1、 ICS 13.020.01CCS Z 10團體標準T/CSES 162020 城市水體水色遙感分級技術指南Technical guidelines for water color classification using remote sensing for urban water 2020-12- 29發布2020-12-29實施 T/CSES 162020目次前言 . II引言 . III12345范圍 . 1規范性引用文件 . 1術語和定義 . 1遙感分級技術流程 . 2質量控制 . 7附錄A（資料性）高分2號PMS傳感器參數. 9附錄B（資料性）城市水體水色遙感分級空間分布專題圖.

2、10I T/CSES 162020前言本文件按照GB/T 1.12020標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則的規定起草。II T/CSES 162020引言為貫徹中華人民共和國環境保護法和中華人民共和國水污染防治法（2008修訂），規范和指導城市建成區水體監管工作，為城市水環境管理提供新的技術手段，制定本文件。城市水體是城市生態系統中的重要組成部分，隨著城市化進程的不斷推進，人口的急劇增加以及工業的迅速發展，城市流域產生的污染負荷逐漸增加，造成水體水質下降。水色作為水體水質的直觀體現，水體組分的差異會令城市水體表現出不同水色，這一定程度上會削弱水體相應的景觀功能，甚至居民的生活也

3、會受到影響。本文件采用國際標準色度轉換模型，從水色這一水體光學特征的角度出發，參考最新的FUI指數量化水體顏色并與高空間分辨率的遙感數據相結合，以期為城市水體的監管提供參考資料和技術支持。III T/CSES 162020城市水體水色遙感分級技術指南12范圍本文件規定了利用遙感技術進行城市水體分級的技術流程和質量控制。本文件適用于我國城市水體的遙感監測、分級與管理。規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T 149502009GJB

4、 27001996攝影測量與遙感術語衛星遙感器術語3術語和定義GJB 27001996和GB/T 149502009界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1像元 pixela.包含空間和光譜兩個變量的遙感圖像數據單元。其中，空間變量確定了分辨單元的視在尺寸，光譜變量確定了這個分辨單元在具體信道中的光譜響應的強度；b.數字圖像中由每個數字值代表的地面面積單元。該數字代表按要求的取樣間隔對遙感探測器輸出的模擬信號的取樣。來源：GJB 27001996，3.1.1.83.2空間分辨率 spatial resolutiona.遙感系統能區分的兩個鄰近目標之間的最小角度間隔或線性間隔；b.微波遙感器

5、的天線主波束寬度所覆蓋的地域大小。來源：GJB 27001996，3.1.3.23.33.4幾何校正 geometric correction為消除影像的幾何畸變而進行投影變換和不同波段影像的套合等校正工作。來源：GB/T 149502009，5.1901 T/CSES 162020FUI水色指數 Forel-Ule water color index通過遙感影像的反射率計算得到的評價水體水色等級的指數，用于表征水體的水色信息。注：適用于海洋或大型湖庫水體。3.53.6U-FUI水色指數 urban Forel-Ule water color index通過遙感影像的反射率計算得到的評價水體水

6、色等級的指數，用于表征水體的水色信息。注：適用于城市水體。CIE-三刺激值XYZ international commission on illumination-tristimulus value XYZ由 CIE-RGB光譜三刺激值經過數學變換得到的以實現顏色的量化表示的三個參數。注：本文件采用的CIE版本是CIE-1931。3.73.8色度角 chroma angle經 CIE-三刺激值 XYZ經數學運算，得到在 CIE色度圖中以等能白光點為原點的表征顏色的角度。城市水體 urban water位于城市范圍內與城市在景觀、建筑藝術、生態環境等方面充分融合的水域，包括流經城市的河段、城鄉結

7、合部的河流及溝渠、城市建成區（或規劃區）范圍內的河流溝渠、湖泊和其他景觀水體。4遙感分級技術流程4.1技術流程圖遙感分級技術流程包括遙感數據源的選取與預處理、基于U-FUI水色指數的城市水體遙感分級以及成果出圖三個步驟，具體流程見圖1。2 T/CSES 162020圖1技術流程圖4.2遙感數據源的選取與預處理概述4.2.1隨著遙感技術的不斷發展，遙感影像的空間分辨率也不斷提高，高空間分辨率的遙感影像能夠為城市水質的評價提供新的數據來源。區別于傳統的人工地面采樣測量方法，遙感技術具有大面積同步觀測、多時相、獲取數據具有綜合性和對比性以及一定的經濟效益等優勢，可以滿足大規模、大尺度和長時間序列水質

