[发明专利]基于高光谱数据的水库水体氨氮含量估算方法

说明书

技术领域

本发明涉及水质生态安全技术领域，具体涉及一种基于高光谱数据的水库水体氨氮含量估算方法。

背景技术

桉树是世界著名的三大速生树种之一，为亚热常绿植物，原产澳大利亚。由于桉树在造纸、人造板、建筑等行业用途广泛，目前广东桉树种植面积接近300万hm²。速生桉树林氨氮施肥流失量比其他阔叶林大得多，导致桉树林区的湖库饮用水水源保护区水质污染严重。

以往的研究较多关注桉树人工林大气污染净化、水肥利用与养分循环、水量平衡、生物多样性等，对人工桉树林生态系统水质负面作用关注不够。目前对于大力发展桉树人工林，学术界存在着争议，其争论的焦点是桉树的生态环境问题。例如，广东粤西鹤地水库地跨粤桂两省(经纬度：21°42.561’-21°53.349’N，110°16.859’-110°23.406’E)，距湛江市75公里，水库面积122平方公里，为广东三大水库之一，是湛江市重要水源。由于桉树林的大量开发，近几年水库水质出现了明显下降趋势(其中桉树种植为六大污染源之一)，桉树人工林水质生态问题已成为湛江可持续发展中社会各界共同关注的焦点之一。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于高光谱数据的水库水体氨氮含量估算方法，以提高水库水体氨氮含量监测的效率和精度。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于高光谱数据的水库水体氨氮含量估算方法，包括步骤：

利用地物光谱仪在待测水库进行现场水体光谱测量和水体采样，记录水体在各波长处的反射率并收集若干组水样；

对收集的水样进行氨氮含量的测量；

根据下述导数求算公式计算光谱反射率各波长的导数；

R_i′＝R_i+1-R_i

式中，R表示地物光谱仪测量的光谱反射率，i是波长，单位是nm；

从收集的水样样本中随机选择N个样本，利用光谱反射率导数和水库水体氨氮含量进行Pearson相关性分析，得到光谱反射率各波长导数与氨氮含量的相关系数P_i：

其中，P_i为相关系数，i为波长，R_i'为光谱反射率各波长导数，y为水库水体氨氮含量数据，N为样本个数；

选取相关系数P_i绝对值最大时对应的光谱反射率波长导数以及氨氮含量，进行形如y＝ax²+bx+c的二次函数拟合，得到水库水体氨氮含量估算模型，其中因变量y为氨氮含量，自变量x为光谱反射率波长导数；

根据所述水库水体氨氮含量估算模型对待测水库水体的氨氮含量进行估算。

本发明基于高光谱数据的水库水体氨氮含量估算方法，根据光谱反射率波长导数和水体样本实测氨氮含量建立了估算模型，进而根据估算模型进行氨氮含量的估算，快速得到一个高精度的估算结果，有利于加深库区桉树的环境问题认识，为保护水质生态安全、可持续发展提供科技支撑和决策依据。

附图说明

图1为鹤地水库的地理位置示意图；

图2为鹤地水库放大后的地理位置示意图；

图3为鹤地水库空间位置及水样采集点的示意图；

图4为本发明基于高光谱数据的水库水体氨氮含量估算方法的流程示意图；

图5为水库水体氨氮含量估算模型的建立示意图；

图6为对水库水体氨氮含量估算模型的精度进行验证的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，鹤地水库地处雷州半岛北部，城西北14公里的河唇镇，库区跨越广西壮族自治区的陆川、博白二县，处于九洲江中游，集水面积1440平方公里，总库容11.51亿立方米，是以灌溉为主，结合防洪、发电和航运等综合利用的大型水库。设计灌溉面积200万亩，有效灌溉面积127万亩。鹤地水库为多年调节水库，总库容11.875亿立方米，其中调洪库容3.115亿立方米，兴利库容5.36亿立方米，死库容3.4亿立方米。鹤地水库灌区渠系从北至南贯串大半个雷州半岛。总干渠名为“雷州半岛青年运河主河”全长76公里，设计最大过水能力120立方米每秒。大干渠有东海河、西海河、东运河、西运河、四联干渠5条，共长195公里；干渠155条，长1164公里；支渠1467条，长4041公里。