一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法及系统与流程

本发明属于遥感领域，具体涉及一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法及系统。

背景技术：

1、溶解有机碳（doc）作为主要的营养元素与潜在的污染物，在河流及河口生态系统的碳循环过程中具有重要作用。doc是植物和自养微生物光合作用的产物，为异养微生物的生长和繁殖提供能量和基质，同时也是颗粒有机碳矿化过程中的中间产物。doc的浓度变化对河流以及近海水体水质具有显著影响，能够直接反映流域自然过程的变化，以及，土地利用方式转变、城镇工程建设、农业种植和水利工程建设等人类活动对水体的影响。例如，水库和大坝的修建会改变河流的水动力结构，从而影响有机碳的输运和沉积。研究doc浓度变化及其传输过程，对于明确的排放去向和理解人类活动对碳循环的影响至关重要 。

2、但是，doc通常通过高温燃烧、紫外吸光度或化学氧化等方法来分析，需要精密的实验设备和相对复杂的样品前处理程序，因此成本较高。此外，doc分析设备大多不具备便携性，很难在现场使用，数据的获取需要实验室的支持，并且，doc分析时间较长，不便于高频次、实时的监测。

3、近年来，随着卫星遥感技术的发展，可通过遥感反演的方式获得的doc浓度数据。结合河流的入海流量，能够计算河流的doc入海通量，从而为传统有机碳通量的监测提供低成本、无缝隙的解决方案。然而，doc的非光学活性特性使得其与光谱信号的直接关系较弱，导致基于遥感光谱数据反演doc浓度的算法精度受限。并且，现有的遥感反演模型主要集中在黄河、长江和珠江等大型河流，对于中小型河流的适用性相对不足。

技术实现思路

1、本发明实施例公开一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法及系统，以解决现有技术中遥感光谱数据反演doc浓度的算法精度受限，且不适用于中小型河流的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

