应波长的波谱响应值。需要制作波谱曲线来描述波谱响应函数，用于大气校正2.3 大气校正（二、制作波谱响应曲线）l 数据准备l FLAASH对图像文件有以下几个要求： 数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位是：（W）/（cm2*n

6、m*sr）。 数据带有中心波长（wavelenth）值，如果是高光谱还必须有波段宽度（FWHM）,这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（Edit Header）。 数据类型 支持四种数据类型：浮点型（floating）、长整型(long integer )、整型（integer）和无符号整型 (unsigned int)。数据存储类型： ENVI标准栅格格式文件，且是BIP或者BIL。 波谱范围：4002500nm2.3 大气校正（三、FLAASH大气校正）l 基本参数设置2.3 大气校正（四、FLAASH基本参数设置）l 多光谱参数设置2.3 大气校正（五、FLAASH多光谱参数设置）l

7、高级参数设置2.3 大气校正（六、FLAASH高级参数设置）l 结果检验l 大气校正前后典型地物（植被）光谱曲线对比2.3 大气校正（七、结果检验）l 利用ENVI FX提供的面向对象图像分割工具，首先获得Shapefile，然后利用ENVI的矢量编辑功能获取太湖矢量文件。l 保存在 “4-专题：基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测3-大气校正太湖矢量数据”2.4 裁剪太湖区l 利用获得的Shapefile进行图像裁剪l 太湖矢量数据： “4-专题：基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测3-大气校正太湖矢量数据”2.4 裁剪太湖区3、叶绿素反演l 本环节最重要的是地面实测点与星上点的反演模型建立，涉及到

8、定量遥感的知识。l 在前人研究了大量的算法和模型的基础上，本专题选择经验模型之一波段值模型（BNIR/BRED）来进行叶绿素的反演，做为示例。l 波段比值模型： Chla=a*（BNIR/BRED）+b叶绿素反演模型应用于图像星上点与地面实测点建模模型修正l 这一步需要整理实地调查数据，将水面调查点的空间位置及实测chla值一一对应。l 实测点归类反演点、验证点。l 按照标准格式：点号、水面调查点的经纬度、叶绿素含量，以四列形式保存为.txt和Excel文件。3.1 采样点实测数据整理l 生成波段比值影像 Basic Tool-Bandmath，表达式：float(b4)/b3l 在波段比值影

9、像上导入采样点数据，将影像上对应位置的像素值导出3.2 采样点星上数据获取l 在Excel中选中BNIR/BRED值与叶绿素a实测值，绘制散点图3.3 模型参数反演l 反演出的参数a和b，带入反演模型： Chla= 0.0417* BNIR/BRED+0.0167 叶绿素反演 Basic Tool-Bandmath， 表达式：0.0417*b1 + 0.0167 设置b1为b4/b3图像l 得到叶绿素反演图。3.4 叶绿素反演4、成果后处理及应用l 将验证点对应的叶绿素反演值导出来，与验证点的实测值在Excel表中一一对应。l 同样可以进行反演模型建立，以R2对进行结果验证。4.1 反演结果验证l 彩色显示 在Layer Manager中，右键选择Raster Color Slices，在弹出的对话框中设置颜色表，单击OK,将结果以彩色方式显示。l 制图输出 启动32位envi，选择菜单FilePrint，调用ArcGIS的制图工具。 如果没有安装ArcGIS，可以使用ENVI Classic的QuickMap。4.2 反演结果制图输出l 该专题从原始的HJ1