基于WorldView-2數(shù)據(jù)的西沙群島遙感水深反演
——以趙述島和南島為例

李麗

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

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基于WorldView-2數(shù)據(jù)的西沙群島遙感水深反演
——以趙述島和南島為例

李麗1，2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

利用WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)西沙群島的趙述島和南島開展了水深反演。以趙述島為實(shí)驗(yàn)區(qū)，分析水深與各波段及波段組合的相關(guān)性，將水深相關(guān)性最大的海岸波段與綠光波段組合作為水深反演因子，建立多種回歸擬合模型； 將反演結(jié)果與實(shí)測(cè)水深誤差對(duì)比，確定最佳擬合方式； 最后，將該模型應(yīng)用到南島，反演其水深等值線圖，并將其與南島實(shí)測(cè)水深點(diǎn)相較。結(jié)果表明，南島整體水深反演均方根誤差在1.25 m以內(nèi)。

水深遙感； 西沙群島； 趙述島； 相關(guān)分析； 回歸擬合

0 引言

近年來，我國南海海域的一些周邊國家在少數(shù)別有用心局外國家的挑撥和鼓動(dòng)下，不僅蠶食和強(qiáng)占我國島嶼和海域，而且頻頻阻撓和騷擾我國正常的生產(chǎn)與科研活動(dòng)，使南海局勢(shì)更加動(dòng)蕩不安。但是這一切并不能動(dòng)搖我國政府和全國人民捍衛(wèi)領(lǐng)海主權(quán)的嚴(yán)正立場(chǎng)，也阻擋不了我們?cè)陬I(lǐng)海內(nèi)開展各項(xiàng)生產(chǎn)和科學(xué)調(diào)查，例如進(jìn)行淺海水深測(cè)量，更新國土測(cè)繪數(shù)據(jù)等。隨著海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，利用高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)反演淺海水深，獲取水下地形信息，可以發(fā)揮遙感快速、大范圍、準(zhǔn)同步等特長(zhǎng)[1]，為海洋測(cè)量信息的獲取提供一種新途徑。采用淺海多光譜遙感水深反演技術(shù)可獲得淺海水域的最新水深信息，適用于面積性淺海海域水下地形測(cè)量，也適用于進(jìn)行大范圍近海海域海圖的快速制作與更新。

遙感水深探測(cè)的物理基礎(chǔ)是電磁波具有一定穿透水體的能力，波長(zhǎng)越短，穿透力越強(qiáng)。在不同波長(zhǎng)的電磁波中，可見光波段具有最大的大氣透過率和最小的水體衰減系數(shù)，對(duì)清澈水體的穿透深度最大，大氣條件較好時(shí)，能夠探測(cè)水深在30 m以內(nèi)的水體[2]，受已有衛(wèi)星數(shù)據(jù)所限，可見光中的藍(lán)光和綠光波段是水深遙感測(cè)量中的主要波段。自2009年WorldView-2衛(wèi)星發(fā)射成功后，利用其黃、藍(lán)、綠和紅波段組合進(jìn)行水深反演可以比藍(lán)綠光組合提高水深探測(cè)精度[3]。水深探測(cè)還受到水中懸浮物和水底介質(zhì)的影響，結(jié)合懸浮泥沙光譜特性,把“泥沙因子”引入到水體遙感測(cè)深反演模型中,可以提高水深反演精度[4]，而利用波段比值方法可以在一定程度上消除不同海底介質(zhì)反射及水體衰減系數(shù)的影響[5]。

迄今,利用具有強(qiáng)穿透能力的海岸波段開展水深研究工作在西沙群島還沒有展開過。本文利用WorldView-2衛(wèi)星海岸波段，采用波段組合方法，對(duì)西沙群島這種水質(zhì)極其清澈海域，開展遙感水深探測(cè)方法研究，填補(bǔ)了這一空白。

1 水深遙感原理

太陽輻射在經(jīng)過大氣的吸收、反射和散射等作用后到達(dá)水體表面，一部分能量在水-氣界面被反射回大氣中，大部分能量經(jīng)水面折射進(jìn)入水體。受水體對(duì)光的吸收和散射作用的影響，當(dāng)光波進(jìn)入水體后其傳播的能量會(huì)不斷衰減。一部分光由于受到水體內(nèi)分子的影響發(fā)生散射作用而離開水體返回大氣； 只有較少的光到達(dá)水底被反射后又穿過水體和大氣被衛(wèi)星傳感器接收。電磁波與水體的相互作用圖見圖1。

