一种红外遥感的水温反演系统及方法

1.本发明涉及一种水温反演系统及方法，属于卫星遥感影像应用技术领域。


背景技术：

2.河流水温是河流生态系统中的重要参数，控制着大量物理、化学和生物过程，例如：水生生物的迁徙和营养物质的循环等。长期观测河流水温对于监管河流热动态和维护河流生态系统的健康起着至关重要的作用。同时，分析长时间下水温变化趋势也有利于探知全球变暖和人类活动对河流水温的影响。目前，传统水温观测手段主要为利用温度测量仪器实地探测测站附近的河流水温。然而由于水文测站分布较稀疏，大部分河段缺乏实测水温资料。对于这些无测站地区，获取满足研究需求的水温数据往往需要花费大量人力物力建设水文观测站网并周期性地开展现场工作，常理上难以实现。
3.相较于传统观测手段，利用热红外遥感技术可以获取空间上连续的水温数据。近20年来，随着卫星热红外传感器在空间分辨率和辐射探测精度等技术方面上的不断进步，热红外遥感影像不再单单用于反演海洋、湖泊等大型水体水温，而逐步被应用于河流、河道型水库等中小尺度水体。可以通过基于遥感影像可以快速获得河流水温的反演值。


技术实现要素：

4.本发明为解决传统水温观测手段难以对无测站地区的水文数据进行监测的问题，进而提出一种红外遥感的水温反演系统及方法。
5.本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明一种红外遥感的水温反演系统包括太阳能模块、采集模块、河流水温反演模块和显示模块；采集模块的信号输入端与卫星的通信信号输出端连接，采集模块和显示模块的电流输入端均与太阳能模块的电流输出端连接，采集模块的信号输出端与河流水温反演模块的信号接收端连接，河流水温反演模块的信号输出端与显示模块的信号接收端连接。
6.进一步的，所述采集模块是基于遥感影像的采集模块，它包括遥感图像去燥模块，对遥感图像进行去燥处理；遥感图像校正模块，对遥感图像进行非均匀校正处理；遥感图像增强模块，细节增强处理，不仅提高图像整体质量，同时图像对比度增大，增强了目标区域的河流图像特征；遥感图像的特征与提取模块，实现对遥感图像中有用部分的特征提取与识别，将处理好的图像通过hdmi接口输出到显示器上显示，供操作者判别。
7.本发明所述一种红外遥感的水温反演方法是通过一种红外遥感的水温反演系统实现的，所述系统包括太阳能模块、采集模块、河流水温反演模块和显示模块；采集模块的信号输入端与卫星的通信信号输出端连接，采集模块和显示模块的电流输入端均与太阳能模块的电流输出端连接，采集模块的信号输出端与河流水温反演模块的信号接收端连接，河流水温反演模块的信号输出端与显示模块的信号接收端连接；所述一种红外遥感的水温反演方法的具体步骤如下：
8.步骤一、将太阳能供电模块与红外遥感影像模块相连接，太阳能模块对红外遥感
影像模块进行供电；
9.步骤二、红外遥感影像模块从卫星上接受到当前目标河流区域的遥感数据集，该数据集中包括所述目标河流区域内每个监测点对应的遥感数据子集；
10.步骤三、将采集到的遥感数据传输到河流水温反演模块当中，河流水温反演模块中有训练好的河流水温的反演模型，通过该模块可以得到目前河流区域的水温反演值；
11.步骤四、将水温反演值上传到反演系统中的显示模块，可以将反演出的水温值与水文站提供的实际数据做对比，观察水温的变化情况。
12.进一步的，步骤二中对采集到的遥感影像进行数据处理，获得到的多光谱遥感影像数据，遥感数据传输到河流水温反演模块当中，河流水温反演模块中有训练好的河流水温的反演模型，通过该模块可以得到目前河流区域的水温反演值。
13.步骤三中水温反演模型的建立过程为：
14.步骤1、数据收集：首先需要收集一定数量的水温、气温、风速、日照时数等环境因素的历史记录数据；这些数据具有足够的覆盖面和代表性，以反映出不同季节、不同天气条件下水温的变化规律；
15.步骤2、特征提取：在收集到的数据中，对每个环境变量进行特征提取，使其能够反映其对水温的影响；
16.步骤3、模型选择：在完成特征提取后，根据问题的实际情况选择合适的模型进行建立，采用水温反演模型包为多元线性回归模型；
17.步骤4、模型训练：在选择好建模方法后，将数据集分为训练集和测试集；训练集用于构建模型，测试集则用于验证模型的预测效果；在训练过程中，将收集到的数据分为多个样本，在模型中逐步调整参数，不断优化模型的拟合效果和泛化能力；
18.步骤5、模型应用：在完成模型的训练和验证后，利用这个模型来预测水温；对于新的样本数据，将其输入到模型中，即可得到预测结果；水温反演模型的建立过程需要根据具体情况进行调整和改进，以获得更准确、更可靠的预测结果。
19.本发明的有益效果是：本发明通过基于遥感影像的图像数据可以反演出目标河流区域的水温值。通过获得的多光谱遥感数据提取出目标河流区域的具体参数，经过分析获得到的参数值输入到河流水温反演模型中，完成对河流水温的反演。克服了传统测量方法中的局限性问题，采用该系统时效性好且测量精度高。
