衛(wèi)星遙感反演水深技術(shù)在偏遠(yuǎn)地區(qū)海圖測(cè)量中的應(yīng)用

王 久 鄔 金

(1. 廣州海事測(cè)繪中心, 廣東 廣州 510320; 2. 南海航海保障中心, 廣東 廣州 510235)

0 引言

偏遠(yuǎn)地區(qū)的海圖測(cè)量和評(píng)估一直以來(lái)都面臨著這樣的問(wèn)題:鑒于偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、船舶流量較低,測(cè)量和更新海圖的優(yōu)先級(jí)遠(yuǎn)低于其他區(qū)域,缺乏可信的海圖又限制了當(dāng)?shù)卮敖煌ê秃Ｑ舐糜螛I(yè)的發(fā)展,阻礙了沿海偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)的脫貧致富。

隨著歐洲航天局(European Space Agency, ESA)Sentinel系列、國(guó)內(nèi)的高分系列等遙感衛(wèi)星數(shù)量的增加,多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲得廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)水深測(cè)量方法相比,衛(wèi)星遙感反演水深(Satellite-Derived Bathymetry, SDB)雖然精度和可靠性相對(duì)較低,但其具有快速、大范圍、低成本、即時(shí)和高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn),不需要調(diào)動(dòng)人員或設(shè)備,就能作為一種間接手段有效彌補(bǔ)偏遠(yuǎn)或有爭(zhēng)議水域缺少全覆蓋測(cè)量水深數(shù)據(jù)的不足。

近年來(lái),SDB一直是國(guó)際海道測(cè)量組織(International Hydrographic Organization, IHO)關(guān)注的主題和未來(lái)計(jì)劃的重點(diǎn)之一。2017年4月IHO A1會(huì)議,加、法、美提交了《在未知和不利于測(cè)圖區(qū)域進(jìn)行IHO SDB評(píng)估和制圖項(xiàng)目開(kāi)發(fā)》的提案,區(qū)域間協(xié)調(diào)委員會(huì)9次會(huì)議正式將其內(nèi)容列入行動(dòng)計(jì)劃。在IHO支持下,SDB在一些國(guó)家和地區(qū)的海洋空間基礎(chǔ)設(shè)施(Marine Spatial Data Infrastructure, MSDI)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用,解決了許多偏遠(yuǎn)水域缺乏最新、高分辨率測(cè)深數(shù)據(jù)的問(wèn)題[1-3],而國(guó)內(nèi)這方面的研究多停留在理論層面[4-6],缺乏真正意義上的應(yīng)用實(shí)踐。

從原理看,用于水深反演的SDB模型主要有:

(1)通過(guò)輻射傳輸模型的反演,以每個(gè)像素為基礎(chǔ)計(jì)算水深的理論模型。常用的有HOPE、SAMBUCA、SMLUT、WATCOR等;

(2)通過(guò)回歸或相似分析,在實(shí)測(cè)水深和水體遙感輻射之間建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如從最古老的Lyzenga模型發(fā)展的多波段線(xiàn)性回歸模型[7]、最常用的Stumpf對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換比值模型[8]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林算法的新反演模型[9]等,其中包括將理論模型和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)相結(jié)合的半分析算法,如由Lyzenga模型發(fā)展的基于地理加權(quán)回歸的水深反演模型[10]等。

本文以Stumpf模型和多時(shí)相SDB方法在中國(guó)南海海南島東線(xiàn)部分海域的實(shí)踐為例,簡(jiǎn)單探討其在海圖測(cè)量方面的幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

1 技術(shù)原理及影響因素

1.1 技術(shù)方法

理論模型需通過(guò)考慮光穿透大氣、水面和水體的各種影響以及鄰近的明亮陸地反射率來(lái)模擬深度。這涉及光傳播過(guò)程中的所有物理因素,以及在反射輻射被多光譜傳感器捕獲之前的其他物理過(guò)程。與其不同,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)勢(shì)在于,它比理論模型更快速、更容易實(shí)現(xiàn)和更便于使用。

本文采用的Stumpf對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換比值模型,基于比率變換方法,減少推導(dǎo)深度所需的參數(shù)數(shù)量,并且一定程度上消除了沙質(zhì)、藻類(lèi)、珊瑚等底質(zhì)的影響。藍(lán)光(440～500 nm)能穿透至少25 m的深度,能針對(duì)更快速被吸收的綠光或紅光提取深度信息,可作為最佳參考波段。公式如下:

