[发明专利]水体总氮浓度间接遥感反演方法、存储介质和终端设备

说明书

本发明公开水体总氮浓度间接遥感反演方法、存储介质和终端设备，包括步骤：获取野外水体总氮浓度、野外挺水植物的生化组分特征参数和野外挺水植物的反射光谱；获取室内水体总氮浓度、室内挺水植物的生化组分特征参数和室内挺水植物的反射光谱；对上述数据进行预处理；基于预处理数据，利用多种机器学习模型分别对水体总氮浓度进行估算，得到各水体总氮浓度估算模型；采用改进加权先验方法对各水体总氮浓度估算模型进行融合，得到决策级融合模型；获取研究区的反射光谱，并依据所述决策级融合模型得到研究区的水体总氮浓度。本发明提供的水体总氮浓度间接遥感反演方法实现了水体氮浓度准确、高效遥感检测，克服了传统水环境遥感难以直接反演水体总氮浓度的困难。

技术领域

本发明涉及遥感技术应用领域，尤其涉及一种水体总氮浓度间接遥感反演方法、存储介质和终端设备。

背景技术

水质监测是流域水资源评价与流域水环境保护的关键内容，科学、客观的评价水质是水环境研究的重要环节，是控制水污染的重要前提，也是合理开发利用水资源的重要内容。水质监测可以协助政府部门了解水资源的水质现状，进而采取必要的预防措施或是制定有效的治理方案，对水资源的有效保护具有实际参考意义。城市水体多属缓流水体和浅水水域，生态基流匮乏、自净能力差、停留时间长，总氮浓度过高会使得水体存在较高的富营养化风险。在这种情况之下，以水体总氮浓度为代表的水环境监测已成为具有重要意义的工作。

传统的河湖总氮浓度监测经常通过布设水质采样点来实现，需要花费大量的人力物力，而且存在空间覆盖不连续和时间覆盖不规律的问题，难以捕捉全面且动态的水体总氮浓度信息。近年来，遥感技术的快速发展不断拓宽了遥感水质监测的应用前景。目前，内陆水体环境的遥感监测是水环境遥感研究的一个重要方向，其当前主要发展趋势体现为：(1)数据源由从单一波段发展到多波段，单一传感器器到多传感器相结合；(2)遥感水质监测从简单定性分析发展到定量，指标从分散到集成；从区域尺度扩展到全球范围业务化产品方向发展；(3)水环境遥感监测模型从最初的分析模型、经验模型逐步发展到半经验模型和机器学习模型。就具体的监测指标而言，水环境遥感涉及的参数可以简单分为两类。①直接相关参数：叶绿素a、藻蓝素、悬浮物、无机悬浮物、溶解有机碳和颗粒有机碳等，这些物质都具有一定的光学特性，对自然光具有吸收和散射作用，进而影响并主导着整个水体的光学特性变化，这种变化能够通过遥感光谱信号得以反映。②间接相关参数：透明度、浊度、营养盐[总氮、总磷]、富营养化指数等，这类指标不是光学活性物质，但是与光学活性物质存在交互作用。换言之，直接参数可以通过生物光学模型实现物理反演，而以总氮浓度等间接相关参数只能通过经验关系进行经验推算。

然而，目前遥感技术主要应用在水质的物理指标监测中(水表温度、叶绿素、总悬浮物、水体浑浊度、有色可溶性有机物等)，但在与水体富营养化关系更为密切的水质化学指标监测方面，尤其是总氮浓度这一指标虽进行了尝试性的实验，但是应用成果不佳。

湿地植物可以有效吸收水中的营养物质，因而植物组织叶绿素与氮含量与水中氮浓度存在一定的关系。挺水植物植株高大，绝大多数有茎、叶之分，直立挺拔，下部或基部沉于水中，根或地茎扎入泥中生长，上部植株挺出水面，其发达的植物根系可以将可吸收营养盐、重金属或有机物富集于体内。具体而言，其除氮途径主要为：①可以通过根系直接吸收；②为微生物提供附着表面并为微生物提供氧气促进硝化作用；③根系通过释放分泌物为微生物提供碳源，从而促进微生物反硝化作用并促进有机物的分解。已有研究表明，包括芦苇、荷花、水葱、芦竹、香蒲、菖蒲、鸢尾、美人蕉和石菖蒲等在内的多种挺水植物对城市水体中的氮具有吸收功能。

氮素是挺水植物生长过程中最为重要的营养元素之一。植物反射光谱对于外源性氮素的变化较为敏感，生长过程中供氮水平会对其生长状况造成明显的影响。“红边”(680-750nm波段区)是植物反射率在近红外线波段接近与红光交界处快速变化的区域，如图1所示。当植物生长旺盛、色素含量高时，红边位置会向长波方向移动，称为“红移”；而当植物遇到环境胁迫或叶片老化等因素时，红边会向短波方向移动，称为“蓝移”。因此，植物反射光谱特性可被视作其营养状况的重要指示特征，这一理论已经在文献中得到广泛应用与证实。