HJ-1 CCD數(shù)據(jù)在海島面積監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

龍 強(qiáng)，王 暢，孟艷靜，王 鋒,2，項(xiàng)青霞

（1.唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000）

HJ-1 CCD數(shù)據(jù)在海島面積監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

龍 強(qiáng)1，王 暢1，孟艷靜1，王 鋒1,2，項(xiàng)青霞1

（1.唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000）

針對(duì)一些海島面積受潮汐、海流影響較大的情況，提出了利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星HJ-1的CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行海島面積監(jiān)測(cè)，并以唐山曹妃甸龍島監(jiān)測(cè)作為實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了其潮汐條件下的最大、最小面積，分析了過去5 a中該島的面積變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)于海島測(cè)繪尤其是跟蹤監(jiān)測(cè)的效果良好。

HJ-1 CCD數(shù)據(jù)；潮汐；海島；遙感監(jiān)測(cè)

海島獨(dú)特的地理位置決定了其面積的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)存在一些特別之處，特別是具有大面積淺灘的小島，在高潮和低潮條件下海島的水上面積差異較大，測(cè)繪海島在潮汐條件下的最大、最小面積對(duì)于島嶼的開發(fā)建設(shè)具有重要的意義。然而，島嶼的地面測(cè)繪對(duì)人力、物力、財(cái)力有著較高要求，而且潮高的變化還會(huì)影響測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確度。

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星是多星組網(wǎng)模式，具備覆蓋周期短、數(shù)據(jù)豐富、分辨率高、成本低的特點(diǎn)，在諸多方面的應(yīng)用顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，除例行的山火、焚燒等監(jiān)測(cè)任務(wù)外[1-2]，在地面道路交通信息提取、湖泊信息提取、植被和農(nóng)作物面積遙感以及氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)上都起到了很大作用[3-7]。相比其他資源衛(wèi)星，具有成本低、易獲取的優(yōu)勢(shì)。在土地測(cè)繪上，一些學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析[8-9]，且獲得了較為滿意的結(jié)果，但對(duì)于受潮汐條件影響頗大的海島監(jiān)測(cè)研究較少。筆者分析了海島監(jiān)測(cè)所存在的問題和環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星所具備的優(yōu)勢(shì)，提出了利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星進(jìn)行海島監(jiān)測(cè)的完整思路，并利用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星對(duì)于受潮汐影響頗大的海島監(jiān)測(cè)效果良好。

1 HJ-1 CCD數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介及海島監(jiān)測(cè)的特殊性分析

1.1 HJ-1影像數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座是由多衛(wèi)星、多傳感器組成的遙感衛(wèi)星星座系統(tǒng)，目前已建成由兩顆光學(xué)星（HJ-1A/ B）和一顆雷達(dá)星（HJ-1C）組成的“2+1”星座，A、B星于2008年9月在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用一箭雙星方式發(fā)射成功，隨后順利通過在軌測(cè)試并投入使用，C星也于2012-11-19發(fā)射成功。

A、B星均搭載了2臺(tái)多光譜CCD相機(jī)，并分別有一臺(tái)超光譜成像儀和紅外相機(jī)，能夠探測(cè)近/短波、中波、長(zhǎng)波和紅外譜段。本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)主要利用了CCD多光譜數(shù)據(jù)。采用多顆衛(wèi)星組網(wǎng)飛行模式，每2 d即可實(shí)現(xiàn)一次全球覆蓋，數(shù)據(jù)豐富是環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星的一大優(yōu)勢(shì)。 HJ-1 CCD數(shù)據(jù)的星下點(diǎn)分辨率為30 m，相對(duì)于Modis等中分?jǐn)?shù)據(jù)，分辨率有了很大提升；幅寬711 km，同星、兩星CCD數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)理想鑲嵌，為大面積監(jiān)測(cè)提供了前提；CCD多光譜數(shù)據(jù)通道1為藍(lán)波段，通道2為綠波段，這兩個(gè)波段多用于區(qū)分林型、樹種等方面，通道3為紅波段，多用于道路等信息的提取，通道4為近紅外波段，水體吸收程度最大，主要用于跨水橋段、人工堤壩等信息的提取。

1.2 海島監(jiān)測(cè)的特殊性

影響海島測(cè)繪的最大因素就是潮汐，尤其是一些淺灘面積較大、由沙石沖積而成的小島，在高、低潮條件下其面積有很大的差異，高潮時(shí)淺灘為海水所淹沒，遙感監(jiān)測(cè)到的面積較小，低潮時(shí)大片淺灘裸露海面，遙感監(jiān)測(cè)到的面積就會(huì)變大。此外，海島淺灘邊界的確定對(duì)波段的組合也提出了要求。