8、狀況的監測需要。本文件以高分2號遙感影像為例，介紹基于遙感技術的城市水體分級遙感評估（有關高分2號的具體參數見附錄A）。4.2.2遙感數據源的選取由于城市河道水體河寬大多較窄，傳統用于大型湖泊水體遙感監測的衛星傳感器，如MERIS（空間分辨率300 m）、MODIS（500 m）、Landsat8-OLI（30 m）等都無法捕捉較為細小的城市水體，因此在遙感數據源的選取上需要選取空間分辨率較高的傳感器，如高分2號PMS（4m）。推薦使用的PMS傳感器搭載于我國自主研制的高空間分辨率民用光學遙感衛星高分2號，其相關參數見附錄A。3 T/CSES 1620204.2.3預處理概述4.2.3.1利用

9、遙感影像對城市水體進行分級評估，需要對原始影像數據進行預處理，預處理主要包括四個步驟，分別是輻射定標、大氣校正、幾何校正以及水體提取。4.2.3.2輻射定標遙感衛星輻射定標利用絕對定標公式和官方公布的定標參數值進行計算得到，輻射定標按照公式（1）進行計算。影像的輻射定標是根據其輻射定標參數在ENVI軟件中完成。L() =Gain()DN()+Offset()（1）式中：L()波段的輻射亮度值，常用單位為W/(m msr)；2Gain()DN()波段的增益值；波段的像元灰度值；Offset()波段的偏移值。4.2.3.3大氣校正建議使用FLAASH（Fast line-of-sight atmo

10、spheric analysis of spectral hypercubes）大氣校正方法，FLAASH工具中大氣校正主要分3個步驟：首先從圖像中獲取大氣參數，包括能見度（氣溶膠光學厚度）、氣溶膠類型和大氣水汽含量。獲取大氣參數之后，通過求解大氣輻射傳輸方程來獲取反射率數據。為了消除糾正過程中存留的噪聲，需要利用圖像中光譜平滑的像元對整幅圖像進行光譜平滑運算。接著將相關參數如傳感器高度和影像的空間分辨率等輸入FLAASH工具中，并關閉水汽反演和氣溶膠反演按鈕。最后在設置中導入相應的光譜響應函數文件（sli文件），設置好保存路徑運行FLAASH工具即可。在使用FLAASH進行大氣校正時，需要將

11、輻射定標后的數據轉換為BIL存儲格式，并且需要使用高分2號衛星相應傳感器的波譜響應函數。4.2.3.4幾何校正采用選取地面控制點（ground control point，GCP）的方法對影像進行幾何校正。對照已校準的高空間分辨率影像均勻選取至少30個具有典型特征的地面控制點，對高分2號影像進行幾何校正，誤差需控制在1個像元內。4.2.3.5水體提取水體的自動化提取對象主要為湖泊或水庫水體，而在影像上自動化提取較為細小狹長的城市河道水體難度較高，易產生誤分。因此，準確的城市水體邊界建議通過半自動算法和人工目視解譯得到。4.3基于U-FUI水色指數的城市水體遙感分級4.3.1技術路線圖建議采用城

12、市型FUI水色指數（U-FUI），基于高空間分辨率的遙感影像，對城市水體進行水色定量分級。具體的技術路線見圖2。4 T/CSES 162020圖2基于U-FUI水色指數的城市水體遙感分級技術路線圖4.3.2城市水體的原位水色分級為科學描述水體顏色，需要結合室外實際調研情況將水體顏色標準化，在進行水體原位水色觀測時，參考基于國際標準色卡-勞爾色卡制作的色度分級表，從而有效地對城市水體實現水色分級。水體顏色分為3個顏色系，各顏色系中包含多個色度等級：淺灰色至灰黑色的灰色系、翠綠色至灰綠色的綠色系和淺黃色至灰黃色的黃色系，具體的色度分級表見圖3。圖3色度分級表4.3.3 U-FUI水色指數的計算4.

13、3.3.1概述5 T/CSES 162020利用國際照明委員會規定的一套標準的顏色系統CIE-XYZ顏色系統以實現顏色的量化表示。選擇三個理想的原色X、Y、Z以代替CIE-RGB系統中的三原色R、G、B。在該系統中，X、Z兩原色只代表色度，并不包含亮度的信息，光亮度只與三刺激值中的Y值成比例。計算流程分為4個主要步驟，具體內容如下。4.3.3.2 CIE-XYZ三刺激值計算將影像的 R，G，B三個波段的Rrs值作為色度系統的紅綠藍三原色，將其合成的真彩色圖像作為實際顏色，利用 CIE色度系統（CIE，1931）中的三原色 RGB與三刺激值 XYZ之間的轉換關系（見公式（2）計算得到 R，G，B

