[发明专利]建立城市河网水体光谱库的方法与应用

权利要求书

1.一种建立城市河网水体光谱库的方法，包括步骤如下：

一、数据的录入

第一批次入库的数据，该数据包括多源数据和参数的反演模型，所述的多源数据包括光谱反射率数据、水质参数数据、环境配套参数数据和照片数据；所述参数的反演模型包括化学需氧量浓度反演模型、悬浮物浓度反演模型、五日生化需氧量浓度反演模型、总氮浓度反演模型、总磷浓度反演模型和叶绿素a浓度反演模型；

1）多源数据的采集：

①光谱原始数据采集：光谱原始数据来自地面野外光谱测量，光谱仪采用的是ASD便携式野外光谱仪Pro FR，其波长范围350-2500nm，光谱分辨率为1nm；通过光谱仪得到的光谱原始数据包括：太阳光在水面上的入射辐亮度（Ed(0+)），天空漫散射光辐亮度（Lsky），水表面辐亮度（Lsw）；

②水质参数数据：水质参数包括化学需氧量浓度、悬浮物浓度、五日生化需氧量浓度、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度；在光谱原始数据采集的同时采集水样以获得上述水质参数数据；

③环境配套参数数据:环境配套参数包括采集时间、经纬度、水温、天空状况、风速、水面状况和样点文字描述；

④照片数据：照片数据包括采样点水面照片、周围环境照片和采集过程照片；

2）数据预处理：

①光谱反射率数据的计算：通过ASD便携式野外光谱仪得到的光谱原始数据包括太阳光在水面上的入射亮度（Ed(0+)），天空漫散射光辐亮度（Lsky），水表面辐亮度（Lsw），需要对光谱原始数据进行转换反射率的计算：首先对上述测量到的数据分析统计，排除异常数据，然后求出原始数据平均值，减少误差；利用公式LW=Lsw-r*Lsky，式中LW为离水辐亮度，其中平静水面取r=0.022，由此得离水辐亮度LW；根据公式R(s)=LW/Ed(0+)，式中R(s)是光谱反射率数据，LW为前面计算的离水辐亮度，Ed(0+)是太阳光在水面上的入射亮度；

②去除噪声的处理：对上述得到的光谱反射率数据，利用均值法进行降噪处理，计算公式为R(λi)=[R(λi-1)+R(λi)+R(λi+1)]/3，式中R(λi)是波长为λi的光谱反射率数据，R(λi-1)、R(λi+1)为相邻波长的光谱反射率；

③数据编号：对光谱反射率数据、水质参数数据、环境配套参数数据和照片数据进行统一的编号；

3）反演模型的建立：

①水体反射率光谱特征提取：水体的反射率光谱特性是由其中的各种物质对光辐射的吸收和散射性质决定的，是遥感监测的基础；光谱特征提取包括：提取波峰位置、波谷位置；

提取波峰位置：光谱反射率曲线由众多连续排列的离散点组成，其波峰值要大于两肩的数值，所以判断波峰的条件为Ri>Ri-1且Ri>Ri+1；其中，Ri是波长为i时的反射率；

提取波谷位置：波谷值要小于两肩的数值，所以判断波谷的条件为Ri<Ri-1且Ri<Ri+1；其中，Ri是波长为i时的反射率；

②水质参数数据与水体光谱反射率相关关系分析：采用统计分析的方法，建立描述水体水质参数与反射率之间关系的模型；采用双波段反射率比值的方法消除仪器测量时所带入的噪声、测量环境变化所带来的误差和大气的影响；计算波段间隔大于20的组合所有波段组合与水质指标的相关系数；相关系数的计算公式为

r=Σ(x-x‾)(y-y‾)Σ(x-x‾)2(y-y‾)2]]>

③式中x为双波段比值的反射率，y为水质参数浓度；

③建立反演模型：根据相关系数分析，选取最大值所对应的波段组合，分别对化学需氧量、悬浮物、五日生化需氧量、总氮、总磷和叶绿素a与所对应最佳波段组合比值进行了回归分析和拟合，回归分析拟合模型包括线性拟合、多项式拟合（二次多项式、三次多项式）、指数模型拟合、幂函数模型拟合，并计算拟合结果的相关系数(R²)和均方根误差(RMSE)作为水质参数反演模型输入反演模型入库；