附图说明
20.图1是所述水温反演方法的流程框图；
21.图2是所述水温反演系统的结构框图。
具体实施方式
22.具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种红外遥感的水温反演系统包括太阳能模块、采集模块、河流水温反演模块和显示模块；采集模块的信号输入端与卫星的通信信号输出端连接，采集模块和显示模块的电流输入端均与太阳能模块的电流输出端连接，采集模块的信号输出端与河流水温反演模块的信号接收端连接，河流水温反演模块的信号输出端与显示模块的信号接收端连接。
23.河流水温反演模块中有训练好的河流水温的反演模型，通过该模块可以得到目前河流区域的水温反演值。
24.卫星所提供的原始热红外数据为0～255的亮度值，并不能直接反映辐射强度，所以，首先需将原始数据通过辐射定标转化为传感器在大气顶端所探测到的光谱辐射亮度，公式为：
25.l
sensor
＝gain
·
dn+bias
ꢀꢀꢀ
(1)，
26.公式(1)中，l
sensor
为卫星传感器在大气顶端接收到的热红外光谱辐射亮度/辐射值；dn为原始热红外数据中的亮度值；gain和bias为定标参数；
27.通常来说，卫星传感器在大气顶端探测到的辐射主要由3部分组成：水体热辐射、大气上行辐射以及经由地面反射的大气下行辐射。如果将大气视为一个整体，大气对水体辐射的影响主要取决于3个大气校正参数：大气透过率、大气总下行辐射和大气总上行辐射，公式为：
28.l
sensor
＝[ε
·
b+(1-ε)l
down
]τ+l
up
ꢀꢀꢀ
(2)，
[0029]
公式(2)中，ε为地表/水体比辐射率，b为与水体同温的黑体辐亮度；l
down
为大气下行辐射强度；l
up
为大气上行辐射强度；τ为大气透过率。
[0030]
使用变形后的普朗克公式得到水体温度：
[0031][0032]
公式(3)中，t为河流水温，k1、k2为普朗克公式等效常数，与传感器热红外波段的有效波长相关。
[0033]
显示模块，将水温反演值上传到hdmi接口输出到显示器上显示，供操作者判别。
[0034]
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种红外遥感的水温反演系统的所述采集模块是基于遥感影像的采集模块，它包括遥感图像去燥模块，对遥感图像进行去燥处理；遥感图像校正模块，对遥感图像进行非均匀校正处理；遥感图像增强模块，细节增强处理，不仅提高图像整体质量，同时图像对比度增大，增强了目标区域的河流图像特征；遥感图像的特征与提取模块，实现对遥感图像中有用部分的特征提取与识别，将处理好的图像通过hdmi接口输出到显示器上显示，供操作者判别。
[0035]
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种红外遥感的水温反演方法是通过一种红外遥感的水温反演系统实现的，所述系统包括太阳能模块、采集模块、河流水温反演模块和显示模块；采集模块的信号输入端与卫星的通信信号输出端连接，采集模块和显示模块的电流输入端均与太阳能模块的电流输出端连接，采集模块的信号输出端与河流水温反演模块的信号接收端连接，河流水温反演模块的信号输出端与显示模块的信号接收端连接；所述一种红外遥感的水温反演方法的具体步骤如下：
[0036]
步骤一、将太阳能供电模块与红外遥感影像模块相连接，太阳能模块对红外遥感影像模块进行供电；
[0037]
步骤二、红外遥感影像模块从卫星上接受到当前目标河流区域的遥感数据集，该数据集中包括所述目标河流区域内每个监测点对应的遥感数据子集；
[0038]
步骤三、将采集到的遥感数据传输到河流水温反演模块当中，河流水温反演模块
中有训练好的河流水温的反演模型，通过该模块可以得到目前河流区域的水温反演值；
[0039]
步骤四、将水温反演值上传到反演系统中的显示模块，可以将反演出的水温值与水文站提供的实际数据做对比，观察水温的变化情况。
[0040]
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种红外遥感的水温反演方法的步骤二中对采集到的遥感影像进行数据处理，获得到的多光谱遥感影像数据，遥感数据传输到河流水温反演模块当中，河流水温反演模块中有训练好的河流水温的反演模型，通过该模块可以得到目前河流区域的水温反演值。
[0041]
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种红外遥感的水温反演方法的步骤三中水温反演模型的建立过程为：
[0042]
步骤1、数据收集：首先需要收集一定数量的水温、气温、风速、日照时数等环境因素的历史记录数据；这些数据具有足够的覆盖面和代表性，以反映出不同季节、不同天气条件下水温的变化规律；
[0043]
步骤2、特征提取：在收集到的数据中，对每个环境变量进行特征提取，使其能够反映其对水温的影响；
