基于SPOT-6遙感影像的近海水深反演

陸天啟，陳圣波，郭甜甜，范憲創(chuàng)

(吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

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基于SPOT-6遙感影像的近海水深反演

陸天啟，陳圣波*，郭甜甜，范憲創(chuàng)

(吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

水深反演對于淺海地形調(diào)查、海岸帶保護和開發(fā)具有重要的意義。本文選取南海東鑼島海域為研究區(qū)，采用SPOT-6 6 m高分辨率數(shù)據(jù)，基于SPOT-6多光譜數(shù)據(jù)和水深實測值分別建立藍-綠、藍-紅等6個波段比值模型。結(jié)果顯示，綠-紅波段的比值模型精度最高，R2值達到0.706 4，這對于反演熱帶海洋地區(qū)水深具有一定借鑒意義?；谠撃Ｐ偷姆囱萁Y(jié)果對不同水深范圍內(nèi)的平均相對誤差進行比較，結(jié)果表明：0～5 m水深范圍反演誤差較高，主要由于該范圍水體情況較復(fù)雜，5～10 m 水深范圍內(nèi)平均相對誤差最小為13.62%，而隨著水深的增加，反演的誤差增大，分析誤差的主要來源是海水中的懸浮顆粒物、黃色物質(zhì)、葉綠素質(zhì)量濃度等方面的影響。

水深反演；波段比值模型；誤差分析；南海

0　引言

水深是海洋環(huán)境的重要參數(shù)，水深反演不僅有助于對淺海海底地形地貌的調(diào)查，而且對于海岸帶的保護和開發(fā)也具有極其重要的意義。遙感技術(shù)能夠動態(tài)、快速地獲取大面積海域的水深信息，是對傳統(tǒng)水深測量方法的有效補充。

自20世紀70年代起，國內(nèi)外學(xué)者就在遙感測深方面做了許多的研究。針對減小水深反演的誤差，LICEAGA-GORREA et al[1]基于Landsat-TM數(shù)據(jù)分析了主成分分析、多元線性回歸等4種反演方法的絕對誤差；PAREDES et al[2]開展了基于多波段方法的海底底質(zhì)類型分區(qū)的水深反演；王正 等[3]基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和B算法對黃河口水深進行了反演誤差分析；王晶晶 等[4]進行了基于TM數(shù)據(jù)的線性、對數(shù)、指數(shù)和冪指數(shù)等模型的反演誤差分析。以上研究多針對于不同方法反演誤差的比較，而對于不同水深范圍內(nèi)的誤差分析研究較少。

本文選取南海東鑼島海域為研究區(qū)，應(yīng)用SPOT-6多光譜遙感數(shù)據(jù)和水深實測值回歸分析建立波段比值模型，根據(jù)研究區(qū)的實際情況選取精度較高的模型反演水深，進而分析比較0～5、5～10、10～15和15～20 m 4個不同水深范圍的反演誤差，在此基礎(chǔ)之上，反演出海南省樂東區(qū)域近海水深。

1　研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1研究區(qū)

研究區(qū)選取在南海東鑼島海域，隸屬海南省樂東縣，屬于低緯度熱帶季風氣候，其經(jīng)緯度的范圍為18°16′9.15″N～18°22′54.30″N，108°59′5.78″E～109°6′47.94″E，該海域海水可穿透性強，水深值最大約為20 m，研究區(qū)范圍見圖1。

圖1　研究區(qū)水深實測點Fig.1　Measured depth point distribution of the study area

1.2數(shù)據(jù)源

研究使用的數(shù)據(jù)為法國的SPOT-6影像，有關(guān)SPOT-6衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的獲取時間、所使用波段的波譜值以及空間分辨率見表1。水深實測數(shù)據(jù)使用的是廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2014年11月份測量的單點式聲吶數(shù)據(jù)，由于沿測線方向的測深點較密，存在同一像元內(nèi)出現(xiàn)多個實測點的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致在該像元上不同深度的實測點對應(yīng)同一像元的DN值，以致增大反演誤差，故將測深點的數(shù)量抽稀。所采用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為2013年12月份所獲取的影像，由于影像時間和實測數(shù)據(jù)采集時間接近，故可以適用。

表1　SPOT-6衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)參數(shù)

2　數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1輻射定標

通常遙感數(shù)字圖像給出的是像元DN值，DN值是沒有任何量綱的數(shù)字表達形式，利用DN值只能進行同景圖像的相對比較，只有將圖像DN值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)像元的輻射亮度值，才能對不同地點、不同時間和不同類型傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)進行定量比較和應(yīng)用以滿足研究的需要，這個轉(zhuǎn)換的過程就稱為輻射定標。

根據(jù)SPOT-6遙感數(shù)據(jù)獲取的時間和太陽高度角等，對各個波段的遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標，將傳感器記錄的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成絕對輻射亮度值。

