基于Landsat8遥感影像的水质反演.docx
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基于Landsat8遥感影像的水质反演.docx
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基于Landsat8遥感影像的水质反演
——以韩城市薛峰水库为例
1实验目的
1)熟悉ENVI5.1的软件操作,掌握使用ENVI5.1软件从数字遥感影像中获取地物光谱信息的技能。
2)加深对遥感知识的理解,锻炼运用遥感原理解决工程应用中的实际问题的能力。
2实验平台
本次实验选用的软件操作平台为ENVI5.1遥感图像处理软件。
3实验数据
此次实验影像数据来源于地理空间数据云(),根据研究区韩城市薛峰水库水质参数的采集时间周期,计划使用landsat8OIL数字卫星2015年1月、3月、5月、7月、9月、11月份6期遥感影像,但综合考虑这些时间点卫星影像的云量和数据存档情况后,最终选择2014年12月30日、2015年2月16日、5月23日、7月26日、9月12日以及12月17日,这6期影像作为此次实验的影像数据。
4实验步骤
4.1辐射定标
①启动ENVI5.1软件,打开遥感影像。
File→Open,选择MTL.txt文件,点击OK打开,可以看到分为五个数据集:
多光谱数据(1-7波段),全色波段数据(8波段),卷云波段数据(9波段),热红外数据(10,11波段)和质量波段数据(12波段)。
②辐射定标
在ENVI5.1的工具箱中查找工具:
/RadiometricCorrection→RadiometricCalibration;双击此工具,选择要校正的多光谱数据“MTL_MultiSpectral”进行辐射定标。
③定标参数设置
FLASSH大气校正对于Radiance数据的要求是:
BIL存储格式,单位转换“ScaleFactor”的设置,单击ApplyFLAASHSettings得到相应的参数。
设置完成之后,点击OK即开始辐射定标。
4.2大气校正
①ENVI5.1 工具箱中查找工具:
RadiometricCorrection→AtmosphericCorrectionModule→FLAASHAtmosphericCorrection,双击此工具,打开之前辐射定标后的数据,进行相关的参数设置进行大气校正。
1) InputRadianceImage:
打开辐射定标结果数据;
2) 设置输出反射率的路径;
3) 设置输出FLAASH校正文件的路径;
4) 中心点经纬度SceneCenterLocation:
自动获取;
5) 选择传感器类型:
Landsat-8OLI;其对应的传感器高度以及影像数据的分辨率自动读取;
6) 设置研究区域的地面高程数据;
7) 影像生成时的飞行过境时间:
可以从元文件“MTL.txt”中找到,具体名称:
DATE_ACQUIRED=2013-05-12;SCENE_CENTER_TIME=02:
55:
26.6336980Z;
8) 大气模型参数选择:
Sub-ArcticSummer(根据成像时间和纬度信息选择);
9) 气溶胶模型AerosolModel:
Urban,气溶胶反演方法AerosolRetrieval:
2-band(K-T);
10) 其他参数按照默认设置即可。
②多光谱参数设置:
1) K-T反演选择默认模式:
Defaults->Over-LandRetrievalstandard(600:
2100)
2) 波谱响应函数:
默认指向..\ProgramFiles\Exelis\ENVI51\classic\filt_func\landsat8_oli.sli,把它重新指向:
..\ProgramFiles\Exelis\ENVI51\resource\filterfuncs\landsat8_oli.sli,点击OK。
③高级参数设置:
参数默认即可。
最后,点击“Apply”运行FLAASH校正,运行完后能得到反演的能见度和水汽柱。
④校正结果
水体反射率较低,在蓝绿波段有较强反射,在其他可见光波段吸收都很强。
纯净水在蓝光波段反射率最高,随波长增加反射率降低;含叶绿素的清水反射率峰值在绿光段,水中叶绿素越多则峰值越高,而浑浊水、泥沙水反射率高于以上,峰值出现在黄红区。
植被(原始影像)
植被(校正后)
薛峰水库波谱(原始影像)
薛峰水库波谱(校正后)
4.3研究区光谱信息采集
使用BandMath工具进行波段运算水体指数与植被指数。
