本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)，具體涉及一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是指水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氮、磷）過剩，導(dǎo)致藻類和水生植物異常繁殖，從而引發(fā)水質(zhì)惡化和生態(tài)失衡的現(xiàn)象。隨著農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)排放和城市擴(kuò)張的增加，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題在全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)重。這種現(xiàn)象不僅影響了水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還對(duì)飲用水安全、漁業(yè)資源和旅游業(yè)造成了不良影響。

2、基于遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪呛锤粻I(yíng)養(yǎng)化估算的早期方法，通常依賴于特定波段或波段組合的反射率來估算水體中葉綠素、懸浮物和溶解有機(jī)物等指標(biāo)。這類模型計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于大范圍的水體初步分析，目前已廣泛應(yīng)用于中等分辨率遙感數(shù)據(jù)（如modis和landsat）在水質(zhì)參數(shù)估算中的研究。

3、由于湖泊類型、營(yíng)養(yǎng)物來源和氣候條件的差異性，不同區(qū)域的水體光譜特性存在顯著差異，導(dǎo)致模型的適用性受到限制。許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶虢馕瞿Ｐ鸵蕾囉谔囟ê椿騾^(qū)域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，難以推廣至其他區(qū)域，影響了模型的通用性。此外，水體環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致光譜特征提取難度較大，水體中懸浮物、溶解有機(jī)物和藻類的存在容易造成光譜信號(hào)的混雜，特別是在高富營(yíng)養(yǎng)化水體中。這種混雜效應(yīng)降低了模型的精度，特別是在多參數(shù)同時(shí)反演時(shí)難度加大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)。

2、技術(shù)方案：一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

3、步驟s1、獲取不同光學(xué)波段的原始波段數(shù)據(jù)，對(duì)所述原始波段數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到有效波段數(shù)據(jù)；所述有效波段數(shù)據(jù)至少包括：遙感反射率、中心波長(zhǎng)；基于不同光學(xué)波段對(duì)應(yīng)的遙感反射率、中心波長(zhǎng)，計(jì)算得到藍(lán)藻指數(shù)和波段比值；

4、步驟s2、從所述有效波段數(shù)據(jù)中確定觀測(cè)指標(biāo)；對(duì)所述觀測(cè)指標(biāo)進(jìn)行判斷，得到判斷結(jié)果，基于所述判斷結(jié)果確定參考波長(zhǎng)；

5、步驟s3、對(duì)所述參考波長(zhǎng)計(jì)算得到關(guān)于參考波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)；基于所述參考波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)，計(jì)算得到n個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)；

6、步驟s4、將所述有效波段數(shù)據(jù)、藍(lán)藻指數(shù)、波段比值、以及n個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)，作為梯度樹提升算法的輸入?yún)?shù)，通過網(wǎng)格搜索構(gòu)建超參數(shù)網(wǎng)格，構(gòu)建湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型。

7、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述步驟s1中藍(lán)藻指數(shù)采用以下公式計(jì)算：

8、；

9、式中，是藍(lán)藻指數(shù)；、、分別是為紅色、藍(lán)色、近紅外波段的遙感反射率；、、、分別是綠色、藍(lán)色、紅色和近紅外波段的中心波長(zhǎng)。

10、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述步驟s2進(jìn)一步包括以下步驟：

11、從所述有效波段數(shù)據(jù)中選擇紅色波段的遙感反射率作為觀測(cè)指標(biāo)；將與閾值進(jìn)行比較判斷，得到判斷結(jié)果：

12、若，則將參考波長(zhǎng)的值設(shè)為；

13、若，則將參考波長(zhǎng)的值設(shè)為。

14、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，在，將參考波長(zhǎng)的值設(shè)為時(shí)，所述步驟s3中參考波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)的采用以下公式計(jì)算：

15、；

16、；

17、；

18、式中，、分別是在波長(zhǎng)位置的總吸收系數(shù)、純水吸收系數(shù)；為中間過程變量；rrs(469)、rrs(555)分別是波長(zhǎng)469?nm、555?nm位置的遙感反射比；為波長(zhǎng)位置的遙感反射比，是波長(zhǎng)位置的遙感反射率。

19、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，在，則將參考波長(zhǎng)的值設(shè)為時(shí)，所述步驟s3中參考波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)的采用以下公式計(jì)算：

20、；

21、式中，、分別是波長(zhǎng)位置的總吸收系數(shù)、純水吸收系數(shù)；是波長(zhǎng)645nm位置的遙感反射比。

22、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述步驟s3中參考波長(zhǎng)的后向散射系數(shù)采用以下公式計(jì)算：

