毕业论文：基于单通道算法的东平湖水温反演.doc

本科生本科生毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题题 目：目：基于基于单单通道算法的通道算法的东东平湖平湖 水温反演水温反演 专业专业代代码码： ： 070703 作者姓名：作者姓名： 贺贺 京京 学学 号：号： 2007202084 单单 位：位： 环环境与境与规规划学院划学院 指指导导教教师师： ： 马马 雪雪 梅梅 2011 年年 5 月月 31 日日 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下， 独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论 文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人承担本声明的相应责任。 学位论文作者签名： 日期 指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 目目 录录 引引 言言-1 1研究区概况及现状研究区概况及现状-1 1.1 研究现状-1 1.2 研究区概况-2 2 数据准备数据准备-3 2.1 遥感数据 -3 2.2 实测数据 -4 3 研究技术研究技术-5 3.1 数据处理 -5 3.2 反演算法-6 3.2.1 Jimnez-Munoz 单通道算法 -6 3.2.2 参数确定-6 4 反演结果反演结果-7 4.1 结果分析-7 4.2 误差分析-9 结论结论-10 参考文献参考文献-11 致致 谢谢-12 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 摘摘 要要 湖区水温反演是进行湖区水环境监测的一项重要指标，采用热红外遥感卫星 数据可及时、较准确地获取水体温度信息，本文利用同期的 HJ-1B 资源应用卫星 影像，建立东平湖遥感影像进行水体温度反演模型，并获得东平湖水体温度反演 结果，反演精度能达到 1左右，为东平湖湖泊规划与管理部门水资源的合理利 用提供一定的数据资料。 关键词：关键词：反演温度；反演模型；单通道算法；HJ-1B 数据；精度分析 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） Abstract Water temperature anti in the lake plays is carry on water in the lake environment monitor of an important beacon, adopt a hot red and outside Yao satellite data to be within the reach of, a little bit accurately obtain water body temperature degree information, this text makes use of same period of B HJ-1 resource application satellite image, create e. even lake Yao image progress water body temperature degree the anti play pattern, and acquire e. even lake water body temperature degree the anti play a result, the anti plays accuracy to hit 1 or so, for e. even lake lake layout and administration section water the reasonable take advantage of of the resource provide a certain data. Key words：Against the temperature；The anti plays pattern；Single gateway algorithm；HJ-1Bdata； The accuracy is analytical 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 1 基于单通道算法的东平湖水温反演基于单通道算法的东平湖水温反演 引引 言言 湖泊是一个多功能的资源库，它积极参与自然界的水循环，是江河的重要补 给源和水源。近年来，全球气候变化以及人类不合理的活动对湖泊生态环境产生 了严重影响，对湖泊环境的变化监测显得尤为重要。 遥感是一种估算水体温度的有效手段，热红外数据被广泛的应用于水体温度 反演当中。水体的热容量大，在热红外波段有明显特征。白天，水体将太阳辐射 能大量地吸收储存，增温比陆地慢，在遥感影像上表现为热红外波段辐射低，呈 暗色调。在夜间，水温比周围地物温度高，发射辐射强，在热红外影像上呈高辐 射区，为浅色调。根据热红外传感器的温度定标，可在热红外影像上反演出水体 温度1。 本文采用单通道算法对东平湖湖区进行水温反演计算，利用 ENVI 4.7 对热 红外数据进行处理，所采用的技术流程2，如图 1。 12 月遥感影像湖区裁剪影响校正 波段运算公式加载参数确定 水汽含量 湖区发射率 温度计算数据对比 图 1 技术流程 1 1 研究区概况研究区概况及现状及现状 1.1 研究现状研究现状 卫星的问世，为大面积同步探测大气、海洋、地面带来了可能性。