[发明专利]基于光谱形态特征的高光谱水质参数定量反演方法

权利要求书

1.一种基于光谱形态特征的高光谱水质参数定量反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，采集水样并进行水质全分析，获得水质参数测试结果；

S2，在水样采集点进行现场光谱测量，获得地面测量光谱数据；

S3，采集高光谱影像数据；

S4，对所述地面测量光谱数据和高光谱影像数据进行对比分析，并提取得到原始光谱曲线形态特征、去包络线后光谱曲线形态特征、光谱曲线三阶求导后形态特征和光谱四值编码；

S5，采用皮尔森相关系数分析水质参数与地面测量光谱形态特征之间的相关性，其中皮尔森相关系数的计算公式如下：

式中x_i和y_i分别为光谱形态特征集合x和水质参数样本集合y的第i个观测值，和是样本集合x和y的平均值，n为样本数，P用于描述水质参数与光谱形态特征之间的相关系数，P∈[-1,1]，其绝对值越大，表明数据之间的相关性越强。

S6，选取地面测量光谱形态特征与水质参数呈显著相关的特征量作为建模初始变量，采用逐步回归分析方法，建立水质参数的多元一次函数反演模型；

S7，针对高光谱影像数据，选取与S6中建立的地面测量光谱反演模型相同类型的自变量和函数类型，采用进入回归分析方法，建立水质参数的高光谱反演模型；

S8，将水质参数的高光谱反演模型应用于工作区高光谱影像，获得区域性水质参数的定量反演结果。

2.如权利要求1所述的基于光谱形态特征的高光谱水质参数定量反演方法，其特征在于，S2中，所述在水样采集点进行现场光谱测量，具体为，采用光谱仪对水体进行现场光谱测量，光谱测量过程中，仪器观测平面与太阳入射光线的夹角保持在135°左右，背向太阳，与水平法线的夹角在40°左右，每次测量采集10条光谱，每个水样点采集3～5次，在测得水体反射太阳光DN值的基础上，经过异常值剔除、光谱平均和定标处理后，获得水样点的地面测量光谱数据。

3.如权利要求1所述的基于光谱形态特征的高光谱水质参数定量反演方法，其特征在于，S4中，所述原始光谱曲线形态特征包括最大反射率及其波长位置、反射峰右斜率、反射峰右面积、反射峰右第一斜率、反射峰右第一面积、反射峰数比波段总数和吸收谷数比波段总数。

4.如权利要求1所述的基于光谱形态特征的高光谱水质参数定量反演方法，其特征在于，S4中，所述去包络线后光谱曲线形态特征包括吸收深度及其波长位置、吸收宽度、吸收对称度、吸收面积、吸收斜率及光谱吸收指数。

5.如权利要求1所述的基于光谱形态特征的高光谱水质参数定量反演方法，其特征在于，S4中，所述光谱曲线三阶求导后形态特征包括三阶导最大/最小值及其波长位置、三阶导最大最小斜率及三阶导数的极值个数比总波段数；其中，三阶导数的计算公式如下：

R″′(λ_i)＝(R_i+3-R_i+1-3×R_i-1+R_i-3)/(8×Δλ³)

式中，R″′(λ_i)为三阶导数，R(λ_i)表示波长λ_i处的反射率值，Δλ表示波长间隔。

6.如权利要求1所述的基于光谱形态特征的高光谱水质参数定量反演方法，其特征在于，S4中，所述光谱四值编码包括光谱编码I、光谱编码II、光谱编码III和光谱编码IV，所述光谱四值编码按照如下步骤获得：

①计算整体光谱数据的平均值作为第一个阈值T₀；

②根据阈值T₀将光谱数据分为两个区间；

③对两个区间的光谱数据分别求得平均值T₁、T₂，作为第二次使用的阈值；

④利用T₁、T₂将光谱数据分为四个区间，对其分别赋值为0、1、2、3，从而获得所述光谱四值编码。