2.2幾何校正

由于受傳感器平臺的緯度、高度和速度變化的影響，以及受諸如全景畸變、地球曲率和傳感器的IFOV在掃描中所具有的非線性特征等多種因素的影響，原始圖像的幾何畸變很大，給定量分析帶來了困難。

為了利用遙感圖像進行分析、研究工作，必須要對圖像進行幾何校正。遙感數(shù)據(jù)在由接收部門進行校正后，仍需進一步做幾何精校正。研究中遙感圖像的幾何精校正是利用地面控制點(GCP)進行的，通過選取明顯地物點作為控制點建立畸變空間與校正空間的對應(yīng)關(guān)系，將畸變空間的全部像素變換到校正空間，利用兩組坐標之間的對應(yīng)關(guān)系對遙感圖像進行幾何精校正。本文通過在研究區(qū)均勻選取50個地面控制點與同區(qū)域的谷歌影像進行幾何校正[5]。

2.3大氣校正

遙感的目的是利用傳感器有效地收集來自地物的電磁波輻射能量，然而由于電磁波在大氣中的傳輸和傳感器在測量過程中，受到遙感傳感器本身靈敏度分析、地物光照條件以及人的作用等影響，遙感傳感器的測量值與地物實際的光譜輻射率是不一樣的，測量值存在著輻射失真。大氣校正的主要目的是消除大氣散射對輻射失真的影響。

FLAASH(Fast Line of Sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercube)是高光譜輻射能量影像反射率反演的大氣校正模型，它能夠精確地補償大氣影響，其適用的波長范圍包括可見光至近紅外及短波紅外。本次研究中采用ENVI中的大氣校正模塊FLAASH實現(xiàn)對影像的大氣校正[6]。

3　水深遙感反演模型

水深遙感反演采用的是半經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械牟ǘ伪戎的Ｐ?，波段比值模型是在單波段模型和雙波段模型的基礎(chǔ)之上發(fā)展出來的一種模型，它以光在水中的衰減性質(zhì)為基礎(chǔ)，建立遙感數(shù)據(jù)與同步實測水深值之間的線性或非線性統(tǒng)計關(guān)系模型[7-8]。依據(jù)水體輻射傳輸理論[9]，將水體的固有光學(xué)量和表觀光學(xué)量結(jié)合起來，通過一定的假設(shè)條件來減小單位固有光學(xué)量的時空差異性進而反演水體參數(shù)，以近似關(guān)系簡化模型，減少未知量個數(shù)和相互依賴關(guān)系，具有一定的物理意義，且模型的反演精度較高，因而得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。

由布格爾定理可知，光輻射通量沿水深的變化按指數(shù)規(guī)律衰減[13-14]，即：

I(Z)=I0e-KZ

(1)

式中：I0和I(Z)分別為光在水體表面和水深Z處的輻射通量，K為代表衰減程度的參數(shù)。由此可得到簡單衰減模型：

RE=αRbe-2KZ+Rw

(2)

式中：RE為傳感器接收到的反射值；K為水體衰減系數(shù)；Rw為水體反射值；Rb為水底反射值；α為一綜合因子，反映了太陽輻射在水面和大氣中傳播及光線在水面折射等多種影響。

由上式可得：

RE-Rw=αRbe-2KZ

(3)

對波段1、2進行比值運算可以得到：

(4)

(5)

令公式(5)中：

則公式(5)可簡化為：

(6)

公式(6)即為波段比值模型表達式。

波段比值模型在一定程度上消除了因水體不均勻引起的水體衰減系數(shù)不同和底質(zhì)差異引起的底部反射率不同的影響。此外，波段比值模型還能削弱太陽高度角、水面波動以及衛(wèi)星姿態(tài)、掃描角變化等差異對水深反演的影響[15]。

4　水深遙感反演

4.1水深控制點選取

對照實測點標示的水深值，提取水深實測點對應(yīng)的像元在各波段上的反射率值，水深實測點分布如圖1所示。

本研究中，用SPOT-6遙感影像的藍光、綠光、紅光以及近紅外四個波段建立6個波段比值模型。提取水深實測點的屬性信息，即影像各波段反射率值和水深，對波段比值模型的參數(shù)進行回歸分析，其相關(guān)性系數(shù)如表2所示。從表中可以看出，綠-紅波段比值模型的相關(guān)性系數(shù)最高，R2達到了0.706 4(圖2)，故選取該模型作為水深反演的最終模型。

圖2　SPOT-6綠-紅波段比值與水深散點圖Fig.2　Scatter plots of band ratio for green and red ofSPOT-6 and depth

衛(wèi)星產(chǎn)品波段比值藍-綠藍-紅藍-近紅外綠-紅綠-近紅外紅-近紅外SPOT-60.26560.65280.32010.70640.22210.7008

