基于WorldView-2遙感影像反演淺海水深過(guò)程中太陽(yáng)耀斑的去除方法

李龍龍，劉建強(qiáng)，鄒斌（國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081）

基于WorldView-2遙感影像反演淺海水深過(guò)程中太陽(yáng)耀斑的去除方法

李龍龍，劉建強(qiáng)，鄒斌
（國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081）

摘要：基于Hedley等的方法對(duì)WorldView-2遙感影像反演島礁水深時(shí)的太陽(yáng)耀斑進(jìn)行去除，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中根據(jù)WorldView-2波段設(shè)置的特殊性做一定的改進(jìn)，將8波段分為兩組，其中藍(lán)、綠、紅波段依據(jù)近紅外1波段來(lái)去耀斑，海岸、黃、紅邊波段依據(jù)近紅外2波段來(lái)去耀斑，在具體應(yīng)用中完整實(shí)現(xiàn)該理論方法。結(jié)果表明，去耀斑后無(wú)論是對(duì)水深反演結(jié)果的精度上還是從影像直觀視覺(jué)上都有提高，該方法有利于WorldView-2影像處理中耀斑去除的常規(guī)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：WorldView-2；淺海島礁；水深反演；太陽(yáng)耀斑

1　引言

水表面狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響淺海地形的水深測(cè)量。在晴空條件以及水表面不平坦時(shí)，在水表面亮斑也就是太陽(yáng)耀斑的地方，入射輻射的鏡面反射就會(huì)掩蓋水底成分遙感反射的數(shù)據(jù)。在高空間分辨率的衛(wèi)星影像上，晴空條件下，淺水區(qū)域（當(dāng)風(fēng)吹起的時(shí)候形成波浪）的太陽(yáng)耀斑是非常嚴(yán)重的，要不然遙感在這種條件下會(huì)是最有效的。典型的是，在近海岸的迎風(fēng)面附近，沿著波浪的邊緣太陽(yáng)耀斑會(huì)形成白色條帶狀。這些白色條帶會(huì)影響海底特性的視覺(jué)識(shí)別，嚴(yán)重影響影像不同底質(zhì)的分類，尤其對(duì)于淺海地形水深的測(cè)量較大。

盡管太陽(yáng)耀斑存在區(qū)域記錄的亮度看起來(lái)幾乎完全是水表面鏡面反射的信號(hào)，假設(shè)傳感器仍舊沒(méi)有飽和，離水輻亮度部分可能能夠恢復(fù)。鑒于以前海洋水色中太陽(yáng)耀斑的去除方法都是應(yīng)用在低分辨率的像元尺寸上（>1 km）[1-2]。最近Hochberg等的一篇文章提供了一種新的，概念性簡(jiǎn)單的去耀斑方法。該方法適用于高空間分辨率（<10 m）并且有太陽(yáng)耀斑影響的底棲生物遙感。在Hochberg等人的理論中，利用近紅外光譜波段（NIR，~700-900 nm）的信息來(lái)將遙感信號(hào)中太陽(yáng)耀斑成分從可見(jiàn)光波段中去除[3]。因此，這個(gè)理論適用于包含NIR波段傳感器獲得的影像（例如像QuickBird衛(wèi)星）或者是相應(yīng)的多光譜和高光譜成像設(shè)備（例如機(jī)載傳感器CASI，Compact Airborne Spectrographic Imager）。調(diào)整影像像元來(lái)去除所記錄信號(hào)中太陽(yáng)耀斑的成分，因而只剩下海底反射信號(hào)經(jīng)水體輻射傳輸?shù)牟糠?。Hochberg等人演示了一個(gè)在淺水珊瑚礁環(huán)境且具有耀斑存在的影像上的實(shí)質(zhì)性的視覺(jué)改進(jìn)，基于7類棲息地分類的最大相似度影像分類的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明顯著增加了用戶精度。