DSDB=m1μSDB-m0

(1)

(2)

其中,μSDB是由影像獲取的無(wú)量綱的相對(duì)深度;DSDB是最后獲取的絕對(duì)深度;m1和m0是可調(diào)常數(shù),用于將算法結(jié)果線(xiàn)性轉(zhuǎn)換為實(shí)際深度;R(λi)、R(λj)分別為第i、j個(gè)波段的地表反射率;n為固定常數(shù),用以確保兩個(gè)對(duì)數(shù)在任何情況下都是正的,并且對(duì)數(shù)比隨深度產(chǎn)生線(xiàn)性響應(yīng)。

由于海圖水深的深度基準(zhǔn)為理論最低潮面,首先需要對(duì)其進(jìn)行瞬時(shí)潮汐校正,以便在對(duì)應(yīng)的遙感影像獲取時(shí)間同步潮汐。之后進(jìn)行柵格計(jì)算獲取μSDB,通過(guò)回歸分析對(duì)比校正后的海圖水深點(diǎn)擬合線(xiàn)性趨勢(shì),計(jì)算比例系數(shù)m1和偏移量m0,將μSDB轉(zhuǎn)換為DSDB。

為了排除泥沙及近岸海域水質(zhì)分布的影響,本文參照陸地遙感影像分析方法對(duì)以上方法進(jìn)行了改進(jìn),結(jié)合了多時(shí)相SDB的計(jì)算[11-12]。計(jì)算方法基于兩個(gè)假設(shè):其一,如果不同時(shí)間采集到的兩幅影像之間局部水質(zhì)分布發(fā)生了變化,那么反演出的水深也會(huì)有局部不同;其二,水質(zhì)分布的時(shí)間變化對(duì)SDB模型的影響明顯大于海底隨時(shí)間的自然遷移。以上兩個(gè)假設(shè)構(gòu)成了多時(shí)相SDB計(jì)算清水標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ),在同一區(qū)域內(nèi)至少兩幅影像推斷出的相似深度則代表真實(shí)海底。如果在兩幅影像中的同一區(qū)域反演出不同的深度,則反演結(jié)果首先被懷疑為水質(zhì)差導(dǎo)致的假變淺。

如果鄰近時(shí)間的兩幅影像可以明顯區(qū)別出假變淺區(qū)域,則可以剔除掉該區(qū)域的控制點(diǎn)重新進(jìn)行回歸分析,計(jì)算結(jié)果綜合兩幅鄰近時(shí)間影像的DSDB作為水深反演結(jié)果。如果剩余控制點(diǎn)數(shù)較少或者無(wú)法知道控制點(diǎn)是否處于假變淺區(qū)域,可以在回歸分析之前比較μSDB模型,將一個(gè)μSDB模型指定為參考,另一個(gè)μSDB模型使用直方圖均衡化進(jìn)行匹配。云霧覆蓋少的不同影像應(yīng)該觀(guān)測(cè)到相同的特征,影像中所有像素值的直方圖應(yīng)該具有類(lèi)似的特性,雖然近岸水質(zhì)可能會(huì)隨著不同影像的變化而變化,但在覆蓋大面積海洋的整景影像中,所占比例很小。

1.2 影響因素

1.2.1水質(zhì)

水質(zhì)是水深反演最主要的影響因素,影響最大反演深度、水深精度、目標(biāo)探測(cè)要求。按實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),水透明度大于15 m為理想條件,水透明度大于5 m為基本條件。此外,水透明度的空間分布對(duì)全覆蓋影響很大,一般至少要求水域內(nèi)有相似的水透明度。

1.2.2底質(zhì)和潮汐分布

底質(zhì)和潮汐分布影響反演水深精度。泥沙等沉積物、珊瑚或硬底面為理想的反演底質(zhì),有水下植被或者非常暗的礁石則為不利條件;潮汐的均勻分布有利于水位控制。

1.2.3海浪和云霧

海況和云霧影響全覆蓋、最大水深、水深精度、目標(biāo)探測(cè)要求,理想的條件為沒(méi)有或者很小海浪和云霧,最低要求沒(méi)有強(qiáng)浪導(dǎo)致海底遷移。