圖1 電磁波與水體的相互作用圖

由圖1可知，傳感器接收的光由水面反射光、水中光或稱離水反射輻射(包括水中散射光的向上部分和淺海條件下的底部反射光)以及天空散射光3部分組成。前2部分包含有水的信息，可以通過遙感手段探測(cè)水中光和水面反射光，以獲得水色、水溫、水深、水面形態(tài)等信息； 第3部分可以通過大氣校正等圖像處理方法去除其影響。

綜上，遙感探測(cè)水深主要受波段穿透性的強(qiáng)弱、水體懸浮物的濃度、底質(zhì)反射率及大氣等條件影響。本次水深研究工作區(qū)是西沙群島，水體屬大洋水，水中懸浮物、泥沙及浮游植物等含量很少，水質(zhì)清澈，可達(dá)一級(jí)水質(zhì)，基本不用考慮水體懸浮物的影響。西沙群島淺海底質(zhì)主要為珊瑚砂、活體珊瑚和珊瑚礁3種，可利用波段比值法在一定程度上消除底質(zhì)差異引起的底部反射率不同的影響。另外，需選用包含強(qiáng)穿透性的波段，影像清晰少云的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

本次工作實(shí)驗(yàn)區(qū)有2個(gè)，一個(gè)是七連嶼北部的趙述島，另外一個(gè)是南島。本次研究所用數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)。遙感影像選用2013年6月10日上午10: 30左右過境拍攝的WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)處理主要是輻射校正與幾何糾正。

2.1 趙述島概況及數(shù)據(jù)處理

趙述島是西沙宣德群島七連嶼中的一島，坐落在七連嶼礁盤上，屬于珊瑚礁島，距離三沙市政府所在地永興島8 海里，中心坐標(biāo)為N16°58′，E112°16′。該島呈琵琶狀，橢圓形連一條170 m長(zhǎng)的沙嘴，島長(zhǎng)600 m，寬300 m，沿NE-SW方向延長(zhǎng)，面積約為0.2 km2，海拔4.4 m，東、北、南3面發(fā)育了海灘巖，四周有沙堤包繞。趙述島淺海區(qū)水深變化較大，最深在30 m左右，平均水深約8.2 m，近岸水深一般在1～2 m之間,研究區(qū)位置如圖2所示。

圖2 趙述島地理位置示意圖

為降低和避免潮汐影響，水深實(shí)測(cè)時(shí)間和遙感影像拍攝時(shí)間盡量保持一致。中國國土資源航空物探遙感中心三沙項(xiàng)目組于2013年6月11日上午8∶30—10∶30間，環(huán)繞趙述島，以2 m為間隔，共采集水深點(diǎn)2 150個(gè)。

根據(jù)國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的西沙海洋站潮位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集當(dāng)日潮汐為不正規(guī)半日混合潮。根據(jù)當(dāng)日潮汐數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)水深進(jìn)行潮汐校正。當(dāng)天海況很好，風(fēng)浪高在0.5～1.5 m之間，海島附近受礁盤緩沖影響，測(cè)區(qū)風(fēng)浪更小，約在0.5 m之內(nèi)。對(duì)相鄰3個(gè)測(cè)點(diǎn)求平均，獲得該點(diǎn)水深值。再利用粗差對(duì)比法進(jìn)行水深異常點(diǎn)的去除，剔除異常點(diǎn)后剩余1 652個(gè)點(diǎn)。利用ArcGIS軟件對(duì)實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，運(yùn)用克里金插值和樣條插值方法進(jìn)行插值加密，生成水深等值線圖。趙述島實(shí)測(cè)水深點(diǎn)布置與遙感影像疊加見圖3，水深等值線圖見圖4。

圖3 趙述島實(shí)測(cè)水深點(diǎn)與遙感影像圖

圖4 趙述島水深等值線圖

2.2 南島概況及數(shù)據(jù)處理

南島遙感影像圖和實(shí)測(cè)水深點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 南島遙感影像圖及水深點(diǎn)分布

南島位與七連嶼中部，在趙述島東南約1.5海里處，島呈長(zhǎng)條形，西北向東南長(zhǎng)約1 200 m，最寬處約260 m，面積約為0.17 km2。島上四周有沙堤包圍，堤高4～5 m。島周圍分布大范圍淺水礁盤，近岸水深在為1～2 m之間。