盡管Hochberg等提供的理論方法對(duì)于遙感領(lǐng)域有很大的益處，但在他的幾種實(shí)現(xiàn)的方法上仍可以進(jìn)行改進(jìn)。Hochberg等提出的去耀斑的理論公式對(duì)離群異常值過(guò)度敏感，這對(duì)于該方法在影像分析的常規(guī)應(yīng)用中是一個(gè)障礙。另外，Hochberg等以一種嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方式來(lái)展現(xiàn)這種技術(shù)，這可能在實(shí)際操作中難以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)該理論方法。進(jìn)一步的說(shuō)，在他的實(shí)現(xiàn)方法中，在去耀斑之前要先將陸地和云區(qū)掩模掉，如果該掩模在后邊的影像處理中是不需要的，那么這是沒(méi)必要的時(shí)間浪費(fèi)。Hedley等提供一種改進(jìn)的去耀斑理論方法，該方法去除了對(duì)于離群異常值的敏感性，也不需要將陸地和云區(qū)掩模，并且增強(qiáng)了該技術(shù)的適用性[4]。本文基于Hedley等去耀斑的理論方法，應(yīng)用在基于WorldView-2遙感影像反演島礁水深中，描述了一個(gè)實(shí)用方法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，只需要一些簡(jiǎn)單的處理步驟。并且在WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)去耀斑過(guò)程中根據(jù)其波段設(shè)置的特殊性做一定的改進(jìn)，這些實(shí)用的改進(jìn)將會(huì)有利于WorldView-2影像處理中耀斑去除的常規(guī)化應(yīng)用。

2　原理

2.1Hochberg等去耀斑理論

Hochberg等的去耀斑理論方法建立在兩條簡(jiǎn)單的假設(shè)之上：（1）近紅外波段的亮度僅僅由太陽(yáng)耀斑和周圍環(huán)境影響的一個(gè)常量組成。特別是沒(méi)有因?yàn)楹５卓臻g環(huán)境的變化而對(duì)近紅外有影響；（2）在可見(jiàn)光波段太陽(yáng)耀斑的數(shù)量與近紅外波段的亮度值是呈線性關(guān)系的。

第一個(gè)假設(shè)的正確性是因?yàn)樗畬?duì)近紅外波段（700—1000 nm）來(lái)說(shuō)是不透明的[5]，所以不考慮地形的影響即使是淺水區(qū)域（depth<2 m）NIR僅有很少的離水輻亮度。雖然深水區(qū)近紅外波段最小的亮度值應(yīng)該是0，但是實(shí)際情況下近紅外波段的最小亮度值是大于0的。尤其是，如果影像沒(méi)有對(duì)這些“殘余的”或者“周圍環(huán)境帶來(lái)的”與大氣中近紅外波段后向散射有關(guān)的近紅外亮度進(jìn)行大氣糾正。在Hochberg等的有效模型中這個(gè)周圍環(huán)境影響的亮度值被從所有像元中去除。

第二個(gè)線性關(guān)系假設(shè)的正確性是因?yàn)榻t外波段和可見(jiàn)光波段的折射率的實(shí)部（決定反射）幾乎是相等的[5]。因此，水表面反射的光中NIR的數(shù)量和可見(jiàn)光波段的數(shù)量是呈線性關(guān)系的。建立近紅外波段亮度與太陽(yáng)耀斑中每一個(gè)可見(jiàn)光波段的線性關(guān)系來(lái)進(jìn)行耀斑的去除。結(jié)合每個(gè)影像像元的NIR亮度信息來(lái)確定每個(gè)像元中每個(gè)可見(jiàn)光波段要去除多少耀斑亮度。

