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遥感蓝色多波段漓江水反演远原理与应用

申报人：傅佳瑜 申报日期：2024-05-30

基本情况

2024年批次
遥感蓝色多波段漓江水反演远原理与应用 学生申报
创新训练项目
理学
地理科学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
为深入贯彻落实习近平总书记视察广西“4·27”重要讲话精神和对广西工作系列重要指示要求，把桂林建设成世界级旅游城市，需要根据遥感水深反演原理，分析漓江和灵渠水体的遥感反演水深物理过程及其影响因素的相互作用机制，构建蓝色多波段水深反演模型，利用漓江和灵渠卫星影像的蓝色波段快速、高精度反演水深，实施漓江上游青狮潭、小溶江、川江、斧子口水库除险加固和补水提升工程，打造漓江世界级旅游景区，加强灵渠世界灌溉工程建设，建设世界灌溉工程遗产。
参与2023年区级立项项目“近8年桂林永福县柑橘种植面积及驱动因子分析”

徐嘉盛老师主持1项厅级课题，发表水深反演相关二区以上SCI论文8篇，EI论文3篇，中文核心论文1篇，授权发明专利6件，授权实用新型专利3件，获得教育部科技进步二等奖1项，第48届日内瓦国际发明展银奖1项、第49届日内瓦国际发明展金银奖各1项。

本项目契合当前把桂林建设成世界级旅游城市发展的需要，研究思路清晰，提出的蓝色多波段水深反演模型具有一定创新性、示范性和可推广性，指导老师可以提供有关研究资料、可利用的学术资源、有效的指导，大力支持本项目开展研究。

校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
傅佳瑜 测绘地理信息学院 遥感科学与技术 2022 数据收集与预处理
陆诗韵 测绘地理信息学院 遥感科学与技术 2022 专利和论文的申请与发表
黄钥钧 测绘地理信息学院 遥感科学与技术 2022 算法研究，程序开发
覃春来 测绘地理信息学院 遥感科学与技术 2022 报告撰写

