7-专题：基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测

ENVI/IDL专题三：基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测ENVI/IDL1、专题背景ENVI/IDL专题背景•太湖是中国第三大淡水湖，也是富营养化比较严重的湖泊之一。悬浮物、叶绿素a、有色可溶性有机物等是水质监测的重要参数。•这些水质参数浓度的变化，会引起水体生物光学特性和水面反射率的改变，利用遥感技术，根据水体光谱特性与水质参数浓度间的关系，反演水质参数，可以实现湖泊水质的高频率、大范围、准实时监测ENVI/IDL专题概述•本专题详细介绍了利用环境小卫星CCD-1B图像反演太湖叶绿素a浓度的完整流程，涉及环境小卫星的数据读取、辐射定标、几何校正、大气校正、反演模型的建立、遥感反演过程、反演结果验证等内容。•使用模块和工具：-ENVI主模块-FLAASH大气校正扩展模块-IDL开发的环境小卫星数据读取补丁-Excel相关功能ENVI/IDL处理流程HJ1B-CCD1原始数据数据读取辐射定标几何校正大气校正太湖区裁剪环境小卫星数据处理补丁基准影像波谱响应函数叶绿素浓度分布图模型应用于图像结果分析星上点与地面实测点建模模型修正数据预处理叶绿素浓度反演太湖矢量数据ENVI/IDL流程说明•根据环境小卫星CCD数据特点及太湖水质反演技术要求，采用的技术路线为：先对环境小卫星CCD数据进行数据预处理：数据读取、辐射定标、几何校正、大气校正、太湖区裁剪，利用波段比值法对实测的叶绿素a浓度数据建立反演模型，将模型应用于太湖水面区域影像，反演出整个太湖区的叶绿素a浓度ENVI/IDL数据获取说明•环境小卫星CCD-1B数据，在环保部卫星环境应用中心免费下载获取，环境小卫星CCD数据下载地址：•环境小卫星的读取补丁下载地址：=75575•TM数据下载地址为：•大气校正用到的环境小卫星数据波谱响应函数下载地址：进入专题•数据：-“17-基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测”数据预处理叶绿素反演成果后期处理及应用ENVI/IDL2、数据预处理ENVI/IDL图像预处理流程HJ1B-CCD1原始数据数据读取辐射定标几何校正大气校正太湖区裁剪环境小卫星数据处理补丁基准影像波谱响应函数太湖矢量数据太湖水面HJ1B-CCD1数据ENVI/IDL2.1数据读取和定标•安装环境小卫星数据读取和定标补丁-ENVI_HJ1A1B_Tools.sav文件放在home\ITT\IDL\IDL80\products\envi48\save_add目录下•数据读取和定标-主菜单-File-OpenExternalFile-HJ-1A/1BToolsENVI/IDL2.2几何校正（一、目的）•这一步是对环境数据进行几何校正，使其具有精确的地理信息，基准影像可以是地形图，也可以是已经过校正的其他中高分辨率影像，本专题中采用已经过校正的TM数据作为基准影像。•目的是让环境小卫星影像拥有精确的坐标，可以与其他数据向匹配，如实测GPS数据。ENVI/IDL2.2几何校正(二、工程区裁剪）•由于整景数据范围非常大，而我们的工程区只是其中一小部分，所以在进行几何配准之前，将太湖以及周边区域裁剪出来。ENVI/IDL2.2几何校正（三、图像配准）•以TM作为基准影像对环境小卫星图像进行图像配准ENVI/IDL2.3大气校正（一、概述）•获得地物真实的光谱信息是遥感反演的前提，大气校正可消除大气影响，还原地物的真实信息，是定量遥感数据预处理中必不可少的环节。ENVI/IDL2.3大气校正（二、制作波谱响应曲线）•环境小卫星提供了波谱响应函数，以文本形式提供，第一列表示波长（nm），后面四列分别表示4个波段对应波长的波谱响应值。