Hochberg等指出該理論的不足之處就是為了建立近紅外亮度和可見(jiàn)光波長(zhǎng)的耀斑之間的線性關(guān)系，僅僅用了兩個(gè)像元[3]。這兩個(gè)像元是整幅影像（或者是某個(gè)子集）中“最亮和最暗”的兩個(gè)近紅外像元。這兩個(gè)像元用來(lái)建立可見(jiàn)光波段太陽(yáng)耀斑的光譜形狀特征。這隱含的假設(shè)是如果太陽(yáng)耀斑不存在，這兩個(gè)參考像元將會(huì)有相同的光譜特征。正是這個(gè)原因，在分析之前將陸地和云掩模掉是必要的，否則最亮的NIR像元有很大的可能會(huì)是陸地或者云像元，因而也是無(wú)效的。然而，對(duì)于一副大的影像（>106個(gè)像元）進(jìn)行嚴(yán)格的掩模是非常耗費(fèi)時(shí)間且困難的。Hochberg等建議采用影像的一個(gè)子集，最好是相同深度且底質(zhì)均一，以改善兩個(gè)像元之間的矛盾而帶來(lái)的可能誤差[3]。然而這并沒(méi)有解決主要的弱點(diǎn)——這就是僅僅依靠?jī)蓚€(gè)像元。海表面一個(gè)小的單獨(dú)的物體（例如浮標(biāo)或者船舶）或者掩模時(shí)一個(gè)小的失誤都會(huì)占據(jù)一個(gè)像元并且有可能就會(huì)是影像上近紅外波段最亮的像元。一般的，確定一個(gè)亮度最大的像元存在一定的問(wèn)題并且會(huì)帶來(lái)重大的錯(cuò)誤損壞該理論方法的有效性。

2.2Hedley等改進(jìn)的理論

為了改進(jìn)依據(jù)整幅影像上孤立的兩個(gè)點(diǎn)來(lái)去耀斑的不足，Hedley等在影像上選取樣本區(qū)內(nèi)的點(diǎn)利用線性回歸來(lái)建立近紅外和可見(jiàn)光波段之間的線性關(guān)系[4]。根據(jù)Hochberg等的建議，選擇一個(gè)或者更多的太陽(yáng)耀斑明顯的區(qū)域，該區(qū)域的水底光譜亮度應(yīng)該是一致的（深水區(qū)域是非常理想的）。對(duì)于每一個(gè)可見(jiàn)光波段選擇的所有像元都包含在線性回歸中，在該線性回歸中近紅外的亮度為X軸，可見(jiàn)光的亮度為Y軸。如果對(duì)于波段i線性回歸的斜率為bi，那么影像上所有的像元就可以通過(guò)以下方程來(lái)去除波段i的耀斑：

式中，R′i是波段i糾正太陽(yáng)耀斑后的亮度，MinNIR本質(zhì)上代表沒(méi)有太陽(yáng)耀斑的像元亮度，可以通過(guò)回歸的樣本點(diǎn)中最小的NIR值進(jìn)行估計(jì)或者直接用整幅影像中最小的近紅外像元值來(lái)代替。一般的，與最大近紅外像元值相比，最小的近紅外像元值不容易是有問(wèn)題的異常像元值。由于改進(jìn)的理論是依賴選擇的樣本區(qū)像元，所以沒(méi)有必要將裸露的地面或者云像元在去耀斑之前掩模掉。謹(jǐn)慎確保樣本區(qū)像元不包含任何裸露在水面之上的物體，但是回歸將會(huì)減輕孤立無(wú)效的像元帶來(lái)的影響。然而，去耀斑之后，水面之上的區(qū)域?qū)⒉皇怯行У臄?shù)據(jù)，因?yàn)樵撍惴ㄖ粚?duì)水面下的像元有效。需要說(shuō)明的一點(diǎn)，該理論方法的操作只是計(jì)算數(shù)值的相對(duì)大小，像元值的絕對(duì)單位不重要（圖1中不再標(biāo)注單位）。因此，沒(méi)有必要將像元值轉(zhuǎn)換到輻亮度并且可以在原始影像的DN值上進(jìn)行去耀斑。然而必須確保數(shù)學(xué)運(yùn)算在浮點(diǎn)型下進(jìn)行以保證正確的處理分?jǐn)?shù)值以及可能的負(fù)數(shù)。