4)数据的入库标准

光谱库第一批次数据录入：光谱反射率数据、环境参数数据、水质参数数据、照片多源数据以excel格式的数据入库，同时入库的还有第一批次水质参数反演模型；

光谱库后续批次的数据录入：后续批次数据录入前首先判断光谱库中是否存在相同城市相同季节的水质参数反演模型，如果存在，则只录入光谱反射率数据、环境参数数据、水质参数数据、照片多源数据；如果不存在同类型的反演模型，则需要录入上述多源数据和新类型的反演模型；以上数据以excel文件录入，具体格式如下；

环境参数数据录入格式如下：

①ID：总编号，命名规则XXXX-XX-XX-XX-XX，年月日时分；

②SampID：样点编号，为数据采集时的记录；

③Time：采集时间；

④E：经度；

⑤N：纬度；

⑥SampleName：样点水质瓶名称；

⑦Temperature：水温；

⑧Cloud：云量；

⑨Wind：代表风力；

⑩Water：代表水表面状况；

Remak：备注；

水质参数表格格式如下：

IDSampleIDSampleNumSampleNameSampleCharCODSSBODTNTPChla

①ID：总编号，命名规则XXXX-XX-XX-XX-XX；

②SampID：样点编号，为数据采集时的记录；

③SampleNum：样点水质监测编号，送检的编号；

④SampleName：样点水质瓶名称；

⑤SampleChar：水质检测报告上对水质的描述；

⑥COD：化学需氧量浓度数值；

⑦SS：悬浮物浓度数值；

⑧BOD：五日生化需氧量浓度数值；

⑨TN：总氮浓度数值；

⑩TP：总磷浓度数值；

Chla：叶绿素浓度数值；

DN值表数据格式如下：

IDSampleIDwave350wave351……wave999wave1000

①ID：总编号，命名规则XXXX-XX-XX-XX-XX，年月日时分；

②SampID：样点编号，为数据采集时的记录；

③wave350-wave1000，代表波长范围是350nm-1000nm，在每个波长下的DN值；

光谱反射率表数据格式如下

IDSampleIDwave350wave351……wave999wave1000

①ID：总编号，命名规则XXXX-XX-XX-XX-XX，年月日时分；

②SampID：样点编号，为数据采集时的记录；

③wave350-wave1000，代表波长范围是350nm-1000nm，在每个波长下的反射率；

照片数据每个样点的入库照片为5张，图像为jpg格式，照片大小<200k；表格式如下：

①ID：总编号，命名规则XXXX-XX-XX-XX-XX，年月日时分；

②SampID：样点编号，为数据采集时的记录；

③SampleDescription：对样点环境或者水面情况的文字描述；

④FilePath：照片的存储路径；

⑤PicNum1-PicNum5：照片编号，共5个编号；

反演模型表数据格式如下：

CityIDCityNameSeasonWaterParTypicalWaveLengthBestModelModel

①CityID：城市编号；

②CityName：城市名称；

③Season：光谱采集季节；

④WaterPar：水质参数名称；

⑤TypicalWaveLength：典型波段组合的波长；

⑥BestModel：最佳模型；

⑦Model:模型曲线；

二、建立光谱库，包括以下13个数据表：

统计信息表包括：数据的ID、样点编号，城市ID，城市的名称，数据采集的季节；

光谱反射率表包括：数据的ID号、样点编号反射率；

反演模型表包括：城市ID、城市的名称、数据采集的季节、监测指标、特征波段组合、最佳拟合模型、拟合曲线；

环境参数表包括：数据的ID号、样点编号、采集时间、经度、纬度、样点水质瓶名称、水温、云量、风速、水表面状况、备注；

水质参数表包括：数据的ID号、样点编号、化学需氧量浓度、悬浮物浓度、五日生化需氧量浓度、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度；

照片信息表：数据的ID号、样点编号、对样点环境或者水面情况的文字描述、照片的存储路径、照片编号；

光谱特征信息表包括：数据的ID号、样点编号、波峰位置波长、波谷位置波长；

城市表：城市ID、城市的名称；

用户信息表：用户ID号、用户姓名、所属部门、操作密码、业务权限；

业务功能表：业务权限，功能名称，窗体名称，菜单项编码；

国家水环境质量标准表：水质参数名称，Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类，Ⅳ类，Ⅴ类。

2.一种如上述城市河网水体光谱库的应用，包括以下应用：

1）多权限管理

城市河网水体光谱库多种权限管理的实现：包含三级用户的管理，管理员、数据采集员、普通用户三个级别的用户，客户端界面有相应的登录窗口，管理员：具有数据录入、删除、查看的权限；数据采集员：具有数据录入、查看的权限；普通用户：具有数据查看的权限；