14、波段圖像對應的顏色三刺激值。X = 2.7689R+1.7517G+1.1302BY =1.0000R+ 4.5907G + 0.0601BZ = 0.0000R+0.0565G +5.5934B（2）利用 CIE系統的 R，G，B向 X，Y，Z三刺激值轉換公式來計算色度角 和 FUI指數。對于只有R，G，B三個波段的遙感圖像，在計算三刺激值 XYZ時， R，G，B波段系數見表1。表1基于RGB波段計算CIE-XYZ的波段線性求和系數i(nm)藍波段綠波段紅波段SUMxiyizi1.13020.06015.59341.75174.59070.05652.76895.655.655.6510注：

15、SUM為傳感器波段系數之和。4.3.3.3色度坐標計算將 X， Y， Z值代入公式（3）進行歸一化計算色度坐標 (x，y)。色度圖上二維坐標 x和 y是由三刺激值 XYZ計算得來的色度坐標，計算公式如下。（3）經4.3.3.2中利用高分影像的R、G、B三波段與表1中的線性求和系數計算出影像上各水體像元相應的CIE-三刺激值X、Y、Z，再按照公式（3）計算出色度坐標(x，y)。4.3.3.4色度角計算將經4.3.3.3中得到的色度坐標 (x，y)中x、y的值代入公式（4），計算得到色度角 的值。色度角按照公式（4）進行計算。6 T/CSES 162020=ARCTAN2(x-0.3333，y-0

16、.3333)（4）式中：ARCTAN2雙變量反正切函數，值域為(0，360)。4.3.3.5色度角的偏差校正為了消除由高分2號影像波段設置引起的色度角偏差，需要對色度角進行偏差校正，校正擬合按照公式（5）進行計算。= -41.6b +358.97b 1164b +1714.2b 1086b+ 237.06（5）5 4 3 2式中：bb = /100。將經4.3.3.4中計算得到的色度角值與4.3.3.5中偏差校正的值相加，得到校正后的色度角。最后，參考基于U-FUI水色指數的城市水體水色分級標準表（見表2），對比表中給出的建議閾值，進行城市水體水色的遙感分級。表2基于U-FUI水色指數的城市水

17、體水色分級標準表色度角和CIE-Y刺激值范圍水色等級U-FUIU-FUIU-FUIU-FUIU-FUIU-FUI主要表觀水色藍色、藍綠色淺綠色、綠色深綠色、黃綠色淺黃色、黃色黃棕色、灰黃色灰黑色0192且 CIE-Y0.000192204且 CIE-Y0.065204212且 CIE-Y0.065212222且 CIE-Y0.065222360且 CIE-Y0.0650360且 CIE-Y0.0654.4成果出圖選擇合適的遙感數據源并完成了影像預處理后，便可按照上述步驟計算得到影像中各城市水體相應的CIE-XYZ三刺激值及色度角的值，再參照表2中模型的劃分閾值，對影像中的城市水體進行分級，將得

18、到的代表不同U-FUI等級的水體像元導出為矢量文件（格式為shp文件格式），最后制成城市水體遙感分級專題圖（格式為jpg圖片格式，具體見附錄B）。專題圖中應包括以下要素：a)b)c)d)e)遙感影像底圖；各水體類別的矢量文件（不同U-FUI等級用不同顏色表示）；圖例；數據源、影像獲取時間與出圖單位；其他地圖要素指北針、比例尺。本文件給出了示范區揚州市的建成區范圍內的城市水體遙感分級專題圖供參考，見附錄B。5質量控制5.1衛星數據質量7 T/CSES 162020在進行遙感數據預處理前，應保證原始遙感影像的質量，避免有條帶的數據參與后續處理，導致評估結果誤差大。同時，避免覆蓋研究區域的云層所占比

19、例過多，無法得到有效監測評估結果。參考原則是遙感圖像云層覆蓋不超過15%的數據為有效數據。5.25.3幾何校正精度利用遙感數據前，保證幾何位置的配準，配準精度在1個像元內。大氣校正精度建議使用FLAASH方法進行大氣校正，用均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均絕對百分誤差（MeanAbsolutePercentageError，MAPE）兩個指標評價大氣校正精度，各指標按照公式（6）和公式（7）進行計算，并且保證校正后影像的反射率與同步實測點的MAPE達到30%，RMSE達到0.001sr-1。1n)2Pi Ai(RMSE=（6）（7）ni=1P AiMAPE= 1nn 100%iPi=1i式中：P