1.2.4衛(wèi)星傳感器和幾何角度

傳感器分辨率的高低直接決定了最大反演深度、水深精度和目標(biāo)探測(cè)的極限。8波段WorldView系列(優(yōu)于2 m)、Sentinel-2(10 m)、高光譜傳感器等獲取的高空間分辨率遙感影像為理想的數(shù)據(jù)選擇。此外,幾何角度影響日光反射,需要采集影像時(shí)太陽(yáng)和傳感器有相似的方位和角度,從水面返回的反射率最多不大于5%。

以上影響因素直接決定了衛(wèi)星遙感影像的選擇原則。

2 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)情況

本文綜合評(píng)估了現(xiàn)有海圖分布和海域水質(zhì)特征,選擇有代表性的海南東部博鰲、潭門(mén)和龍灣等水域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1),結(jié)合海圖測(cè)量任務(wù)進(jìn)行了水深反演實(shí)踐。

圖1 應(yīng)用實(shí)踐區(qū)域

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)域內(nèi)有1962和1985年測(cè)量為主的1∶150 000比例尺海圖七洲列島至白鞍島,2012年測(cè)量的博鰲港、2011年測(cè)量的龍灣港兩幅1∶10 000比例尺海圖,考慮到水深不變和分布均勻的原則,共提取了1 954個(gè)水深點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)。

影像來(lái)自L(fǎng)andsat 8和Sentinel-2衛(wèi)星獲取的2014—2020年遙感數(shù)據(jù),潮汐數(shù)據(jù)來(lái)自歷年潮汐表,主要如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)情況

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1輻射校正

首先利用遙感影像的元數(shù)據(jù)提供的增益、偏置值進(jìn)行輻射定標(biāo)。然后進(jìn)行大氣改正,以減少水體信息在傳播過(guò)程中受大氣、水汽等的干擾作用,將輻射亮度值轉(zhuǎn)換為海底實(shí)際反射率。本文中Landsat 8影像采用基于MODTRAN5輻射傳輸模型的大氣校正模塊(Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes， FLAASH)進(jìn)行大氣改正,Sentinel-2影像采用Sen2cor插件完成。

2.2.2耀斑去除

太陽(yáng)耀斑是衛(wèi)星影像中常見(jiàn)的現(xiàn)象,由于太陽(yáng)直射光在氣-水界面上沿衛(wèi)星方向的反射,離開(kāi)水面的反射率很難觀(guān)測(cè)到。特別是Sentinel-2衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)幾何結(jié)構(gòu)使其易受太陽(yáng)光污染。對(duì)于中高分辨率影像和沿海應(yīng)用,有幾種可用的耀斑去除方法[13]。本文通過(guò)ESA 哨兵應(yīng)用平臺(tái)(Sentinel Application Platform, SNAP)軟件的Sen2Coral工具箱使用短波紅外(Short Wave Infrared, SWIR)波段來(lái)計(jì)算耀斑,得到了較好的結(jié)果。

2.2.3水陸分離

水陸分離通常的做法是采用歸一化差分水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index, NDWI)、改進(jìn)歸一化差分水體指數(shù)(Modified NDWI, MNDWI)指數(shù)進(jìn)行柵格計(jì)算,近紅外波不能穿透水中，因而具有可以識(shí)別的明亮特征,在耀斑去除后,水的透明區(qū)域顯得非常暗,云、空白和陸地在近紅外(Near Infrared, NIR)波段具有高反射率,因此，本文直接設(shè)置了一個(gè)NIR閾值進(jìn)行了過(guò)濾。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度評(píng)估

SDB的水平精度主要取決于所用衛(wèi)星影像的定位精度。商業(yè)衛(wèi)星影像具有更高的分辨率和精度,而像Landsat 8和Sentinel-2這樣的公開(kāi)衛(wèi)星影像具有中高等的分辨率和精度。如Sentinel-2影像的空間分辨率為10 m,水平精度為12.5 m(2σ)。

SDB的垂直精度主要通過(guò)比較SDB結(jié)果與同區(qū)域?qū)崪y(cè)水深數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行評(píng)估,如圖2所示。

圖2 歷年SDB結(jié)果與實(shí)測(cè)水深散點(diǎn)1∶1圖

SDB使用可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析獲得的水深結(jié)果垂直精度通常在0.5～2.0 m之間[1-14],并且由于信噪比降低,精度隨著深度的增加而降低。一般采用均方根誤差ERMS和決定系數(shù)R2衡量SDB結(jié)果的準(zhǔn)確度,如表2所示。

表2 SDB精度統(tǒng)計(jì)