最小的樣本大小需要兩個(gè)像元，在相似水底光譜亮度下顯示不同的太陽(yáng)耀斑數(shù)量。在這種情況下該理論就跟Hochberg等的方程是相似的。

由于Hedley等去耀斑的理論不需要對(duì)陸地和云做掩模處理以及具有更強(qiáng)的適用性，本文基于Hedley等的去耀斑理論對(duì)WorldView-2遙感影像水深反演過(guò)程中的太陽(yáng)耀斑去除進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3　WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)

WorldView-2多光譜影像數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的多光譜數(shù)據(jù)（QuickBird 4波段）是有差別的，WorldView-2多光譜數(shù)據(jù)有8個(gè)波段，其中四個(gè)（Blue，Green， Red，NIR1波段）與QuickBird多光譜數(shù)據(jù)的四個(gè)波段是一致的，新增的四個(gè)波段為：Coastal，Yellow，Red-edge，NIR2波段。我們將8個(gè)波段分為兩組：傳統(tǒng)波段（Blue，Green，Red，NIR1波段）和新增波段（Coastal，Yellow，Red-edge，NIR2）。Jeremy M.kerr.證明了兩組波段集是存在一定差別的（雖然原因還不得而知）[6]，為了減小該差異帶來(lái)的影響，本文在水深反演過(guò)程中耀斑的去除分別限制在傳統(tǒng)波段集和新增波段集內(nèi)。也就是NIR1用來(lái)估算Blue、Green、Red波段內(nèi)太陽(yáng)耀斑的成分，NIR2用來(lái)估算Coastal、Yellow、Red-edge波段內(nèi)太陽(yáng)耀斑的成分。

4　實(shí)驗(yàn)

本文以A島礁（見(jiàn)圖2島礁）為例。

（1）應(yīng)用常規(guī)方法對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射糾正，本文WordView-2影像無(wú)需再做輻射糾正，如有需要，應(yīng)進(jìn)行輻射糾正，完整的輻射糾正包括遙感器糾正、大氣糾正，以及太陽(yáng)高度和地形糾正；

（2）選擇影像上有大量耀斑的區(qū)域作為樣本區(qū)，但是如果沒(méi)有太陽(yáng)耀斑，該區(qū)域的影像應(yīng)該保證均一化（例如深水區(qū)），一般選擇島礁附近深水區(qū)內(nèi)具有太陽(yáng)耀斑的區(qū)域作為樣本區(qū)（圖2內(nèi)方框中有太陽(yáng)耀斑的深水區(qū)選為樣本區(qū)）。計(jì)算MinNIR，也就是樣本區(qū)內(nèi)近紅外（NIR）波段亮度的最小值，分別計(jì)算樣本區(qū)內(nèi)近紅外1（NIR1）波段和近紅外2 （NIR2）波段亮度的最小值；

（3）對(duì)每一個(gè)要去耀斑的波段，利用選擇的像元，以NIR亮度為X軸，可見(jiàn)光波段為Y軸建立線性回歸（其中Blue、Green、Red以NIR1為x軸，Coastal、Yellow、Red-edge波段以NIR2為x軸）。得到線性回歸方程，線性回歸的斜率是后續(xù)步驟的關(guān)鍵，對(duì)于波段i，記作bi，對(duì)于Blue、Green、Red、Coastal、Yellow、Red-edge分別得到相對(duì)應(yīng)的線性回歸方程斜率（見(jiàn)圖1）；

（4）對(duì)波段i（Blue、Green、Red、Coastal、Yellow、Red-edge）整幅影像上的像元進(jìn)行去耀斑，利用公式（1）做去耀斑處理，分別得到各個(gè)波段去除太陽(yáng)耀斑后的影像，去耀斑后的各波段影像將用來(lái)反演淺海地形的水深。