南島實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)是三沙項(xiàng)目組在2013年6月10日10∶00—12∶00區(qū)間，環(huán)繞南島以2 m為間隔采集的水深點(diǎn)，共3 453個(gè)點(diǎn), 根據(jù)國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的西沙海洋站潮位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該日潮汐亦為不正規(guī)半日混合潮。根據(jù)當(dāng)日潮汐數(shù)據(jù)，水深采樣時(shí)段為該島落潮時(shí)段。經(jīng)潮汐校正、粗差剔除后，參與水深反演的共3 262個(gè)點(diǎn)。根據(jù)南島實(shí)測(cè)水深經(jīng)樣條差值生成水深等值線圖如圖6所示。

圖6 南島實(shí)測(cè)水深等值線圖

3 技術(shù)流程

本文技術(shù)流程如圖7所示。

圖7 技術(shù)流程示意圖

由圖7可知，水深遙感建模主要包括數(shù)據(jù)處理、水深反演因子確定、水深反演模型構(gòu)建及精度評(píng)價(jià)4個(gè)部分。數(shù)據(jù)處理包括遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理(對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何糾正)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理(對(duì)實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐校正和粗差剔除)。利用WorldView-2衛(wèi)星穿透能力強(qiáng)的海岸波段、藍(lán)光、黃光及綠光波段，與實(shí)測(cè)水深點(diǎn)建立相關(guān)關(guān)系，選用相關(guān)性最強(qiáng)的波段組合。確定水深反演因子，利用回歸擬合法進(jìn)行水深建模，并對(duì)所建水深模型進(jìn)行誤差分析和精度評(píng)價(jià)，最終選定反演精度最高回歸擬合模型，將其作為工作區(qū)的水深反演模型。

3.1 水深因子確定

本文選用WorldView-2數(shù)據(jù)的海岸(B1)、藍(lán)(B2)、綠(B3)、黃(B4)、紅(B5)共5個(gè)穿透性高的波段，做水深相關(guān)性分析，確定最優(yōu)水深反演因子。利用Matlab程序?qū)w述島近海水域的1 652個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)水深值與遙感影像的B1，B2，B3，B4，B5及其組合做水深相關(guān)性計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)結(jié)果見表1。由表1可知，B1/B3(即海岸波段/ 綠波段)與實(shí)際水深的相關(guān)性最高，因此選用B1/B3作為水深反演因子，用于后續(xù)建模。

表1 波段反射率值與實(shí)測(cè)水深的相關(guān)系數(shù)

3.2 水深反演模型構(gòu)建

趙述島近海岸實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)水深點(diǎn)值共1 652個(gè)點(diǎn)，隨機(jī)選取1 352個(gè)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)建模數(shù)據(jù)(其余300個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)用作該區(qū)水深反演精度檢驗(yàn))。基于B1/B3因子，利用最小二乘法回歸擬合，得到二次多項(xiàng)式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)擬合模型,結(jié)果見表2，模型擬合曲線見圖8。由圖8和表2可知，二次多項(xiàng)式和冪函數(shù)擬合效果都比較理想，其中二次多項(xiàng)擬合效果最好，故選用二次多項(xiàng)式函數(shù)作為水深反演模型。

表2 各模型反演水深回歸擬合公式

圖8 B1/B3波段與實(shí)測(cè)水深擬合圖

4 水深反演結(jié)果及精度評(píng)價(jià)

4.1 趙述島水深反演

根據(jù)二次多項(xiàng)式反演公式，利用ENVI軟件進(jìn)行波段運(yùn)算，得到水深反演灰度值圖，再對(duì)其進(jìn)行密度分割，得到趙述島水深反演結(jié)果圖(圖9)。

圖9 趙述島水深反演圖

由圖9對(duì)比圖4可知，礁盤大部分區(qū)域水深在1～2 m之間，水深反演趨勢(shì)與水深等值線分布趨勢(shì)基本一致。利用WorldView-2衛(wèi)星雙波段比值二次多項(xiàng)式擬合能較好地反演出西沙趙述島近海水深，整體結(jié)果比較穩(wěn)定。

4.2 南島水深反演

根據(jù)趙述島水深反演模型計(jì)算得到南島水深反演等值線圖(圖10)。由圖6和圖10對(duì)比可知，南島整體水深反演趨勢(shì)與實(shí)測(cè)水深等值線圖保持一致，以南島、中島為中心，等值線長(zhǎng)軸在島兩側(cè)呈NW-SE方向展布。島東北部淺水礁盤面較大。島周圍大面積礁盤水深在3 m以內(nèi)，水深線較為稀疏，離島越遠(yuǎn)，水深值越大，水深線越密集。