海島尤其是沙質(zhì)小島的面積隨著海水沖刷或沖積，面積會(huì)隨時(shí)間變化而變化，對(duì)其進(jìn)行面積變化的監(jiān)測(cè)客觀上要求衛(wèi)星遙感的連續(xù)性，不同海域不同季節(jié)海面情況各不相同，為求監(jiān)測(cè)的精度，對(duì)遙感數(shù)據(jù)也有進(jìn)一步的要求。

2 研究方法分析

根據(jù)HJ-1數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和海島監(jiān)測(cè)的特殊性，HJ-1數(shù)據(jù)在海島監(jiān)測(cè)中應(yīng)該能夠發(fā)揮出自身的優(yōu)勢(shì)，在這個(gè)前提下，對(duì)研究方法作了如下分析。

2.1 最佳波段組合研究

本次研究采用最佳指數(shù)法（OIF）來(lái)確定波段的選取[10]，以區(qū)分淺灘、海水、海霧、林木、沙石以及道路等，該方法的公式如下：

式中，Si為第i個(gè)波段的標(biāo)準(zhǔn)差；Rij為i、j這 2個(gè)波段的相關(guān)系數(shù)。波段標(biāo)準(zhǔn)差越大，所包含的信息量就越大，各波段間的相關(guān)系數(shù)越小，各波段圖像數(shù)據(jù)的獨(dú)立性就越高?？梢姡琌IF越大波段的組合就越理想。

2.2 面積計(jì)算

海島面積即投影在圖像監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)被判識(shí)為陸地、淺灘、林木、沙石等所有單個(gè)像素面積的總和，圖像投影為經(jīng)緯度投影，先求出單個(gè)像元面積ΔS，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(jì)可得到陸地、淺灘等像元的總數(shù)為n，于是海島面積S即為：

式中，i為像元的序號(hào)。

2.3 潮汐條件下海島監(jiān)測(cè)分析

在遙感數(shù)據(jù)的選擇上添加潮汐條件，一般在農(nóng)歷每月的初一以及十五、十六的潮汐為大潮，農(nóng)歷初七、初八和二十二、二十三時(shí)為小潮，但實(shí)際上大、小潮時(shí)間并無(wú)此嚴(yán)格規(guī)律，一般會(huì)延后一段時(shí)間，故采用綜合多年潮汐實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，潮高最大（或接近最大）時(shí)定為大潮時(shí)，潮高最?。ɑ蚪咏钚。r(shí)定為小潮時(shí)，依此再選擇衛(wèi)星數(shù)據(jù)。為了力求精確，采取多組數(shù)據(jù)對(duì)比，選擇面積遙感的最大、最小值作為海島潮汐條件下的最大、最小面積。

2.4 海島面積變化的監(jiān)測(cè)

海島面積變化監(jiān)測(cè)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的連續(xù)性有較高要求，雖然目的在于得到一個(gè)絕對(duì)的差值，不必考慮大小潮的影響，但仍需要設(shè)置潮高相同的外部條件，這樣得到結(jié)果才更加準(zhǔn)確。此外，受淺灘邊界界定誤差以及海島開發(fā)建筑等因素制約，一般選擇較大潮高時(shí)的數(shù)據(jù)。

3 算例實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以唐山曹妃甸龍島為例。作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的曹妃甸，打造高端旅游經(jīng)濟(jì)是其重要組成部分。龍島地勢(shì)平坦，為古灤河沖積而成，有大面積的沙質(zhì)淺灘，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。龍島多年來(lái)受海浪影響，尤其是吹沙造地后一定程度上改變了周圍海流方向，其面積也受到了一定的影響，以往的測(cè)繪結(jié)果不再適用。根據(jù)實(shí)地考察，島上無(wú)大面積樹木，主要由沙石（包括少量海貝等）、淺灘以及人工修筑的堤壩等組成。

3.1 最佳波段選擇

在ENVI軟件的支持下，對(duì)唐山沿岸影像進(jìn)行圖像統(tǒng)計(jì)，得到各波段的光譜特征（波段光譜的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差），見表1。從表1中可以看出Band3最大和最小光譜值的差最大，雖然最小值和平均值非4個(gè)波段中最小的，但標(biāo)準(zhǔn)差最大，可見單波段信息量最大的是Band3，Band4的波段信息量緊隨其后。

表1 唐山沿岸HJ-1數(shù)據(jù)光譜特征統(tǒng)計(jì)表

利用ENVI軟件的Statistics功能計(jì)算各波段間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表2所示，可見Band4與其他波段間的相關(guān)性較低。