23、；

24、；

25、式中，、分別是參考波長(zhǎng)位置的后向散射系數(shù)、純水后向散射系數(shù)；是中間過程變量；為參考波長(zhǎng)位置的總吸收系數(shù)；為參考波長(zhǎng)位置的遙感反射比；參考波長(zhǎng)取值為或。

26、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述步驟s3中n個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)采用以下公式計(jì)算：

27、；

28、式中，是目標(biāo)波長(zhǎng)位置的后向散射系數(shù)，。

29、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述步驟s3中n個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)采用以下公式計(jì)算：

30、；

31、；

32、式中，是目標(biāo)波長(zhǎng)位置的總吸收系數(shù)，；是目標(biāo)波長(zhǎng)位置的純水后向散射系數(shù)；是中間過程變量；為目標(biāo)波長(zhǎng)位置的遙感反射比。

33、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述波段比值包括：、、、、、；是為綠色波段的遙感反射率。

34、在另一個(gè)技術(shù)方案中，提供了一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)如上述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，包括：

35、第一模塊，被設(shè)置獲取不同光學(xué)波段的原始波段數(shù)據(jù)，對(duì)所述原始波段數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到有效波段數(shù)據(jù)；所述有效波段數(shù)據(jù)至少包括：遙感反射率、中心波長(zhǎng)；基于不同光學(xué)波段對(duì)應(yīng)的遙感反射率、中心波長(zhǎng)，計(jì)算得到藍(lán)藻指數(shù)和波段比值；

36、第二模塊，被設(shè)置從所述有效波段數(shù)據(jù)中確定觀測(cè)指標(biāo)；對(duì)所述觀測(cè)指標(biāo)進(jìn)行判斷，得到判斷結(jié)果，基于所述判斷結(jié)果確定參考波長(zhǎng)；

37、第三模塊，被設(shè)置對(duì)所述參考波長(zhǎng)計(jì)算得到關(guān)于參考波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)；基于所述參考波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)，計(jì)算得到n個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)；

38、第四模塊，被設(shè)置將所述有效波段數(shù)據(jù)、藍(lán)藻指數(shù)、波段比值、以及n個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)，作為梯度樹提升算法的輸入?yún)?shù)，通過網(wǎng)格搜索構(gòu)建超參數(shù)網(wǎng)格，構(gòu)建湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型。

39、有益效果：

40、（1）本發(fā)明中的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型所使用的數(shù)據(jù)集涵蓋寡營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)的水體狀態(tài)，數(shù)據(jù)集來自全球3528個(gè)采樣點(diǎn)；顯著的光學(xué)變化性以及大量的數(shù)據(jù)樣本為開發(fā)大范圍內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)（tsi）反演算法提供了有利條件。

41、（2）本發(fā)明耦合機(jī)器學(xué)習(xí)和半分析算法有效結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的非線性擬合能力與半分析模型的物理約束，提高預(yù)測(cè)精度和解釋性，減少對(duì)大規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù)的依賴。

42、（3）在復(fù)雜的水體環(huán)境下，本發(fā)明提供的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗噪性，有助于實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)，為環(huán)境管理和水質(zhì)預(yù)警提供支持。

技術(shù)特征：

1.一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，

3.如權(quán)利要求1所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，

4.如權(quán)利要求3所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，

5.如權(quán)利要求3所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，

6.如權(quán)利要求3所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，

7.如權(quán)利要求6所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s3中n個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)采用以下公式計(jì)算：

8.如權(quán)利要求7所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，

9.如權(quán)利要求2所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，

10.一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)，屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：步驟S1、獲取有效波段數(shù)據(jù)，并計(jì)算得到藍(lán)藻指數(shù)和波段比值；步驟S2、從有效波段數(shù)據(jù)中確定觀測(cè)指標(biāo)，并確定參考波長(zhǎng)；步驟S3、計(jì)算參考波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)；計(jì)算得到N個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)；步驟S4、將有效波段數(shù)據(jù)、藍(lán)藻指數(shù)、波段比值、以及N個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)，作為輸入?yún)?shù)，構(gòu)建湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型。本發(fā)明提供的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)耦合模型具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗噪性，有助于實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)，為環(huán)境管理和水質(zhì)預(yù)警提供支持。

技術(shù)研發(fā)人員：張毅博,張運(yùn)林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9