(3)

(4)

此外,還可通過(guò)相同SDB模型反演的不同期水深結(jié)果評(píng)估其方法的精確度,如圖3所示的2014—2020年水深結(jié)果比較。

從本次SDB精度評(píng)估結(jié)果可以看出:(1)圖2(d)中2020年采用多時(shí)相SDB計(jì)算結(jié)果的離散點(diǎn)較其他結(jié)果明顯減少,很大程度上改善了水質(zhì)分布不均的問(wèn)題;(2)圖2～3和表2中,Sentinel-2衛(wèi)星相對(duì)Landsat 8衛(wèi)星雖然分辨率提高,從而有較強(qiáng)的目標(biāo)探測(cè)能力,但在一般水域,從Stumpf模型反演的結(jié)果上看,精度提升不顯著;(3)從圖3中可以看出,0～5 m水深區(qū)域的變化較為頻繁,10～15 m水深區(qū)域的反演精度受環(huán)境因素影響最大;(4)由精度統(tǒng)計(jì)可以看出,SDB結(jié)果的精度雖然不及專(zhuān)業(yè)水深測(cè)量,但能夠滿(mǎn)足S-57標(biāo)準(zhǔn)的ZOC B級(jí)要求,完全可以作為水深變化分析等應(yīng)用的數(shù)據(jù)來(lái)源。

圖3 多期SDB水深比較1∶1圖

直方圖均衡化在2019—2020年的影像進(jìn)行了應(yīng)用。計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn),多時(shí)相SDB可以在一定程度上改善水質(zhì)分布不均勻影像的反演精度,但在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下,一些礁石等淺點(diǎn)會(huì)被掩蓋掉。此外,由于反演模型對(duì)隨機(jī)噪聲和條帶化非常敏感,采用低通3×3濾波器對(duì)衛(wèi)星影像各波段進(jìn)行了平滑處理,該過(guò)程也導(dǎo)致了部分孤立淺點(diǎn)被消除或變深。

3.2 應(yīng)用分析

3.2.1分析區(qū)域水深變化以確定復(fù)測(cè)優(yōu)先級(jí)

在沿岸淺水區(qū)域及偏遠(yuǎn)海域,可采用SDB技術(shù)了解海域內(nèi)水深狀況(如在臺(tái)風(fēng)過(guò)后),進(jìn)行短周期的水深監(jiān)測(cè),有助于從水深變化的角度評(píng)估海圖的現(xiàn)勢(shì)性。此外,通過(guò)分析可確定水深易變區(qū)域,將其作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行海道測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,能更合理地規(guī)劃測(cè)量區(qū)域的優(yōu)先級(jí)和海圖測(cè)量周期。

圖4為近年博鰲港附近水深變化情況分析。由水深差異可以看出萬(wàn)泉河口處進(jìn)入博鰲港的通道變化最為明顯,圖4(a)顯示在2014年之前玉帶灘形成有南北兩個(gè)口門(mén)。受沿岸輸沙影響,到圖4(b)的2016年北口門(mén)逐漸消失,之后臺(tái)風(fēng)銀河、莎莉嘉在附近登陸,在強(qiáng)浪和常浪作用下,圖4(c)中2018年南口門(mén)逐漸北移,在原兩口門(mén)中間形成新的口門(mén),至2020年漸趨穩(wěn)定,水深維持在2 m左右,如圖4(d)所示。口門(mén)之外由于礁石區(qū)密布,礁石之間受流水沖刷,泥沙難以淤積,保持了相對(duì)穩(wěn)定的水深情況。博鰲港南部紅石灘至東高礁礁石群附近的水深則變化較為劇烈,形成了縱橫交錯(cuò)的海溝,圖4(c)、(d)顯示的臺(tái)風(fēng)登陸前后最為明顯。該水域海圖測(cè)量周期為8年,而通過(guò)SDB技術(shù)可以將水深變化監(jiān)測(cè)頻次提高至半年甚至每月一次。在海圖測(cè)量任務(wù)規(guī)劃時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)以上水深變化區(qū)域進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)相應(yīng)調(diào)整水深易變區(qū)域的測(cè)量周期。

圖4 歷年博鰲港附近SDB結(jié)果比較注：圓形區(qū)域?yàn)槿f(wàn)泉河口通道；方形區(qū)域?yàn)榧t石灘至東高礁附近礁石區(qū)