表2 唐山沿岸HJ-1數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)

綜上所述，最佳波段組合應(yīng)該包含Band3和Band4，共存在2種可能的最佳組合，利用公式（1）可得到2種組合的OIF值，見表3。

表3 波段組合的OIF值

綜合考慮OIF值和實(shí)際組合情況，得到Band2、3、4為最佳組合波段。最后確定賦色方案，不同方案疊置效果顯示，最佳組合方式為Band3、4、2，分別對(duì)應(yīng)R、G、B。

3.2 潮汐條件下龍島面積監(jiān)測(cè)

在做大潮的面積遙感分析時(shí)，可直接采用Band4單通道，其對(duì)區(qū)分海上人工堤壩、陸地效果良好，可避免相關(guān)冗余工作。對(duì)影像進(jìn)行判讀，作監(jiān)督分析、分離性檢驗(yàn)及逐步剔除等處理，所得統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

從表4可以看出，2011～2012年龍島面積在大潮時(shí)約為3．79 km2，小潮時(shí)約為7．69 km2。地面測(cè)繪結(jié)果為大潮時(shí)龍島面積約為4．00 km2，衛(wèi)星遙感誤差為5．2%，效果比較理想。

表4 遙感分析所得陸地面積

4 龍島面積變化監(jiān)測(cè)

表5 近年龍島面積變化衛(wèi)星數(shù)據(jù)選擇

利用上述5 a數(shù)據(jù)對(duì)龍島面積進(jìn)行遙感分析，所得趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 龍島面積逐年變化趨勢(shì)圖

上述分析結(jié)果說明了龍島面積近年來(lái)略有減小，2008～2009年變化最不明顯，但2010年減小的程度最大。從圖2的衛(wèi)星圖中可以看出，在2008～2010年期間，龍島的西南端明顯消失了一部分，是面積減小的主要部分。這與南京水利科學(xué)研究院所出具的水深圖對(duì)比結(jié)果相吻合，即水下從基面起，西邊1 m高程面積減小顯著。

圖2 2008年和2012年衛(wèi)星影像對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)海島監(jiān)測(cè)中所存在的一些問題，提出利用HJ-1 CCD數(shù)據(jù)測(cè)繪潮汐條件下海島的最大、最小面積以及連續(xù)監(jiān)測(cè)海島面積的可能性，結(jié)果表明HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)所具備的數(shù)據(jù)豐富、重訪周期短、分辨率高等特點(diǎn)能夠較好滿足該項(xiàng)監(jiān)測(cè)的要求，算例結(jié)果也表明該方法可行，效果比較理想。

[1] 賀寶華,陳良富,陶金花,等．基于觀測(cè)幾何的環(huán)境衛(wèi)星紅外相機(jī)遙感火點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法[J]．紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2011 (2): 104-108

[2] 田慶久,王玲,包穎,等．基于HJ-1B衛(wèi)星的作物秸稈提取及其焚燒火點(diǎn)判定模式[J]．中國(guó)科學(xué):信息科學(xué), 2011 (1): 117-127

[3] 許振輝,劉亞嵐,劉曉東．基于HJ-1衛(wèi)星的道路交通信息提取研究[J]．測(cè)繪通報(bào), 2012 (7):63-78

[4] 周正,何連,劉良明．基于HJ-1A/B CCD數(shù)據(jù)的東湖葉綠素a濃度反演可行性研究[J]．測(cè)繪通報(bào), 2011(3): 11-14

[5] 趙麗花,李衛(wèi)國(guó),杜培軍．基于多時(shí)相HJ衛(wèi)星的冬小麥面積提取[J]．遙感信息,2011(2): 41-50

[6] 丁美花,譚宗琨,李輝,等．基于HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甘蔗種植面積調(diào)查方法探討[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 2012 (2): 265-270

[7] 王中挺,厲青,王橋,等．利用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)霧分布[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2010 (3):318-322

[8] 易玲,汪瀟,劉斌．HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量及其在土地利用中的應(yīng)用研究[J]．國(guó)土資源遙感, 2009(3): 87-93

[9] 吳海平,劉順喜,黃世存．基于HJ-1A/B衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的土地宏觀監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2009(6): 788-792

[10] CHAVEZ P S, SOWERS L B． Statistical Method for Selecting Landsat MSS Ratios [J]． Journal of Applied Photographic Engineering, 1982, 8(1): 22-30

P237

B

1672-4623（2016）12-0055-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.018

龍強(qiáng)，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星數(shù)據(jù)分析處理。

2015-09-18。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61375030）。