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
徐嘉盛 测绘地理信息学院 否

立项依据

遥感水深反演作为一种通过遥感技术间接获取水深信息的方法，在海洋、湖泊等水体的监测与管理中发挥着重要作用[1]。2022年4月，习近平总书记来桂林视察，发表了“4.27”讲话，要把桂林打造成世界级旅游城市。为此，广西壮族自治区人民政府下发了“桂政办发〔2022〕60号”文件，出台了打造桂林世界级旅游城市若干政策措施。其中，政策措施的第一条就是“支持世界级山水旅游名城”，重点是加强漓江生态环境保护、提升桂林山水旅游品质，具体包括“实施漓江上游青狮潭、小溶江、川江、斧子口水库除险加固和补水提升工程”，“加快漓江世界级旅游景区、遇龙河世界级旅游度假区建设，打造漓东百里山水画廊休闲观光示范带，发挥世界级山水城市生态优势”等。第二条是“支持世界级文化旅游之都建设”，重点是通过建设“灵渠世界灌溉工程遗产”，打造世界级旅游吸引物。
为消除漓江风险，加快建设“漓江世界级旅游景区”和“灵渠世界灌溉工程遗产”，提升桂林山水旅游品质，建成“世界级山水旅游名称”，本项目拟根据遥感反演水深原理，分析漓江和灵渠水体的具体特性和遥感反演水深的物理过程及其影响因素的相互作用机制，构建蓝色多波段水深反演模型，利用漓江和灵渠卫星影像的蓝色波段快速、高精度反演水深，实施漓江上游青狮潭、小溶江、川江、斧子口水库除险加固和补水提升工程，打造漓江世界级旅游景区，加强灵渠世界灌溉工程建设，建设世界灌溉工程遗产。
本项目主要研究内容是构建蓝色多波段水深反演模型，通过文献梳理，遴选10篇左右国内外经典水深反演论文，根据遥感水深反演原理，结合漓江和灵渠水体特征和影像特点，对比分析单波段、对数比值、比值对数模型以及太阳光强度、水面耀斑、水体透明度、水底底质和传感器等影响因素与水深的数学特性，研究适合漓江和灵渠的蓝色多波段水深反演模型，具体过程见图1。
图 1 蓝色多波段水深反演模型构建
从1973年Landsat卫星发射成功开始，国内外众多学者就研究卫星影像遥感反演水深，随后基于遥感反演水深原理，诞生了单波段模型、比值对数模型、对数比值模型以及可见光多波段模型。
1. 单波段模型
单波段半经验物理模型包括Polcyn的单波段模型[2]、Cracknell的单波段模型[2]、党福星的不同底质分类单波段模型[4]。
针对基本模型无法实际应用到卫星影像的问题，Polcyn提出用单波段水深差模型反演水深，该模型假设除不同水深对应的波段值不同外，其他参数均相同，将模型中的Li用Z=0时的辐亮度代替，Lsi用无穷水深的辐亮度代替，反演模型参数，得到水深反演模型。用0-6m凯撒溪和太平洋珊瑚礁多光谱卫星影像ERTS-1 MSS数据反演水深。该模型优点是考虑水深差对辐亮度与水深的关系，缺点是假设水面反射率一样、水体漫衰减系数不变、水底底部反射率均一，且无法计算。
针对Polycn模型无法计算的问题，Cracknell根据光在水中指数衰减规律，提出单波段指数反演水深模型，用已知位置辐亮度和对应水深反演模型参数，构建模型，将已知波段辐亮度信息代入模型反演水深。用0-22m阿布扎比多光谱卫星影像Landsat5 TM和MOMS高光谱数据反演水深，均方根误差为2.9m。模型优点是将输入参数简化成单个波段辐亮度和对应水深，缺点是未考虑水表面反射率、水体衰减系数和水底底部反射率不均一等影响因素。
党福星针对水底底质不均一的问题，用遥感影像辐亮度将不同底质的水域分类，构建不同底质分类单波段模型，将已知波段辐亮度信息代入模型反演水深。用0-30m永暑礁多光谱卫星影像Landsat5 TM数据反演水深，标准误差为2.14m。模型优点是考虑了不同底质对水深反演的影响，缺点是未考虑水表面反射率、水体漫衰减系数和水底底部反射率不均一等影响因素。
2. 比值对数模型
针对单波段模型需要输入参数多，引起误差大的问题，Polcyn[5]假设除不同水深对应的波段值不同外，其他参数均与单波段水深差模型相同，将模型中的i波段和j波段比值，代入单波段水深反演模型得到双波段水深差模型。将该模型应用到0-5m巴哈马岛多光谱卫星影像ERTS-1 MSS数据反演水深。模型优点是通过比值消去了许多参数，只需输入待测水深两个波段的电压比值、反射率和漫反射系数以及水底标准版的电压比值和反射率就能计算水深，缺点是未考虑水表面反射率和水底底质反射率变化等因素，且需要不同波段准确的水体漫衰减数。
3. 对数比值模型
针对底质较暗会引起水深反演误差增加的问题，Stumpf[6]发现蓝色波段辐亮度的对数与绿色波辐亮度对数比值与底质无关，与水深存在线性关系，提出了双波段对数比值模型。用0-30m夏威夷群岛两个珊瑚礁岛多光谱卫星影像IKONOS数据反演水深，均方根误差为2.5m。模型优点是考虑底质反射率不同对水深反演的影响，缺点是需要大量已知数据才能保证精度。
4. 可见光多波段模型
由于变化底部类型的混合效应，单波段测量值估算水深不可靠， Paredes[7]等人总结了基于比值对数水深反演模型衍生的单波段水深反演模型、双波段水深反演模型，提出了多波段水深反演模型。