1)启动ENVI,选择菜单File→Open,打开数据;
2)启动BandMath工具,路径为Toolbox→BandRatio/BandMath;
3)在BandMath面板,在Enteranexpression文本框中输入运算表达式,点击AddtoList按钮,将表达式添加到PreviousBandMathExpression列表中;
4)在BandMath面板中,选中添加的公式,点击OK按钮,打开VariablestoBandsPairings对话框,为运算表达式中各个变量赋图像波段;
5)单击Choose按钮,选择文件名及路径保存结果,单击OK按钮执行运算。
注:
可以直接利用ENVI5.1内置NDVI计算模块计算植被指数。
①植被指数
NDVI:
近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差比上两者之和,即为归一化植被指数,是反映植被长势的重要参数之一,可以用于分析水中藻类植物生长信息。
NDVI=NIR-RNIR+R
植被指数计算结果
2014年12月30日
2015年2月16日
2015年5月23日
2015年7月26日
2015年9月12日
2015年12月17日
②水体指数
宋挺(2015)的水体指数:
在其利用landsat8OIL影像反演太湖水质时,提出一种能够有效反映水体浊度(表示悬浮物的度量)分布、变化的波段组合(B4-B3)/(B4+B3)。
WI=R-GreenR+Green
水体指数计算结果
2014年12月30日
2015年2月16日
2015年5月23日
2015年7月26日
2015年9月12日
2015年12月17日
5水质反演
利用ENVI5.1软件中的ROI工具将韩城市薛峰水库选中,使用其统计计算功能,计算出ROI区域内薛峰水库的植被指数和水体指数平均值。
1)选择File→RegionsofInterest,在图层中右键选择NewRegionOfInterest。
2)打开RegionOfInterest(ROI)Tool面板,修改:
ROIName,ROIColor。
3)面板中提供四种方式绘制ROI:
几何方式(Geometry)、像素选择(Pixel)、区域增长(Grow)和阈值区间(Threshold)。
选择常用的几何方式(Geometry),可以选择点、线、圆、矩形和任意多边形(默认)。
4)在图像中单击左键选择第一个多边形节点,继续单击左键增加多边形节点。
当绘制好一个多边形之后,双击两次左键或者右键选择CompleteandAcceptPolygon结束绘制一个多边形。
5)在工具面板Options→ComputeStatisticsfromROIs统计ROI区域对应的影像信息。
根据收集的韩城市薛峰水库的水质实测资料,与水体指数和植被指数进行相关性分析。
此次,以水中悬浮物为例进行计算分析。
计算结果发现:
植被指数与水中悬浮物含量的相关系数为0.574,具有一定的相关性;同样,悬浮物与水体指数相关性较低,为0.335。
由于水体指数与植被指数计算值较小,对其整体扩大10倍,可以得到非常显著的随时间变化的折线趋势图,与悬浮物含量变化折线进行对比。
因此,可以选用植被指数作为反演水体悬浮物的指标参数,可得其反演模型:
C=-0.0842(NIR-RNIR+R)2+0.4843NIR-RNIR+R-0.7128
式中:
C表示悬浮物含量,NIR为近红外波段,R为红色波段。
反演模型方程的可决系数R2接近于1,拟合度高,但由于数据得到的数据有限,目前未能对其模型精度进行检验。
6总结体会
此次实验,充分了解了ENVI5.1软件提取水体光谱信息的操作技能,进一步加深了对地物反射特征等遥感基础知识的理解和运用,学会了利用遥感影像进行水质监测的方法,通过进一步的建模分析,掌握了遥感影像反演地物物理参数的方法,初步完成了此次实验任务。
由于实地监测数据的较少,未能完成对水体悬浮物含量反演模型的验证。
在以后的工作中,如果数据样本满足实验要求,有必要进一步对其进行验证。
而且作为实验数据练习,此次实验重点只是选择当前现有的水体研究成果,仅仅选用了植被指数和水体指数对悬浮物含量的反演做了初步探究。
以后时间和数据充足,可以对不同的遥感光谱波段进行组合运算,探求出反演水质的最佳波段计算方法,找出与实测地物物理参数相关性更高的指标。
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- 基于 Landsat8 遥感 影像 水质 反演