对于权限的管理功能实现通过操作数据库中用户信息表和业务功能表这两个表；其中用户信息表包括：用户ID号，用户姓名，所属部门，操作密码，业务权限；业务功能表字段包括：业务权限，功能名称，窗体名称，菜单项编码；通过界面输入的用户姓名和密码，在用户信息表中查找到该用户的业务权限，然后通过业务权限在业务功能表查看具体可进行的业务操作；

2）数据管理

光谱库数据管理的功能包括：数据删除、数据修改；

数据管理的实现：管理员或者数据采集员登录应用界面后，选择数据管理菜单，输入城市、季节等基本信息，查找到数据后，可以选择删除，修改的操作；光谱库数据的删除和数据修改通过操作数据库中相应的数据表实现；

3）数据查询、显示与输出

查询方式有两种：按条件查询和按地图查询

4）光谱匹配

光谱匹配：光谱匹配的实现采用最小距离法；光谱库的用户输入未知的光谱数据，光谱库通过计算未知光谱与光谱库中的参考光谱之间的距离作为判断依据；当该距离小于规定的阈值时，则判定该测试光谱属于该参考光谱，否则不属于：

具体实现方法：将光谱库中的第一条光谱数据当做参考光谱，依次计算每条光谱与未知光谱的最小距离；此处采用欧式距离：式中i代表光谱库中第i条光谱，n代表总波段数，T_ij为光谱库中第i条光谱在j波段的反射率；设d_m(t)＝{d_i(t)}_min，若d_m(t)不超过一定的阈值，则用户输入的未知光谱属于光谱库中的第i条光谱所代表的水质类型，通过光谱数据反射率表得到光谱ID，依据光谱的ID可以查询到水质参数列表、光谱特征信息、照片信息，进行显示；

5）水质反演与反演模型的优化

水质参数模型优化的过程：第一批次入库的数据除了多源数据外同时包括有嘉兴市秋季的化学需氧量浓度、悬浮物浓度、五日生化需氧量浓度、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度共6个反演模型；对于第二批次入库的数据首先判断光谱库中是否存在相同城市相同季节的反演模型；如果不存在，则需要录入新类型的反演模型；如果存在相同类型的模型，通过调用光谱库中反演模型表中的拟合曲线计算可以得到化学需氧量浓度、悬浮物浓度、五日生化需氧量浓度、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度共6个参数的反演结果；将反演结果与实际录入的第二批次水质参数表中的参数浓度进行回归分析，并计算拟合结果的相关系数(R²)和均方根误差(RMSE)；如果相关系数(R²)和均方根误差(RMSE)均小于一定的阈值，则证明该模型稳定可靠；如果相关系数(R²)和均方根误差(RMSE)大于阈值范围，则需要重新进行水质指标与水体反射率光谱相关关系分析和反演模型的建立，并将新的模型存入光谱库中；

水质反演的实现方法：光谱库首先调用城市表，如果光谱库查询到有用户输入的城市和季节，根据城市的ID查询到反演信息表中的模型；用户选择化学需氧量选项，则光谱库调用化学需氧量反演模型计算出化学需氧量的浓度，以列表显示；用户选择五日生化需氧量选项，则光谱库调用五日生化需氧量反演模型计算出五日生化需氧量的浓度，以列表显示；用户选择悬浮物选项，则光谱库调用悬浮物反演模型计算出悬浮物的浓度，以列表显示；用户选择总氮选项，则光谱库调用总氮反演模型计算出总氮的浓度，以列表显示；用户选择总磷选项，则光谱库调用总磷反演模型计算出总磷的浓度，以列表显示；用户选择叶绿素a选项，则光谱库调用叶绿素a反演模型计算出叶绿素a的浓度，以列表显示；上述多得到的数据以excel格式输出；

水质评估的实现：用户输入未知的光谱数据，通过选择城市和采集时间选择反演模型的类型，通过光谱中反演最优模型的计算，得到化学需氧量浓度、悬浮物浓度、五日生化需氧量浓度、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度共6个水质反演参数结果，将此结果与国家水环境质量标准表中的浓度范围进行对比，得到未知光谱数据所代表的是Ⅰ类水、Ⅱ类水、Ⅲ类水、Ⅳ类水或者是Ⅴ类水，从而达到水体水质评估的目的。