[0044]
步骤3、模型选择：在完成特征提取后，根据问题的实际情况选择合适的模型进行建立，采用水温反演模型包为多元线性回归模型；
[0045]
步骤4、模型训练：在选择好建模方法后，将数据集分为训练集和测试集；训练集用于构建模型，测试集则用于验证模型的预测效果；在训练过程中，将收集到的数据分为多个样本，在模型中逐步调整参数，不断优化模型的拟合效果和泛化能力；
[0046]
步骤5、模型应用：在完成模型的训练和验证后，利用这个模型来预测水温；对于新的样本数据，将其输入到模型中，即可得到预测结果；水温反演模型的建立过程需要根据具体情况进行调整和改进，以获得更准确、更可靠的预测结果。
[0047]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种红外遥感的水温反演系统，其特征在于：所述一种红外遥感的水温反演系统包括太阳能模块、采集模块、河流水温反演模块和显示模块；采集模块的信号输入端与卫星的通信信号输出端连接，采集模块和显示模块的电流输入端均与太阳能模块的电流输出端连接，采集模块的信号输出端与河流水温反演模块的信号接收端连接，河流水温反演模块的信号输出端与显示模块的信号接收端连接。2.根据权利要求1所述的一种红外遥感的水温反演系统，其特征在于：所述采集模块是基于遥感影像的采集模块，它包括遥感图像去燥模块，对遥感图像进行去燥处理；遥感图像校正模块，对遥感图像进行非均匀校正处理；遥感图像增强模块，细节增强处理，不仅提高图像整体质量，同时图像对比度增大，增强了目标区域的河流图像特征；遥感图像的特征与提取模块，实现对遥感图像中有用部分的特征提取与识别，将处理好的图像通过hdmi接口输出到显示器上显示，供操作者判别。3.一种红外遥感的水温反演方法，其特征在于：所述一种红外遥感的水温反演方法是通过一种红外遥感的水温反演系统实现的，所述系统包括太阳能模块、采集模块、河流水温反演模块和显示模块；采集模块的信号输入端与卫星的通信信号输出端连接，采集模块和显示模块的电流输入端均与太阳能模块的电流输出端连接，采集模块的信号输出端与河流水温反演模块的信号接收端连接，河流水温反演模块的信号输出端与显示模块的信号接收端连接；所述一种红外遥感的水温反演方法的具体步骤如下：步骤一、将太阳能供电模块与红外遥感影像模块相连接，太阳能模块对红外遥感影像模块进行供电；步骤二、红外遥感影像模块从卫星上接受到当前目标河流区域的遥感数据集，该数据集中包括所述目标河流区域内每个监测点对应的遥感数据子集；步骤三、将采集到的遥感数据传输到河流水温反演模块当中，河流水温反演模块中有训练好的河流水温的反演模型，通过该模块可以得到目前河流区域的水温反演值；步骤四、将水温反演值上传到反演系统中的显示模块，可以将反演出的水温值与水文站提供的实际数据做对比，观察水温的变化情况。4.根据权利要求3所述的一种红外遥感的水温反演方法，其特征在于：步骤二中对采集到的遥感影像进行数据处理，获得到的多光谱遥感影像数据，遥感数据传输到河流水温反演模块当中，河流水温反演模块中有训练好的河流水温的反演模型，通过该模块可以得到目前河流区域的水温反演值。5.根据权利要求3所述的一种红外遥感的水温反演方法，其特征在于：步骤三中水温反演模型的建立过程为：步骤1、数据收集：首先需要收集一定数量的水温、气温、风速、日照时数等环境因素的历史记录数据；这些数据具有足够的覆盖面和代表性，以反映出不同季节、不同天气条件下水温的变化规律；步骤2、特征提取：在收集到的数据中，对每个环境变量进行特征提取，使其能够反映其对水温的影响；步骤3、模型选择：在完成特征提取后，根据问题的实际情况选择合适的模型进行建立，采用水温反演模型包为多元线性回归模型；步骤4、模型训练：在选择好建模方法后，将数据集分为训练集和测试集；训练集用于构
建模型，测试集则用于验证模型的预测效果；在训练过程中，将收集到的数据分为多个样本，在模型中逐步调整参数，不断优化模型的拟合效果和泛化能力；步骤5、模型应用：在完成模型的训练和验证后，利用这个模型来预测水温；对于新的样本数据，将其输入到模型中，即可得到预测结果；水温反演模型的建立过程需要根据具体情况进行调整和改进，以获得更准确、更可靠的预测结果。

技术总结
一种红外遥感的水温反演系统及方法，它涉及一种水温反演系统及方法。本发明为了解决传统水温观测手段难以对无测站地区的水文数据进行监测的问题。本发明包括太阳能模块、采集模块、河流水温反演模块和显示模块；采集模块的信号输入端与卫星的通信信号输出端连接，采集模块和显示模块的电流输入端均与太阳能模块的电流输出端连接，采集模块的信号输出端与河流水温反演模块的信号接收端连接，河流水温反演模块的信号输出端与显示模块的信号接收端连接。本发明属于卫星遥感影像应用技术领域。域。域。


技术研发人员：戴景民 王旭楠
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/7