从 1960 年 4 月至今各国相继发射许多气象卫星进行工作，目前已有各种高分辨率的卫星 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 2 应用于地球立体监测中。目前应用较多的为美国的 Landsat 卫星数据，利用单通 道算法进行近海表水温反演，在该算法中,将地表气温、相对湿度等常规气象资 料作为初始参数,根据对流层中大气温度随高度呈线性降低、水汽随高度呈指数 衰减的规律,建立了估算平均大气温度及水汽含量的通用模式.通过与实测数据及 MODIS Terra 海表水温产品比较发现,该算法能够提高运用 TM/ETMTIR 单波段 数据进行近岸海表水温（SST）反演的精度：一方面,反演所得结果更接近于海表 实际水温;另一方面,它在一定程度上剔除大气中的水汽对 SST 反演的影响,进而提 高海表水温的温度对比度. 我国发射的第一颗探测海洋水色卫星-“海洋一号”，星上载有 10 波段 COCTS 水色扫描仪和 4 波段 CCD 成像仪。结合 GTS 船舶报海温数据，对我国 近海水温研究提供实际的可能。对我国各海域水温的研究、反演模型的确定提供 数据，有利于我国海域渔业资源，环境资源的开发利用。本文基于我国 HJ- 1A /1B 小型卫星数据，对东平湖水温进行反演研究，为东平湖水域现状做出合理 分析。 1.2 研究区概况研究区概况 东平湖位于山东省泰安市东平县境内面积为 627Km2，常年蓄水 1.5 亿 m3。 东平湖是水泊梁山的遗存水域 ，湖内水质肥沃，水源充沛，渔业资源丰富，是 山东省重要的淡水渔业生产基地。沿湖共 9 个乡镇，涉渔人口 17.5 万余人，湖 内作业船只 3700 余只，沿湖渔民主要靠水产养殖和大湖捕捞为生，全县水产养 殖面积 546.7Km2，水产品总产量 46000 吨，渔业总产值 4.2 亿元。东平湖是水泊 梁山的遗存水域，山东省第二大淡水湖泊，湖区总面积 627Km2，其中一级湖常 年蓄水，面积 209Km2，平均水位高程 40.75m，南水北调东线一期工程完成后， 东平湖平均水位高程将达 41.5m。 东平湖总面积 627Km2（其中新湖区 418Km2，老湖区 209Km2），老湖区常 年水面 124.3Km2，平均水深 2.5m；全湖蓄水 46m 时，蓄水总量 40 亿 m3。东平 湖古时称蓼儿洼、大野泽、巨野泽、安山湖，到清朝咸丰年间才定名称为东平湖。 东平湖西近京杭大运河，东连大汶河，北通黄河。她过去是漕运要枢，现在蓄水 滞洪，无论过去和现在她都起到重要的作用，即将实施的我国南水北调东线水利 工程，东平湖将起到更为重要的作用。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 3 图 2 东平湖地理位置 2 2 数据准备数据准备 2.1 遥感数据遥感数据 环境与灾害监测预报小卫星星座 A、B 星(HJ-1A /1B 星)于 2008 年 9 月 6 日上 午 11 点 25 分成功发射，HJ-1-A 星搭载了 CCD 相机和超光谱成像仪（HSI）， HJ-1-B 星搭载了 CCD 相机和红外相机（IRS）。在 HJ-1-A 卫星和 HJ-1-B 卫星上均 装载的两台 CCD 相机设计原理完全相同，以星下点对称放置，平分视场、并行观 测，联合完成对地刈幅宽度为 700 公里、地面像元分辨率为 30 米、4 个谱段的 推扫成像。此外，在 HJ-1-A 卫星装载有一台超光谱成像仪，完成对地刈宽为 50 公里、地面像元分辨率为 100 米、110128 个光谱谱段的推扫成像，具有 30侧视能力和星上定标功能。在 HJ-1-B 卫星上还装载有一台红外相机，完 成对地幅宽为 720 公里、地面像元分辨率为 150 米/300 米、近短中长 4 个光谱 谱段的成像。 本文所用数据来源于中国资源卫星应用中心，时相为 2010-12-09 日过境的二 级红外数据，时间下午 2:55:45.该数据质量较好,参数如图表 1 和表 2。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 4 表 1 HJ-1-A.B 卫星主要载荷参数 表 2 HJ-1-A.B 卫星轨道参数 2.22.2 实测数据实测数据 本数据是经过实际测量的东平湖水温数据，采用 GPS 对湖区进行取点采样， 采样点基本在湖区范围内均匀分布，时间基本与卫星中时间相对应，大约下午 3 点左右的采样数据，其精度为 10 米左右，实际共采了 32 个点，但由于人为操作 的原因，其中有 1 个点明显有误差，将其删除。由采样点看来，东平湖的水温基 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 5 本在 3.6-6.2 范围内，但在采样点的选取中，有大约 10 个点在湖边，这些点的水 温可能会因为周围人为环境的影响，温度与湖区中水的平均温度相差较大，湖边 养殖业，水草藻类可能会引起水温的不同变化。本文选取的点基本可以较好的反 应出东平湖的水温情况，可与遥感数据反演的水温作对比来实现水温反演的变化 研究，采样点选取，如图 3。 图 3 采样点图 3 3 研究技术研究技术 3.13.1 数据处理数据处理 遥感数据在进行温度反演之前，需要经过几何校正和亮温计算 2 个预处理步 骤。几何校正在 envi 软件上进行，选取地面控制点，采用二次多项式配准和最 邻近像元法重采样对图像进行几何精校正，校正投影选择 UTM，椭球体选择 WGS 843。 采用普朗克公式进行亮温计算，即 T4=K2/ln(K1/L()+1) 式中，T4 为第 4 波段的亮度温度；K1 和 K2 为常量，K1 =607. 76Wm sr m , K2 =1 260. 