[发明专利]基于时序多源光谱遥感数据的湖泊水环境监测站点优化布局方法

说明书

本发明提供一种基于时序多源光谱遥感数据的湖泊水环境监测站点优化布局方法，包括步骤一、使用长时期的中+高分辨率多光谱遥感观测数据和地面观测数据，基于机器学习理论建立河湖水环境参数反演模型；步骤二、基于所述河湖水环境参数反演模型进行水环境参数时空统计分析，得到水环境参数时空动态演变规律，并基于所述水环境参数时空动态演变规律设计地面水环境监测站网。本发明通过湖泊水环境历史变化规律分析来布设点位，以实现用尽可能少的地面监测点结合多光谱遥感卫星能获取满足尽可能高精度的湖泊水环境参数浓度分布。

技术领域

本发明涉及水环境监测技术领域，具体是一种基于时序多源光谱遥感数据的湖泊水环境监测站点优化布局方法。

背景技术

当前，水环境监测方式主要采用布设若干个监测站网，定期采集水环境数据。监测站点的布设通常考虑周围的地理环境，在易于施工的区域布设监测站点。而定期的水环境采样则是基于等间隔的水平和垂直相交的格网，在所监测的湖泊区域中，以特定的空间距离间隔均匀获取采样点水样。采样点的密度和位置的确定以人的经验知识为主。然而实际情况中水环境参数浓度，如叶绿素、悬浮颗粒物等的空间变异并非完全独立，相邻的点之间具有一定的空间相关性，可以认为其浓度的变化是连续的。稀疏的采样点容易造成水环境分布模拟的精度达不到要求，而为了获得高精度的水环境分布数据，往往需要在一个湖泊区域内采集较多的水环境点，这不仅花费了大量的人力物力，同时可能造成采样区域的样点冗余。若在监测站点和定期采样布局设计时，能够充分考虑水体的空间相关性，了解该区域的水环境演变规律，依据水环境的空间变化特性来布设地面监测点，则能利用尽可能少的点来精确描述水体整体和局部的变化情况。

目前，通过公开文献可以查阅到关于湖泊地面水环境监测站点优化布局的专利申请及学术期刊论文，包括授权公告号为CN107194040B的专利“一种基于双向水流的水环境监测网络多目标优化部署方法”，该方法考虑水流方向，模拟计算水污染扩散模型，没有考虑到不同湖泊的水环境特性，未考虑历史水环境参数统计分布规律；

授权公告号为CN104270773B的专利“一种基于遗传算法多目标优化的流域传感器覆盖网优化方法”，只考虑使用遗传算法多目标优化将河流流域传感器覆盖网优化问题转化为0/1多目标规划问题，网点布设的经济效益，没有估计流域内部的真实水环境分布，布设的点位是否能够真实监测整个湖泊内的水环境变化具有不确定性。

论文“基于时序遥感数据的水环境时空采样布局优化方法研究”，提出了时空维度变化兼顾的湖泊水环境变异特征先验规律分析方法，引入模拟退火优化算法，实现了鄱阳湖的采样布局优化，然而该方法对仅考虑叶绿素a的反演结果，同时采用k均值聚类的方式无法自动实现分区的分类与合并，另外其使用的Sentinel-3号卫星空间分辨率为300米，中分辨率卫星观测数据无法反映湖泊水环境空间变异的细节。

本发明以多光谱遥感卫星的长时期监测数据为依据，根据时序遥感影像反演水色参数，获得湖泊水色参数时序变化，建立湖泊水环境季节性和空间性变化规律，并以此为基础辅助水环境时空采样点优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时序多源光谱遥感数据的湖泊水环境监测站点优化布局方法，在水环境监测点位设计过程中，顾及到特定湖泊的水环境的时空特异性，通过湖泊水环境历史变化规律分析来布设点位，以实现用尽可能少的地面监测点结合多光谱遥感卫星能获取满足尽可能高精度的湖泊水环境参数浓度分布。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于时序多源光谱遥感数据的湖泊水环境监测站点优化布局方法，包括如下步骤：

步骤一、使用长时期的中+高分辨率多光谱遥感观测数据和地面观测数据，基于机器学习理论建立河湖水环境参数反演模型；

步骤二、基于所述河湖水环境参数反演模型进行水环境参数时空统计分析，得到水环境参数时空动态演变规律，并基于所述水环境参数时空动态演变规律设计地面水环境监测站网。