一种基于遥感水色指数变化的地表水质监测方法

本发明属于遥感和环境领域，特别涉及一种基于遥感水色指数变化的地表水质监测方法。

背景技术：

1、水质监测对维持水环境健康起着重要作用。在水污染防治工作中，水质监测是提高水环境管理保护的必要手段和重要环节，在环境监测中占有很大比重。

2、内陆水体与人类的生产生活息息相关，在我国，水资源表现出来的最大问题是缺乏地表水质监测，难以满足重点地区对水质的情况获取需求。具体表现为水质监测站的数量较少，无法全面获取水质的情况；水质监测中的采样数据不足，难以满足对重点区域的数据获取。总之，实测数据成本高昂且难以提供及时反馈。

3、近些年随着卫星遥感的发展，相关研究开始利用卫星遥感数据提取以水色指数为代表的水体颜色参量来进行水质研究。研究发现水色指数与水体营养状态、水中总悬浮物浓度和水体透明度有较好相关性，能够指示水体综合水质，尤其是水体浑浊程度情况，因此，近年来水色指数被提升为重要的综合水质参数之一。颜色级别越低水体越清澈水质越好，颜色级别越高水体越浑浊水质越差。水体颜色指数是在海洋学中传统的forel-ule指数(fui)的基础上发展起来的。fui采用离散值(1-21)，实现了从蓝色到棕色的全覆盖，可有效用于不同浊度水平的水体。基于遥感图像的fui提取始于2012年，至今，已开展了基于遥感的大型湖泊和海洋等自然水体进行水色研究。但是，目前尚未有利用卫星遥感影像进行水质监测的可行技术手段。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于遥感水色指数变化的地表水质监测方法，用以通过卫星遥感影像，提取出目标水域的多年水色指数值的分布情，构建水色局部变化指数定量时空的局部变化情况，有效反映水域的水质时空变化，从而达到水质监测的效果。。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种基于遥感水色指数变化的地表水质监测方法，其包括：

3、s1：获取多个年份包含完整目标水域的区域遥感影像，计算每个年份区域遥感影像的地表反射率，得到每个季度区域内的第一遥感影像以及对应的区域地表反射率；

4、s2：根据每个季度区域内的第一遥感影像，提取每个年份区域内目标水域的水面，生成每个季度区域内目标水域的水面范围矢量数据；

5、s3：根据每个季度区域内的第一遥感影像和目标水域的水面范围矢量数据，通过基于卫星的水色指数，得到目标水域各季度的水色指数值栅格影像；

6、s4：根据目标水域每年各季度的水色指数值栅格影像，通过均值计算，得到目标水域多年的水色指数均值；

7、s5：对目标水域每个季度的水色指数值栅格影像，通过水色指数的局部变化指数得到目标水域的各季度水色指数的空间变化栅格；

8、s6：对目标水域多年的水色指数均值，通过水色指数的局部变化指数得到多年的相对变化值。

9、在本发明的一实施例中，多个年份之间的间隔相等。

10、在本发明的一实施例中，步骤s1中，对于不存在遥感影像的季度，则在其对应的年份跳过，

11、步骤s1包括：

12、对每个季度区域遥感影像进行预处理，预处理包括大气校正和去云，对预处理后的每个季度区域遥感影像分别计算对应的区域地表反射率；

13、对预处理后的每个季度区域遥感影像，按对应的区域地表反射率的均值进行拼接，得到每个季度区域内的第一遥感影像以及对应的区域地表反射率。

14、在本发明的一实施例中，步骤s3中，根据每个季度区域内的第一遥感影像以及对应的区域地表反射率，通过基于遥感的水色指数，得到包含目标水域的各季度的水色指数栅格影像，包括：

15、利用目标水域该季度地表反射率栅格影像，通过基于遥感的色度角算法，得到每个季度的色度角栅格影像；

16、将每个季度的色度角栅格影像中每个栅格基于色度角值按水色指数查找表中的21个值进行归类，得到包含目标水域各季度的水色指数栅格影像。

17、在本发明的一实施例中，步骤s2中，根据每个季度区域内的第一遥感影像以及对应的区域地表反射率，提取每个季度区域内目标水域水面，生成每个季度区域内目标水域的水面范围矢量数据，包括：

18、对每一季度区域内的第一遥感影像以及对应的区域地表反射率，通过动态地表水范围算法，得到该季度对应的水面范围值为1的栅格图像。

19、在本发明的一实施例中，步骤s3中，根据每个季度区域内目标水域的水面范围值为1的栅格图像和包含目标水域的各季度的水色指数栅格影像，通过掩膜，得到目标水域各季度水色指数栅格影像，包括：

20、利用每个季度区域内目标水域的水面范围值为1的栅格图像，选取值为1的范围作为掩膜图像；

21、根据包含目标水域的各季度的水色指数栅格影像，通过掩膜图像进行裁剪，获得目标水域各季度水色指数栅格影像。

22、在本发明的一实施例中，步骤s4中，根据目标水域各季度水色指数栅格影像，通过均值计算，得到目标水域多年的水色指数均值，包括：

23、利用目标水域各季度水色指数栅格影像，通过栅格均值计算，得到各季度目标水域的水色指数均值；

24、利用上述各季度目标水域的水色指数均值，计算每年多个季度的水色指数均值，得到目标水域多年的水色指数均值。

25、在本发明的一实施例中，根据目标水域各季度水色指数栅格影像和目标水域多年的水色指数均值，通过水色指数局部变化指数，分别得到目标水域各季度的水色指数局部变化栅格影像和目标水域各年的水色指数变化值，包括：

26、构建水色指数局部变化指数如以下公式(1)：

27、

28、利用目标水域各季度水色指数栅格影像，通过水色指数局部变化指数，得到目标水域各季度的水色指数局部变化栅格影像，此时，公式(1)中，指的是第x个栅格的fui局部变化值，用于探索局部相对于整个空间的变化，fuix表示第x个栅格的fui值，i为常数1，j表示目标水域范围栅格的个数，fuimax和fuimin分别表示研究目标水域范围内栅格的最大值和最小值；

29、利用目标水域多年的水色指数均值，通过水色指数局部变化指数，得到目标水域各年的水色指数变化值，此时，公式(1)中，指的是x年的fui局部变化指数，用于探索局部相对于整个研究时段的变化，fuix表示x年的fui值，i表示研究的起始年，j表示截止年，fuimax和fuimin分别表示研究时间段内的最大值和最小值。

30、本发明提供的基于遥感水色指数变化的地表水质监测方法具有以下有益技术效果：

31、(1)本发明利用了连续遥感影像，将遥感技术与地理信息技术相结合，创新性的构建fui局部变化指数，用于定量分析地表水水色的多年变化情况和空间变化情况。

32、(2)本发明采取了连续的遥感影像，较之前的对地表水的水质参数依赖为主的方法相比，这种方法基于遥感的水色变化分析。其中历史遥感影像存储了大量的信息，便于探究地表水水色的历史变化，通过多年变化的对比，可及时发现水色变化情况，从而为地表水的水质监测提供了有力的数据支持。充分利用遥感影像，减少人工成本，同时，克服人力难以测量区域的限制，从而实现大范围的地表水的水质检测。