3.2.2作為首版圖和小比例尺圖幅判斷重點(diǎn)掃測(cè)區(qū)域的依據(jù)

SDB具有成本低、速度快的特點(diǎn),可作為偏遠(yuǎn)地區(qū)水深和底質(zhì)測(cè)量的背景工具,并且由于中高分辨率衛(wèi)星影像具有良好的空間分辨率,多光譜影像可以捕捉小尺度特征,如潮汐通道、與航行有關(guān)的海峽、陡坡或天然障礙物,在判斷水深探測(cè)重點(diǎn)區(qū)域方面有很大的應(yīng)用價(jià)值。

以水深較淺的潭門(mén)漁港為例,該區(qū)域處于博鰲港和龍灣港之間,尚無(wú)大比例尺海圖覆蓋,在1∶15萬(wàn)海圖中漁港整條航道在2 m等深線(xiàn)以?xún)?nèi),如圖5(a)所示。從圖5(b)2014年SDB水深可以看出航道水深普遍在3～4 m之間,開(kāi)始有明顯航槽痕跡。經(jīng)過(guò)幾次疏浚填海作業(yè)后,到圖5(c)的2020年外航道水深已經(jīng)普遍浚深至10 m以上。按相關(guān)規(guī)范要求,該航道應(yīng)按照特等水域的要求采用多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶進(jìn)行重點(diǎn)掃測(cè)。

圖5 潭門(mén)漁港航道變化示意圖

3.2.3提升精度后可作為海圖水深的有益補(bǔ)充

SDB成果可作為小比例尺海圖修編的參考及MSDI建設(shè)的基礎(chǔ)資料,彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)量數(shù)據(jù)覆蓋范圍的空白。雖然本文實(shí)踐結(jié)果和近年的大量研究均表明高分辨率SDB結(jié)果在精度上至少能滿(mǎn)足國(guó)際海道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)IHO S- 44的2等和S-57的ZOC B級(jí)要求[1-14],但由于大多數(shù)海道測(cè)量部門(mén)都是官方機(jī)構(gòu),往往比較保守,不愿意接受可能對(duì)海上人命安全、自身權(quán)威地位和責(zé)任承擔(dān)產(chǎn)生不利影響的新方法,對(duì)過(guò)程質(zhì)量難以控制的SDB多持懷疑態(tài)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究基于Stumpf對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換比值的改進(jìn)模型,淺水和全水深分別采用藍(lán)紅光波段比率、藍(lán)綠光波段比率,綜合利用多時(shí)相SDB算法在海南東部海域開(kāi)展了應(yīng)用實(shí)踐,結(jié)果驗(yàn)證了SDB計(jì)算的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。在環(huán)境條件良好但偏遠(yuǎn)的水域,SDB可以作為專(zhuān)業(yè)測(cè)量的一個(gè)有益補(bǔ)充。 盡管SDB在精度和分辨率方面無(wú)法與等專(zhuān)業(yè)測(cè)量方法相媲美,但在某些情況下,憑著即時(shí)性、低成本等優(yōu)點(diǎn),SDB是一種更可行的方法。比如大洋地勢(shì)圖(General Bathymetric Chart of the Oceans, GEBCO)的Seabed 2030計(jì)劃收集所有可用的水深數(shù)據(jù),以便在2030年之前繪制出世界海底的最終地圖。如果衛(wèi)星影像質(zhì)量足夠高,SDB是目前唯一能以負(fù)擔(dān)得起的成本做到覆蓋沿海地區(qū)目標(biāo)的方法。

SDB在偏遠(yuǎn)水域應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)在于,某些缺乏可用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的地區(qū)很難驗(yàn)證其精度。近年來(lái)有一些可喜的進(jìn)展,多項(xiàng)研究表明:從ICESat-2激光測(cè)高衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取的高精度天基激光測(cè)深結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量相比,精度高達(dá)95%[15];眾包測(cè)深高精度后處理技術(shù)采用船載測(cè)深儀獲得的水深數(shù)據(jù)結(jié)果可滿(mǎn)足IHO S- 44標(biāo)準(zhǔn)中1等測(cè)量的要求[16],多源數(shù)據(jù)的獲取可以替代實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SDB進(jìn)行驗(yàn)證。這些相關(guān)的技術(shù)發(fā)展為SDB實(shí)踐提供了新的道路,以使其納入更廣泛的海圖測(cè)量應(yīng)用中。