TCSES 16-2020 城市水体水色遥感分级技术指南

ICS13.020.01CCSZ10团体标准T/CSES16—2020城市水体水色遥感分级技术指南Technicalguidelinesforwatercolorclassificationusingremotesensingforurbanwater2020-12-29发布2020-12-29实施中国环境科学学会发布T/CSES16—2020I目次前言................................................................................II引言...............................................................................III1范围..............................................................................12规范性引用文件....................................................................13术语和定义........................................................................14遥感分级技术流程..................................................................25质量控制..........................................................................7附录A（资料性）高分2号PMS传感器参数..............................................9附录B（资料性）城市水体水色遥感分级空间分布专题图.................................10T/CSES16—2020II前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由生态环境部卫星环境应用中心和南京师范大学提出。本文件由中国环境科学学会归口。本文件起草单位：生态环境部卫星环境应用中心、南京师范大学。本文件主要起草人：朱利、吕恒、申茜、郁建林、周亚明、姚月、孟斌、王雪蕾、冯爱萍、黄莉、杨子谦、李玲玲、李杨杨、许佳峰、周玲、洪恬林、李建超、王睿。T/CSES16—2020III引言为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国水污染防治法（2008修订）》，规范和指导城市建成区水体监管工作，为城市水环境管理提供新的技术手段，制定本文件。城市水体是城市生态系统中的重要组成部分，随着城市化进程的不断推进，人口的急剧增加以及工业的迅速发展，城市流域产生的污染负荷逐渐增加，造成水体水质下降。水色作为水体水质的直观体现，水体组分的差异会令城市水体表现出不同水色，这一定程度上会削弱水体相应的景观功能，甚至居民的生活也会受到影响。本文件采用国际标准色度转换模型，从水色这一水体光学特征的角度出发，参考最新的FUI指数量化水体颜色并与高空间分辨率的遥感数据相结合，以期为城市水体的监管提供参考资料和技术支持。T/CSES16—20201城市水体水色遥感分级技术指南1范围本文件规定了利用遥感技术进行城市水体分级的技术流程和质量控制。本文件适用于我国城市水体的遥感监测、分级与管理。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T14950—2009摄影测量与遥感术语GJB2700—1996卫星遥感器术语3术语和定义GJB2700—1996和GB/T14950—2009界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1像元pixela.包含空间和光谱两个变量的遥感图像数据单元。其中，空间变量确定了分辨单元的视在尺寸，光谱变量确定了这个分辨单元在具体信道中的光谱响应的强度；b.数字图像中由每个数字值代表的地面面积单元。该数字代表按要求的取样间隔对遥感探测器输出的模拟信号的取样。[来源：GJB2700—1996，3.1.1.8]3.2空间分辨率spatialresolutiona.遥感系统能区分的两个邻近目标之间的最小角度间隔或线性间隔；b.微波遥感器的天线主波束宽度所覆盖的地域大小。[来源：GJB2700—1996，3.1.3.2]3.3几何校正geometriccorrection为消除影像的几何畸变而进行投影变换和不同波段影像的套合等校正工作。[来源：GB/T14950—2009，5.190]3.4T/CSES16—20202FUI水色指数Forel-Ulewatercolorindex通过遥感影像的反射率计算得到的评价水体水色等级的指数，用于表征水体的水色信息。注：适用于海洋或大型湖库水体。3.5U-FUI水色指数urbanForel-Ulewatercolorindex通过遥感影像的反射率计算得到的评价水体水色等级的指数，用于表征水体的水色信息。注：适用于城市水体。3.6CIE-三刺激值XYZinternationalcommissiononillumination-tristimulusvalueXYZ由CIE-RGB光谱三刺激值经过数学变换得到的以实现颜色的量化表示的三个参数。注：本文件采用的CIE版本是CIE-1931。3.7色度角chromaangle经CIE-三刺激值XYZ经数学运算，得到在CIE色度图中以等能白光点为原点的表征颜色的角度。