圖10 南島水深反演圖

4.3 精度評(píng)價(jià)

利用未參與模型參數(shù)計(jì)算的300個(gè)實(shí)測(cè)水深點(diǎn)進(jìn)行趙述島水深反演模型精度檢驗(yàn),利用粗差剔出后的3 262個(gè)實(shí)測(cè)水深點(diǎn)進(jìn)行南島水深反演模型精度驗(yàn)證。將實(shí)測(cè)值作為真值，計(jì)算反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值的均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE) 以及平均相對(duì)誤差(MRE)3個(gè)參量進(jìn)行評(píng)估，兩島精度驗(yàn)證結(jié)果見表3。

表3 趙述島和南島水深誤差檢驗(yàn)

按趙述島礁盤可開發(fā)程度將其周圍海域分為[0，5) m,[5,10) m,[10,15) m及[15,30] m共4個(gè)區(qū)段，不同水深段反演誤差如表4所示。

表4 趙述島水深誤差檢驗(yàn)表

由上表可知，[0,5) m內(nèi)均方根誤差為0.439 m，水深反演精度最高。隨著水深的增加，太陽光輻射能量遞減，反演誤差總體上是逐步增加的。表4中，5 m內(nèi)淺水區(qū)由于水深采樣點(diǎn)密集，相較于深水區(qū)，反射的能量也較多，所以反演精度最高； 5 m以上區(qū)域，隨著水深的增加，誤差越來越大； [5,10) m內(nèi)誤差最大，該區(qū)段水深段采樣點(diǎn)最少，是造成該水深段誤差最大的主要原因。

5 結(jié)論

本文利用WorldView-2衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的海岸波段和綠波段，對(duì)西沙群島之趙述島和南島進(jìn)行了水深反演，得到如下結(jié)論：

1)海岸波段的應(yīng)用可以很好地提高水深反演精度。整體水深反演均方根誤差在1.25 m左右，平均相對(duì)誤差是0.26 m。

2)相較與單個(gè)海岸波段，海岸波段與綠光波段比值是WorldView-2衛(wèi)星最佳水深提取因子。

3)水深反演擬合中，效果較好的擬合方式有二次多項(xiàng)式、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)擬合3種。其中二次多項(xiàng)式擬合反演效果最佳，更適用于西沙群島珊瑚礁底質(zhì)近海岸水深反演。

4)經(jīng)分段水深反演精度分析可知，隨著水深的增加，太陽光輻射能量遞減，反演誤差總體上逐步增加。其中，5 m以淺區(qū)域精度最高，誤差約在0.6 m以內(nèi)，[5，10) m區(qū)反演精度最差，誤差約為1.2 m。

5)對(duì)于西沙群島這種清澈水體，選用WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以很好地開展面積性的近海水深反演工作。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Remote sensing bathymetric inversion for the Xisha Islands based on WorldView-2 data: A case study of Zhaoshu Island and South Island

LI Li1,2

(1.SchoolofEarthSciencesandResources，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China； 2.ChinaAeroGeophysicalandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China)

Taking the WorldView-2 satellite data as sources, the author carried out depth study in the Xisha Islands, with the Zhaoshu Island and the South Island as test areas. The author first analyzed the correlation between the measured water depth and each band and then chose the most relevant band and band combination. It is shown that the coast band with green band ratio is the ideal combination for water depth extraction. Based on varying regression fitting analysis, the author determined the best fitting way that could achieve the best fitting precision in comparison with the real survey depth. At last, the model was used to conduct depth inversion of the South Island, and it is shown that water depth inversion root mean square error is less than 1.5 m, and the biggest relative error is within 0.26 m.

bathymetry remote sensing; the Xisha Islands; Zhaoshu Island; correlation analysis; regression fitting

10.6046/gtzyyg.2016.04.26

李麗.基于WorldView-2數(shù)據(jù)的西沙群島遙感水深反演——以趙述島和南島為例[J].國土資源遙感,2016,28(4):170-175.(LI L.Remote sensing bathymetric inversion for the Xisha Islands based on WorldView-2 data:A case study of Zhaoshu Island and South Island[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(4):170-175.)

2015-10-26；

2015-11-26

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“三沙市島礁遙感綜合調(diào)查與監(jiān)測(cè)”(編號(hào)： 12120113003200)資助。

TP 79

A

1001-070X(2016)04-0170-06

李麗(1982-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事遙感技術(shù)應(yīng)用方面的研究。