56 K；L ()为传感器接收到的辐射强度，即 L () =Gain DN +B ias 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 6 式中,DN 是像元灰度值；Gain 和 B ias 为增益和偏移量6。 3.23.2 反演算法反演算法 3.2.1 Jimnez-Munoz 单通道算法 Jimnez- Munoz 等开发了针对一个热红外通道的单通道算法 (Single ChannelMethod，以下简称 SC 算法 )，该算法只需地表发射率和大气水气含量 2 个参数7，公式为 其中 Ts 代表反演温度，Lsensor 为传感器接收到的热辐射强度，Tsensor 是 传感器的亮度温度，单位是 K， 为有效波长，对于 HJ-1-B 为 11.5 m，c1 =1.19104*108Wm4m-2sr-1, c2 =1.143877104mK，1、2 和 3 为大气水分含量 w 的大气函数，可根据以下公式计算： 根据 Jimnez- Munoz 研究表明当有效波长在 11m 附近时能得到最好的地 表温度反演结果，HJ-1-B 的第四波段有效波长为 11.5m，本文采用此波段反演 水体温度4。 3.2.2 参数确定 大气水汽含量采用式： 式中， 为水汽含量 ( gcm- 2) ；g 为重力加速度 (981 cms- 2) ； 为 水的密度；q 为各等压面高度的比湿 ( gkg- 1) ; p0、 pz 分别为地面和 z 高度 的大气压 ( hPa) ；e 为实际水汽压 ( hPa)。本文截取的水汽柱长度为地面至对流 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 7 层顶附近的 200 hPa 高度，地面处的大气压为 1 013 . 25 hPa。实际水汽压 e 可 根据气象部门公布的相对湿度数据换算得到。相对湿度即气体中的水汽压与其饱 和水汽压的比值，表示为： U=e/(E*100%) 式中， U 为相对湿度; E 为饱合水汽压，可通过查找饱合水汽压表或采用公式计 算5。 地表发射率同地物的性质，电磁波波段及观测视角有关，本文研究为湖区， 湖区在热红外波段的发射率可近似取值为 0.905。 4 4 反演结果反演结果 4.14.1 结果分析结果分析 实测温度范围在 3.6-6.2，实测数据的分析结果，如图 4。 图 4 实测温度图 温度反演得到的范围在 4.59-6.99，反演数据的分析操作，如图 5。 图 5 反演温度图 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 8 实测温度与反演温度对比图，如图 6。 图 6 温度对比图 在温度对比图像中，可以清楚的看出实测温度与反演温度的趋势走向基本一 致，温度值之间有 1左右的差值，这说明单通道算法能够有效的用于湖区水温 的反演。 图 7 精度分析图 通过图 7 对反演水温值进行精度分析，可以看出反演水温平均高于实测水温， 其平均值大约高出 0.5，反演水温与实测水温的差值在-1.4-2.5之间，通过 与实际采样点的对比分析，反演温度相对低于实测温度的点，基本分布于湖区边 缘地带，温度较高的点基本均匀分布在湖区中央水域，这些点能更充分的说明反 演情况。对于反演温度的精度，其中差值过高或过低的点，其误差相对较大，不 能达到反演的要求。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 9 据理论研究表明，反演温度基本高于实测水温值，图中取样点差值多数高于 零度，差值为负值的点，基本在边缘浅水区，水草藻类可能是影响反演值的主要 原因。差值在 0 度到 1.5 度的值最多，且相对均匀，说明这部分是反演模型计算 最能反映实际水温的值。 4.24.2 误差分析误差分析 温度反演精度受到多种因素的影响，测量仪器本身存在一定的测量误差，另 外，在进行湖区温度实际调查时，人操作因素的影响，难以确保数据的稳定。实 测水温数据时水下大约 0.5 米水深处得温度值，而遥感红外反演得到的湖区温度 只是表层几微米内的水温，与传统实测意义上的水温有一定的差别。 温度反演算法仅仅考虑少数大气因素的影响，反演结果与实测值之间必然存 在一定的误差。根据湖区监测站的温度调查数据，水温变化范围在 3.6-6.2， 说明湖区水温相对低于反演的水温值。 单通道算法在进行水温分析时，由于湖面发射率的影响和大气水汽含量的影 响，同时反演图像分辨率的影响，使反演的温度存在一定的差值8。 结论结论 本文以 2010 年东平湖区 12 月的遥感影像作为研究对象，该影像易于获取， 因此可以减少所用费用；利用红外反演获取温度值，可近似的得到整个湖区的温 度分布值，以及温度的变化。 通过单通道算法模型，进行湖区水温反演当中，可得到相对较好的反演结果， 反演精度基本可以说明热红外数据可以很好的应用于水温反演当中，本文所研究 的东平湖水温反演模型，其相对精度在 0.4-0.7之间，但在各别采样点上误差 较大，说明反演模型参数有待进一步精确，单通道算法模型在水温反演中得到了 较好结果，但要进一步提高反演精度，我们需要研究更加精确的反演模型，目前 较前沿的人工神经网络模型，可以更加精确地得到理想的数据，在以后的反演研 究中，研究更加精确的模型，如运用神经网络，模糊理论等模型，必将得到更加 精确地反演数据，本文所得到的结果，基本可以说明东平湖湖区的水温情况，但 精度仍需提高，可靠性因地而异，总之，热红外遥感技术在进行水温反演当中， 参数精确度仍需进一步提高，研究出更加精确的反演模型。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本