圖2　原始影像圖

圖3　去除太陽(yáng)耀斑影像圖

圖4　去除太陽(yáng)耀斑后的水深反演

圖5　不去太陽(yáng)耀斑的水深反演

5　結(jié)果分析與討論

通過(guò)去耀斑的處理，從影像視覺(jué)上來(lái)看效果是非常顯著的（見(jiàn)圖2，圖3），這對(duì)于淺海地形底質(zhì)的分類具有非常積極的作用。對(duì)于島礁水深反演來(lái)說(shuō)，本文對(duì)A島礁進(jìn)行了去耀斑后的水深反演和不去耀斑的水深反演，并且將兩種方法反演得到的水深值與實(shí)測(cè)水深進(jìn)行了對(duì)比。如圖4為去除太陽(yáng)耀斑后水深反演結(jié)果與實(shí)測(cè)水深的對(duì)比圖，其中紅色實(shí)線為實(shí)測(cè)水深值，藍(lán)色實(shí)線為反演得到的水深值。圖5為不去太陽(yáng)耀斑的水深反演結(jié)果與實(shí)測(cè)水深對(duì)比圖，紅色實(shí)線為實(shí)測(cè)水深值，藍(lán)色實(shí)線為反演得到的水深值。通過(guò)圖4、圖5的對(duì)比結(jié)果可以看出，去耀斑處理后島礁水深反演的精度得到了提高，不去耀斑反演得到的水深與實(shí)測(cè)水深相比，均方根誤差RMSE=1.35 m，去耀斑后反演得到的水深與實(shí)測(cè)水深相比，均方根誤差RMSE=1.29 m。通過(guò)去除耀斑的處理，改善了太陽(yáng)耀斑因子對(duì)于水深反演結(jié)果影響，水深的反演精度得到了一定的提高。

去除太陽(yáng)耀斑在整個(gè)島礁水深反演的流程中是關(guān)鍵的一步，尤其對(duì)于耀斑比較嚴(yán)重的遙感影像來(lái)說(shuō)，反演島礁水深過(guò)程中耀斑的去除是非常有必要的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看無(wú)論是從影像視覺(jué)的角度還是島礁水深反演的結(jié)果，去耀斑的意義都是非常積極的。但有在去耀斑的過(guò)程中有一個(gè)問(wèn)題必須注意，那就是在應(yīng)用公式（1）去耀斑的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生負(fù)值，水下區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生負(fù)值，但是裸露水面的區(qū)域去耀斑后會(huì)產(chǎn)生負(fù)值。對(duì)于島礁的水深反演來(lái)說(shuō)，在下一步數(shù)據(jù)處理之前應(yīng)該將負(fù)值作為異常值去除掉，然后進(jìn)行后續(xù)的島礁水深反演。

以上太陽(yáng)耀斑的去除技術(shù)成功的應(yīng)用在基于WorldView-2影像數(shù)據(jù)的島礁水深反演研究中，并且在大批量的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中得到了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，證明了該方法是可行的且具有很強(qiáng)的適用性，這將有利于WorldView-2影像處理中耀斑去除的常規(guī)化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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A method to remove sun glint in depth derivation from World View-2 remote sensing images

LI Long-long，LIU Jian-qiang，ZOU Bin
（National Satellite Ocean Application Service, Beijing 100081 China）

Abstract：The method of Hedley et al. was applied in the WorldView-2 remote sensing image inversion reef water depth. Certain improvement was made according to the particularity of WorldView-2 band set in the process of technical implementation, and 8 bands were divided into two groups. For sun-glint removal, the NIR1 band was used to estimate water surface properties in the blue, green, and red bands, and the NIR2 band similarly was used for the coastal, yellow, and red-edge bands. The theory method was implemented completely at some specific applications. Result shows that there are a substantial visual improvement and the improvement of water depth retrieval precision. The practical approach described here will hopefully expedite the routine adoption.

Key words：WorldView-2; shallow reef; water depth retrieval; sun glint

作者簡(jiǎn)介：李龍龍（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹＠瞬ㄗV儀數(shù)據(jù)處理技術(shù)及淺海水深反演。E-mail: lilonglong1988@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目“海洋漁業(yè)生產(chǎn)衛(wèi)星綜合應(yīng)用服務(wù)示范系統(tǒng)”；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAD13B01）

收稿日期：2014-05-27

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.008

中圖分類號(hào)：P715.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）01-0053-05