基于HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的曹妃甸龍島面積計算

龍 強，王 鋒，孟艷靜

（1．唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015）

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感已經(jīng)成為大面積作物統(tǒng)計[1]、地域利用[2]、氣象監(jiān)測[3]等信息提取的有力工具。中等分辨率的MODIS等資料難以滿足較小區(qū)域精細化分類的要求。HJ-1 CCD數(shù)據(jù)分辨率為30 m，2 d過境一次，滿足了一些領(lǐng)域研究和應(yīng)用的需求[4-6]。為探求曹妃甸龍島在潮汐條件下陸地面積的最大、最小值，本文利用HJ-1 CCD數(shù)據(jù)進行了遙感調(diào)查，以期用低成本為其開發(fā)、建設(shè)提供客觀、及時、科學的信息。

1 資料和方法

1.1 龍島概況

曹妃甸龍島位于東經(jīng) 118°41'～118°45'、北緯 39°00'～39°43'之間，距曹妃甸工業(yè)區(qū)東邊界3海里，居唐山灣三島和曹妃甸之間，地勢平坦，沙灘因海浪、潮汐作用時寬時窄，優(yōu)越的地理位置和自然條件使其具有廣闊的開發(fā)前景。該島呈數(shù)字“7”狀，西南-東北走向，為古灤河入海沖積而成。

1.2 資料選取及其處理

1.2.1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的選取

龍島面積不大，對衛(wèi)星資料的分辨率有較高的要求。環(huán)境一號衛(wèi)星（簡稱HJ-1衛(wèi)星）目前包括A星和B星，軌道高度為650 km，CCD相機每4 d對全球覆蓋一次，波譜范圍覆蓋藍光（0.43～0.52 μm）、綠光（0.52～0.60 μm）、紅光（0.63～0.69 μm）和近紅外（0.76～0.90 μm），星下點分辨率為30 m，可滿足要求。衛(wèi)星的觀測原理決定了其會受大氣影響，特別是多云天氣形勢，其對地表輻射的阻礙以及自身輻射的干擾都須加考慮，故選取圖像質(zhì)量≥8的圖像進行處理。

根據(jù)潮汐形成原理，一般在每月的農(nóng)歷初一以及十五、十六的潮汐為大潮，農(nóng)歷初七、初八或二十二、二十三為小潮。實際上，大、小潮時間并無此嚴格規(guī)律，一般會延后一段時間，是海水在流動過程中受到本身粘滯性和海底地形因素的影響造成的。表1列出的潮汐信息出自國家海洋局發(fā)布的潮汐表，因其存在一定的誤差以及大、小潮時間的不確定，故在此對大、小潮時間各選取4個時刻，通過對比得到較為準確的結(jié)果。

表1 HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)選取表

1.2.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理

1）圖像的合成與裁剪。HJ-1衛(wèi)星CCD影像共4個波段，用ENVI 4.5軟件的合成工具即可得到所需要的彩色圖像。曹妃甸龍島因其面積相對不大，且恰好處于一景內(nèi)，故無需鑲嵌處理。為了分析方便并減少不確定點對結(jié)果的影響，需對影像進行裁剪。

2）分類與修正。曹妃甸龍島處于開發(fā)階段，地形種類較為簡單，在監(jiān)督分類中分為陸地、淺灘、海浪、海水、海霧等5類。監(jiān)督分類可能存在一定量的偏差，可對照影像圖，采用人工剔除修正。

1.2.3 地面觀測數(shù)據(jù)

地面觀測數(shù)據(jù)包括對曹妃甸龍島的地面測繪數(shù)據(jù)以及歷史資料。

1.3 龍島面積計算

龍島面積即投影圖像中監(jiān)測區(qū)域內(nèi)被判識為陸地、淺灘（理論上大潮時不存在）所有單個像素面積的總和，本文圖像投影為經(jīng)緯度投影，先求出單個像元面積?S，即