3、本发明的一个方面提供一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法，所述方法包括：

4、获取目标流域在多个历史日期内的高分辨率遥感影像和所有高锰酸盐指数采样点的实测数据；

5、根据预设的线性回归关系分别计算每个高锰酸盐指数实测数据对应的溶解有机碳浓度准实测数据；

6、针对每个采样点，均将遥感影像中对应像元的遥感数据与对应的溶解有机碳浓度准实测数据相匹配，构建匹配数据集；

7、基于匹配数据集对xgboost模型进行训练，得到溶解有机碳浓度预测模型；

8、获取目标流域在同一日的遥感影像和入海流量数据，并确定遥感影像中对应入海流量测量截面的像元；

9、利用溶解有机碳浓度预测模型得到遥感影像中所述像元对应的溶解有机碳浓度预测数据；

10、根据溶解有机碳浓度预测数据和入海流量数据计算目标流域的溶解有机碳入海通量。

11、可选的，所述方法还包括：

12、根据目标流域内实测的溶解有机碳浓度和高锰酸盐指数构建二者之间的线性回归关系。

13、可选的，所述根据目标流域内实测的溶解有机碳浓度和高锰酸盐指数构建二者之间的线性回归关系，包括：

14、获取目标流域在不同季节的溶解有机碳浓度实测数据和高锰酸盐指数实测数据；

15、将溶解有机碳浓度实测数据和高锰酸盐指数实测数据相匹配，建立实测数据集；

16、基于实测数据集建立二者的线性回归关系模型。

17、可选的，在执行所述获取目标流域在多个历史日期内的高分辨率遥感影像和所有高锰酸盐指数采样点的实测数据的步骤之后，采用以下步骤分别对每一幅遥感影像进行预处理：

18、利用瑞利散射查找表和指数外推法进行大气校正；

19、采用归一化植被指数进行陆地掩膜处理；

20、根据瑞利校正反射率和预设的反射率阈值进行云掩膜处理；

21、对所有波段进行近邻插值重采样，调整遥感影像分辨率为10米。

22、可选的，在执行所述针对每个采样点，均将遥感影像中对应像元的遥感数据与对应的溶解有机碳浓度准实测数据相匹配，构建匹配数据集的步骤后，所述方法还包括：

23、判断匹配数据集中是否存在受云层、耀斑、微小船只和船舶尾迹影响的像元；

24、若存在，在匹配数据集中去除所述像元的遥感数据和对应的溶解有机碳浓度准实测数据。

25、可选的，所述方法还包括：

26、基于匹配数据集，分别计算遥感数据中每一个光谱特征参数与溶解有机碳浓度之间的相关性；

27、将相关性大于预设相关阈值的光谱特征参数作为训练参数。

28、可选的，在执行所述基于匹配数据集对xgboost模型进行训练，得到溶解有机碳浓度预测模型的步骤之前，所述方法还包括：

29、基于训练参数对匹配数据集进行优化，使匹配数据集中仅包括所述训练参数的数据和溶解有机碳浓度准实测数据；

30、将优化后的匹配数据集划分为训练集和验证集。

31、可选的，所述基于匹配数据集对xgboost模型进行训练，得到溶解有机碳浓度预测模型，包括：

32、将训练集中的训练参数数据作为输入特征，溶解有机碳浓度准实测数据作为输出特征构建xgboost模型；

33、采用网格搜索方法确定xgboost模型的最优参数组合，并利用五重交叉验证，训练得到溶解有机碳浓度预测模型；

34、利用验证集评估溶解有机碳浓度预测模型的准确性。

35、可选的，所述根据溶解有机碳浓度预测数据和入海流量数据计算目标流域的溶解有机碳入海通量，包括：

36、获取遥感影像中对应入海流量测量截面所有像元的溶解有机碳浓度预测数据，并计算平均值；

37、将所述平均值与入海流量数据的乘积作为目标流域的溶解有机碳入海通量。

38、本发明的另一个方面提供一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估系统，所述系统应用前述方面提供的中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法。

39、本发明公开的一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法及系统，首先，获取目标流域高分辨率遥感影像和高锰酸盐指数采样点的实测数据，根据线性回归关系计算与高锰酸盐指数实测数据对应的溶解有机碳浓度准实测数据；然后，将采样点的遥感数据与溶解有机碳浓度准实测数据相匹配，并对xgboost模型进行训练，得到溶解有机碳浓度预测模型；最后，利用溶解有机碳浓度预测模型获得遥感影像中每个像元对应的溶解有机碳浓度预测数据，结合入海流量数据计算溶解有机碳入海通量。本发明可有效改善传统方法成本高、受时空限制大、忽略河流内部自源有机碳等问题，同时，也可解决常规溶解有机碳遥感定量反演存在空间分辨率低、算法精度较低的问题。

40、提供
技术实现要素：
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

技术特征：

1.一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述方法还包括：

3.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，所述根据目标流域内实测的溶解有机碳浓度和高锰酸盐指数构建二者之间的线性回归关系，包括：

4.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，在执行所述获取目标流域在多个历史日期内的高分辨率遥感影像和所有高锰酸盐指数采样点的实测数据的步骤之后，采用以下步骤分别对每一幅遥感影像进行预处理：

5.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，在执行所述针对每个采样点，均将遥感影像中对应像元的遥感数据与对应的溶解有机碳浓度准实测数据相匹配，构建匹配数据集的步骤后，所述方法还包括：

6.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述方法还包括：

7.根据权利要求6所述的评估方法，其特征在于，在执行所述基于匹配数据集对xgboost模型进行训练，得到溶解有机碳浓度预测模型的步骤之前，所述方法还包括：

8.根据权利要求7所述的评估方法，其特征在于，所述基于匹配数据集对xgboost模型进行训练，得到溶解有机碳浓度预测模型，包括：

9.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述根据溶解有机碳浓度预测数据和入海流量数据计算目标流域的溶解有机碳入海通量，包括：

10.一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估系统，其特征在于，所述系统应用权利要求1-9任一项所述的中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法。

技术总结
本发明提供一种中小河流水体溶解有机碳入海通量遥感评估方法及系统，首先，获取目标流域高分辨率遥感影像和高锰酸盐指数采样点的实测数据，根据线性回归关系计算与高锰酸盐指数实测数据对应的溶解有机碳浓度准实测数据；然后，将采样点的遥感数据与溶解有机碳浓度准实测数据相匹配，并对XGBoost模型进行训练，得到溶解有机碳浓度预测模型；最后，获取目标流域在同一日的遥感影像和入海流量数据，确定遥感影像中对应入海流量测量截面的像元；利用溶解有机碳浓度预测模型得到遥感影像中像元对应的溶解有机碳浓度预测数据；根据溶解有机碳浓度预测数据和入海流量数据计算目标流域的溶解有机碳入海通量，并结合入海流量数据计算溶解有机碳入海通量。

技术研发人员：何贤强,闫瑜佳,白雁,赵雅琪,李腾,龚芳
受保护的技术使用者：自然资源部第二海洋研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/3/18