4.2水深反演結(jié)果

將上述綠-紅波段比值與對應(yīng)水深點得到的回歸參數(shù)帶入波段比值模型，得出反演結(jié)果，如圖3所示。

4.3誤差分析比較

本文選取平均相對誤差衡量反演水深的精度，平均相對誤差是樣本相對誤差絕對值之和的平均值：

(7)

計算反演水深在不同范圍內(nèi)的平均相對誤差，結(jié)果如表3和圖4所示。5～10 m水深范圍內(nèi)平均相對誤差最小，為13.62%，而15～20 m水深范圍內(nèi)反演誤差最大，為33.65%，0～5和10～15 m水深范圍內(nèi)平均相對誤差分別為30.99%和21.68%。

圖3　SPOT-6水深反演結(jié)果Fig.3　Depth inversion result of SPOT-6

水深范圍/m0～55～1010～1515～20平均相對誤差(%)30.9913.6221.6833.65

圖4　不同水深范圍反演結(jié)果的平均相對誤差Fig.4　Average relative error of depth inversion resultin different depth range

4.4水深反演模型應(yīng)用

上述研究區(qū)處于海南省樂東區(qū)海域內(nèi)，研究結(jié)果對樂東區(qū)海域具有一定適用性，因此應(yīng)用該水深反演模型反演樂東區(qū)淺海海域水深，使用的數(shù)據(jù)為2013年SPOT-6三景數(shù)據(jù)拼接而成，反演結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，整體效果較好，從海岸線向外，水深呈增加趨勢，而且與實測水深值基本吻合。

圖5　樂東區(qū)淺海水深反演圖Fig.5　Map of the bathymetry retrieval in shallow water of Ledong

5　結(jié)論

本文基于SPOT-6多光譜數(shù)據(jù)和水深實測值回歸分析建立了6個波段比值模型，選取精度最高的模型反演海南省樂東附近海域水深，得到以下結(jié)論：

(1)SPOT-6遙感影像的綠-紅波段比值模型在本研究區(qū)域較其它波段反演水深的效果更好，這對于在熱帶海洋地區(qū)的近海水深反演工作有一定的借鑒意義。

(2)近海岸0～5 m水深范圍內(nèi)反演精度較低，分析原因主要是由于近岸受人類活動影響較大，所含物質(zhì)較豐富，具有比較大的衰減系數(shù)，加之該海域?qū)儆诤＠似扑閹?，海水表面粗糙度大，可測深度小。5～10 m水深范圍反演精度最高，而隨著深度的增加，反演誤差呈遞增趨勢，說明水深與反演的精度成負相關(guān)關(guān)系。

(3)影響反演精度的因素有很多，例如海水中的懸浮顆粒物、黃色物質(zhì)、葉綠素質(zhì)量濃度等，本次研究中并未考慮這些因素的影響，這是后繼研究的方向。

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Offshore bathymetry retrieval from SPOT-6 image

LU Tian-qi, CHEN Sheng-bo*, GUO Tian-tian, FAN Xian-chuang

(CollegeofGeo-explorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China)

Retrieval of offshore bathymetry has important significance in shallow topographic survey, coastal protection and development. In this study, Dongluodao waters in South China Sea was taken as a typical study area, using the SPOT-6 6 m high resolution data, six band ratio model such as blue-green and blue-red were set up respectively based on SPOT-6 multi-spectral data and depth measured values. The results show that green-red band ratio model has the highest accuracy and theR2value reaches 0.706 4. This has certain

ignificance for retrieval of offshore bathymetry in tropical oceans. Comparing with the average relative error of the different depths range based on the above model, the conclusion is that the depth range from 0 to 5 m has the higher average relative error, mainly because the conditions are complex. The depth range from 5 to 10 m has a minimum average relative error of 13.62%. Accretion of the average relative error with the increasing of the depth, while SPM, CDOM and chlorophyll concentration are the main causes of this phenomenon.

bathymetry retrieval; band ratio model; error analysis; South China Sea

2016-02-26

2016-04-27

中國地質(zhì)調(diào)查局項目資助(GZH201100305)；國家地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項目資助(1212011087112)

陸天啟(1992-)，男，江蘇徐州市人，主要從事海洋水深反演研究。E-mail:lutq2014@126.com

陳圣波(1967-)，男，教授，主要從事定量遙感以及地理信息系統(tǒng)研究。E-mail:chensb@jlu.edu.cn

TP79

A

1001-909X(2016)03-0051-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.008

陸天啟，陳圣波，郭甜甜，等.基于SPOT-6遙感影像的近海水深反演[J].海洋學(xué)研究,2016,34(3):51-56,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.008.

LU Tian-qi, CHEN Sheng-bo, GUO Tian-tian，et al. Offshore bathymetry retrieval from SPOT-6 image[J]. Journal of Marine Sciences, 2016, 34(3):51-56, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.008.