式中，Lp為緯度方向的距離；Ll為經(jīng)度方向的距離。經(jīng)過分類統(tǒng)計可得到陸地、淺灘的像元總數(shù)n，于是龍島面積S為：

式中，i為像元的序號。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)督分類可分離性檢驗

以2012-09-30的衛(wèi)星資料為例進行監(jiān)督分類，并做可分離性檢驗。理想情況下，大潮時沒有淺灘存在，觀察該天的衛(wèi)星影像圖發(fā)現(xiàn)淺灘區(qū)域較小，且其顏色與海霧十分接近，如圖1所示?？煞蛛x性檢驗結(jié)果為：海霧 [Yellow]2 872 points and 淺灘 [Cyan]1 338 points- 0.442 771 13（該值小于1即要合并），可將二者合并為一類。此外，圖1影像中紅色箭頭所指的西北-東南方向部分為人工堤壩，在計算時不計其面積，光譜分析可知其與海浪十分相近，故將其歸類為海浪，并作適當?shù)娜藶樾拚?/p>

2012-09-30衛(wèi)星影像可分離性檢驗結(jié)果如下（Jeffries-Matusita, Transformed Divergence參數(shù)最小值）：①海浪 [Blue]269 points and 陸地 [Red]927 points- 1.973 733 08；②海霧 [Yellow]2 995 points and 陸地 [Red]927 points - 1.998 554 00；③海霧 [Yellow]2 995 points and 海水 [Cyan]616 points - 1.999 929 07 ；④陸地 [Red]927 points and 海水 [Cyan]616 points -1.999 989 06；⑤海浪 [Blue]269 points and 海霧 [Yellow]2 995 points-2.000 000 00；⑥海浪 [Blue]269 points and海水 [Cyan]616 points - 2.000 000 00。

按照標準，Jeffries-Matusita, Transformed Divergence參數(shù)大于1.9表示分離性較好，越接近2越理想，可見該分離是比較理想的。

2.2 遙感面積估算

按照表1所列數(shù)據(jù)計算潮汐條件下的龍島面積，以期求得龍島在大潮時的最小面積和小潮時的最大面積。

1）大潮時龍島面積。按照表1的大潮時衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行分類、分析統(tǒng)計，可得龍島在漲潮時的最小面積。表2是在接近大潮時計算所得到的龍島面積。由表2可知，龍島在大潮條件下的陸地面積為2.790 9 km2（幾個時相對應(yīng)面積的最小值）。

表2 大潮時龍島的陸地面積表

2）小潮時龍島面積。由表3可知，龍島在小潮條件下的陸地面積為7.688 7 km2（幾個時相對應(yīng)面積的最大值）。

表3 小潮時龍島的陸地面積表

2.3 與實際測繪面積的對比

將相關(guān)部門提供的地面測繪結(jié)果與遙感估算值對比分析表明，地面測繪的大潮龍島面積比遙感估計值小，統(tǒng)計誤差百分率為7.43%；小潮時龍島的地面測繪面積也比遙感面積小，統(tǒng)計誤差百分率為11.64%?？梢?，衛(wèi)星遙感對龍島的監(jiān)測在大潮條件下精度較高，在小潮時因海霧與露出水面海灘的光譜相近，難以精確分離，造成誤差較大。

3 結(jié) 語

本文利用多時相HJ-1 CCD數(shù)據(jù)，以孤立龍島不同區(qū)域光譜特征的差異，經(jīng)過監(jiān)督分類，提取了龍島在大潮、小潮條件下的陸地面積。經(jīng)驗證，大潮條件下遙感監(jiān)測精度較高，小潮條件下誤差較大，總體結(jié)果較為理想。

本文所采用方法的不足為：①數(shù)據(jù)獲取難度較大。雖然曹妃甸龍島地處華北，進入秋冬季，衛(wèi)星數(shù)據(jù)受云量影響很小，但因為加入了潮汐時間（大小潮特點）以及衛(wèi)星定時掃過該區(qū)域的時間限制，導致理想的數(shù)據(jù)難以獲??；②監(jiān)督分類在區(qū)分海霧與露出水面淺灘方面優(yōu)勢不明顯，這也是直接導致小潮條件下誤差較大的原因之一；③HJ-1 CCD數(shù)據(jù)本身缺陷也帶來了一定的誤差，其只有4個通道，光譜分辨率較低，也會導致異物同譜[7]。龍島地域簡單，可以通過手動區(qū)分、剔除，但如果應(yīng)用于復雜地區(qū)，則會帶來比較大的誤差。

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