3.8城市水体urbanwater位于城市范围内与城市在景观、建筑艺术、生态环境等方面充分融合的水域，包括流经城市的河段、城乡结合部的河流及沟渠、城市建成区（或规划区）范围内的河流沟渠、湖泊和其他景观水体。4遥感分级技术流程4.1技术流程图遥感分级技术流程包括遥感数据源的选取与预处理、基于U-FUI水色指数的城市水体遥感分级以及成果出图三个步骤，具体流程见图1。T/CSES16—20203图1技术流程图4.2遥感数据源的选取与预处理4.2.1概述随着遥感技术的不断发展，遥感影像的空间分辨率也不断提高，高空间分辨率的遥感影像能够为城市水质的评价提供新的数据来源。区别于传统的人工地面采样测量方法，遥感技术具有大面积同步观测、多时相、获取数据具有综合性和对比性以及一定的经济效益等优势，可以满足大规模、大尺度和长时间序列水质状况的监测需要。本文件以高分2号遥感影像为例，介绍基于遥感技术的城市水体分级遥感评估（有关高分2号的具体参数见附录A）。4.2.2遥感数据源的选取由于城市河道水体河宽大多较窄，传统用于大型湖泊水体遥感监测的卫星传感器，如MERIS（空间分辨率300m）、MODIS（500m）、Landsat8-OLI（30m）等都无法捕捉较为细小的城市水体，因此在遥感数据源的选取上需要选取空间分辨率较高的传感器，如高分2号PMS（4m）。推荐使用的PMS传感器搭载于我国自主研制的高空间分辨率民用光学遥感卫星高分2号，其相关参数见附录A。T/CSES16—202044.2.3预处理4.2.3.1概述利用遥感影像对城市水体进行分级评估，需要对原始影像数据进行预处理，预处理主要包括四个步骤，分别是辐射定标、大气校正、几何校正以及水体提取。4.2.3.2辐射定标遥感卫星辐射定标利用绝对定标公式和官方公布的定标参数值进行计算得到，辐射定标按照公式（1）进行计算。影像的辐射定标是根据其辐射定标参数在ENVI软件中完成。()()()()LGainDNOffset=+…………………………（1）式中：L(λ)——λ波段的辐射亮度值，常用单位为W/(m2∙μm∙sr)；Gain(λ)——λ波段的增益值；DN(λ)——λ波段的像元灰度值；Offset(λ)——λ波段的偏移值。4.2.3.3大气校正建议使用FLAASH（Fastline-of-sightatmosphericanalysisofspectralhypercubes）大气校正方法，FLAASH工具中大气校正主要分3个步骤：首先从图像中获取大气参数，包括能见度（气溶胶光学厚度）、气溶胶类型和大气水汽含量。获取大气参数之后，通过求解大气辐射传输方程来获取反射率数据。为了消除纠正过程中存留的噪声，需要利用图像中光谱平滑的像元对整幅图像进行光谱平滑运算。接着将相关参数如传感器高度和影像的空间分辨率等输入FLAASH工具中，并关闭水汽反演和气溶胶反演按钮。最后在设置中导入相应的光谱响应函数文件（sli文件），设置好保存路径运行FLAASH工具即可。在使用FLAASH进行大气校正时，需要将辐射定标后的数据转换为BIL存储格式，并且需要使用高分2号卫星相应传感器的波谱响应函数。4.2.3.4几何校正采用选取地面控制点（groundcontrolpoint，GCP）的方法对影像进行几何校正。对照已校准的高空间分辨率影像均匀选取至少30个具有典型特征的地面控制点，对高分2号影像进行几何校正，误差需控制在1个像元内。4.2.3.5水体提取水体的自动化提取对象主要为湖泊或水库水体，而在影像上自动化提取较为细小狭长的城市河道水体难度较高，易产生误分。因此，准确的城市水体边界建议通过半自动算法和人工目视解译得到。4.3基于U-FUI水色指数的城市水体遥感分级4.3.1技术路线图建议采用城市型FUI水色指数（U-FUI），基于高空间分辨率的遥感影像，对城市水体进行水色定量分级。具体的技术路线见图2。T/CSES16—20205图2基于U-FUI水色指数的城市水体遥感分级技术路线图4.3.2城市水体的原位水色分级为科学描述水体颜色，需要结合室外实际调研情况将水体颜色标准化，在进行水体原位水色观测时，参考基于国际标准色卡-劳尔色卡制作的色度分级表，从而有效地对城市水体实现水色分级。水体颜色分为3个颜色系，各颜色系中包含多个色度等级：浅灰色至灰黑色的灰色系、翠绿色至灰绿色的绿色系和浅黄色至灰黄色的黄色系，具体的色度分级表见图3。图3色度分级表4.3.3U-FUI水色指数的计算4.3.3.1概述T/CSES16—20206利用国际照明委员会规定的一套标准的颜色系统CIE-XYZ颜色系统以实现颜色的量化表示。选择三个理想的原色X、Y、Z以代替CIE-RGB系统中的三原色R、G、B。在该系统中，X、Z两原色只代表色度，并不包含亮度的信息，光亮度只与三刺激值中的Y值成比例。计算流程分为4个主要步骤，具体内容如下。4.3.3.2CIE-XYZ三刺激值计算将影像的R，G，B三个波段的Rrs值作为色度系统的红绿蓝三原色，将其合成的真彩色图像作为实际颜色，利用CIE色度系统（CIE，1931）中的三原色RGB与三刺激值XYZ之间的转换关系（见公式（2））计算得到R，G，B波段图像对应的颜色三刺激值。2.76891.75171.13021.00004.59070.06010.00000.05655.5934XRGBYRGBZRGB=++=++=++…………………………（2）利用CIE系统的R，G，B向X，Y，Z三刺激值转换公式来计算色度角α和FUI指数。对于只有R，G，B三个波段的遥感图像，在计算三刺激值XYZ时，R，G，B波段系数见表1。表1基于RGB波段计算CIE-XYZ的波段线性求和系数λi(nm)蓝波段绿波段红波段SUMxi1.13021.75172.76895.65yi0.06014.590715.65zi5.59340.056505.65注：SUM为传感器波段系数之和。4.3.3.3色度坐标计算将X，Y，Z值代入公式（3）进行归一化计算色度坐标(x，y)。色度图上二维坐标x和y