针对水面反射率对水深反演的影响，Lyzenga[8]根据水面次表面的向下辐照度和向上辐照度的关系去除水面反射影响，建立了简单物理多光谱测深模型，用最小二乘法反演模型参数，构建水深反演模型反演水深。用0-25m坎昆、卡哈纳、北卡罗来纳州鸭子、卡里斯福IKONOS多光谱卫星影像反演水深平均误差0.58m、0.79m、1.7m和1.21m，均方根误差分别为1.65m、2.00m、2.31m和2.02m。模型去除了水面反射影响，缺点是未考虑水体衰减系数和水底底质空间变化的问题。
虽然上述模型是目前遥感反演水深的主要模型，但这些模型或多或少存在一些问题，如单波段模型利用信息量少，其他模型没有充分考虑影响因素的数学特性，都不能反演高精度水深。因此，本项目要研究遥感模型影响因素之间及其与水深之间的关系，然后构建考虑各因素及其与水深的数学特性的蓝色多波段水深反演模型，反演漓江和灵渠水深。
(1) 项目创新点
针对现阶段传统遥感影像水深反演模型自身存在缺陷，如单波段不能充分利用不同波段的信息，比值对数、对数比值等模型仅仅采用指数衰减特性，忽略其他非线性特性，都导致水深反演误差大的问题，本项目根据多光谱影像多波段水深反演原理，结合广西近海岸涠洲岛和夏威夷近海岸莫洛凯岛的水体特性和影像特征，分析涠洲岛和莫洛凯岛的遥感反演水深物理过程及其影响因素，利用多个光谱波段的遥感数据，捕捉水体在不同波长下的光谱响应，构建蓝绿多波段水深反演模型，利用大量训练样本点进行训练，通过最小梯度下降法，获得最优参数，反演涠洲岛和莫洛凯岛水深。
(2) 项目特色
本项目的特色在于充分考虑了遥感反演水深的物理原理、漓江和灵渠的水体和卫星影像实际情况，对比分析单波段、对数比值、比值对数模型以及太阳光强度、水面耀斑、水体透明度、水底底质和传感器等影响因素的数学特性，研究适合漓江和灵渠的蓝色多波段水深反演模型。
(1) 研究技术路线
前期调研→收集资料→项目课题论证→课题纲要→课题计划→数据收集和预处理→原理分析→构建模型→实验和结果分析→总结分析→形成报告→推广应用。
(2) 拟解决的问题
本项目拟解决的问题是对比分析单波段、对数比值、比值对数模型以及太阳光强度、水面耀斑、水体透明度、水底底质和传感器等影响因素与水深的数学特性，研究适合漓江和灵渠的蓝色多波段水深反演模型。
(3) 预期成果
1)研究报告1份；
2)实用新型发明专利1份；
3)高校问卷调查报告1份。
时间 研究内容
2024.3-2024.4 查找文献资料，确定项目主题、研究方向，项目申请
2024.5-2024.6 进一步搜集文献，制定研究方案
2024.7-2024.9 数据收集和预处理，漓江和灵渠遥感反演水深原理分析，构建蓝色多波段水深反演模型，
2024.10-2025.2 开展漓江和灵渠遥感蓝色波段水深反演实验和结果分析
2025.3-2025.4 总结阶段，对研究进行总结，撰写结题报告，开展结题申请工作
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目指导老师徐嘉盛是一直从事卫星遥感反演水深研究，主持遥感反演水深相关的厅级项目1个，参与广西创新驱动发展专项2个，广西科技基地与人才专项2个，发表相关二区以上SCI论文8篇，EI论文3篇，中文核心论文1篇，授权发明专利6件，授权实用新型专利3件，获得教育部科技进步二等奖1项，第48届日内瓦国际发明展银奖1项、第49届日内瓦国际发明展金银奖各1项。
项目学生参与都是遥感专业的学生，系统学习过高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、遥感原理与应用、ENVI软件、IDL编程，具有良好的研究基础，课题组所在学院拥有相应的配套软件，能够保证该项目顺利开展和结题。

2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
（1）已具备条件
课题组成员具有系统的遥感原理与应用基础，参与过遥感地物分类、解译工作，出色的完成光学遥感实习实践。另外，成员认真学习遥感相关课程，分别获得校级一等奖、二等奖等奖项。团队指导老师是学校从事水深反演专业老师，具有丰富的研究经验、成果和奖励。
（2）尚缺少条件
本项目的指导专家团队人数较少，关于遥感反演水深过程中电磁辐射传输相关理论研究难度大。
（3）解决方法
积极寻求学校周国清教授等国家级人才的支持，成立本项目的指导专家团队，攻克遥感反演水深过程中电磁辐射传输相关理论研究，指导蓝色多波段水深反演模型构建，提升的项目研究效果和水平。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 5100.00 4900.00
1. 业务费 9000.00 无 4500.00 4500.00
（1）计算、分析、测试费 3000.00 使用模型进行演算 1500.00 1500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 2000.00 无 1000.00 1000.00
（4）文献检索费 1000.00 购买数据文献 500.00 500.00
（5）论文出版费 3000.00 版面费 1500.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 1000.00 无 600.00 400.00
结束

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