需要制作波谱曲线来描述波谱响应函数，用于大气校正ENVI/IDL2.3大气校正——（三、FLAASH大气校正）•数据准备•FLAASH对图像文件有以下几个要求：-数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位是：（μW）/（cm2*nm*sr）。-数据带有中心波长（wavelenth）值，如果是高光谱还必须有波段宽度（FWHM）,这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（EditHeader）。-数据类型-支持四种数据类型：浮点型（floating）、长整型(longinteger)、整型（integer）和无符号整型(unsignedint)。数据存储类型：ENVI标准栅格格式文件，且是BIP或者BIL。-波谱范围：0.4－2500μmENVI/IDL2.3大气校正（四、FLAASH基本参数设置）•基本参数设置ENVI/IDL2.3大气校正（五、FLAASH多光谱参数设置）•多光谱参数设置ENVI/IDL2.3大气校正（六、FLAASH高级参数设置）•高级参数设置ENVI/IDL2.3大气校正（七、结果检验）•结果检验•大气校正前后典型地物（植被）光谱曲线对比ENVI/IDL2.4裁剪太湖区•预处理的最后一步是用太湖区矢量数据对已经做过辐射定标、几何校正、大气校正的HJ-CCD数据进行不规则裁剪•太湖矢量数据：-“16-基于环境小卫星的湖泊水质遥感监测\3-大气校正\太湖矢量数据”ENVI/IDL3、叶绿素反演ENVI/IDL叶绿素反演•本环节最重要的是地面实测点与星上点的反演模型建立，涉及到定量遥感的知识。•在前人研究了大量的算法和模型的基础上，本专题选择经验模型之一波段值模型（BNIR/BRED）来进行叶绿素的反演，做为示例。•波段比值模型：-Chla=a*（BNIR/BRED）+b模型应用于图像星上点与地面实测点建模模型修正ENVI/IDL3.1采样点实测数据整理•这一步需要整理实地调查数据，将水面调查点的空间位置及实测chla值一一对应•实测点归类——反演点、验证点•按照标准格式：点号、水面调查点的经纬度、叶绿素含量，以四列形式保存为.txt和Excel文件ENVI/IDL3.2采样点星上数据获取•生成波段比值影像-BasicTool-Bandmath，表达式：float(b4)/b3•在波段比值影像上导入采样点数据，将影像上对应位置的像素值导出ENVI/IDL3.3模型参数反演•在Excel中选中BNIR/BRED值与叶绿素a实测值，绘制散点图ENVI/IDL3.4叶绿素反演•反演出的参数a和b，带入反演模型：-Chla=0.0422*BNIR/BRED+0.0171•叶绿素反演-BasicTool-Bandmath，表达式：0.0422*b1+0.0171，设置b1为b4/b3图像•得到叶绿素反演图ENVI/IDL4、成果后处理及应用ENVI/IDL4.1反演结果验证•将验证点对应的叶绿素反演值导出来，与验证点的实测值在Excel表中一一对应。•计算误差-误差在允许范围：反演和实测结果的代数差，实测值的百分比的±30%。ENVI/IDL4.2反演结果制图输出•彩色显示-在display中，选择Tools-ColorMapping-ENVIColorTables，将结果以彩色方式显示。•添加图例-Overlay-Annotation注记面板中，打开工具Object-ColorRamp，鼠标在图中空白处点击，添加一个色带图例。ENVI/IDL专题总结•该专题从原始的HJ1B-CCD数据开始，在ENVI下经过一系列数据预处理，得到具有正确地理坐标和真实光谱信息的太湖水面数据，结合数学模型和定量遥感技术，反演太湖叶绿素浓度。得到太湖叶绿素浓度成果图。•掌握知识：-国产卫星数据的处理-预处理流程的安排-数据处理各个环节在ENVI下的操作及参数选择-定量遥感技术实现