基于Landsat 8 OLI遙感影像的淺海水深反演研究

黃東武,呂立蕾

(北海航海保障中心,天津 300220)

淺海水深信息是船舶安全航行、海底地形構(gòu)造和淺海資源開發(fā)利用重要的基礎(chǔ)空間地理信息[1]。沿海港口航道圖通過定期更新以實現(xiàn)對我國沿岸港口、航道等重要通航水域持續(xù)監(jiān)測,確保通航安全。同時,沿海港口航道圖對近海和海岸帶規(guī)劃與管理、航海和海洋環(huán)境科學(xué)研究以及近海工程建設(shè)(如電纜和管道鋪設(shè)、疏浚、石油鉆探等)具有重要意義。精確的水深信息作為沿海港口航道圖最為核心的地理信息要素,當前主要的獲取手段為船載聲吶測量[2],但因其存在成本高、耗時久、困難地區(qū)(近岸、島礁附近等淺水區(qū))無法施測以及作業(yè)受天氣等因素影響大等缺點[3-4],使得其應(yīng)用仍有一定的局限性?；谛l(wèi)星遙感影像的水深反演技術(shù)憑借其非接觸類作業(yè)手段、大范圍快速水深獲取能力等優(yōu)勢逐漸得到發(fā)展。近年來,隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展,遙感影像的空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率均得到大幅度提高,水深反演技術(shù)的研究深度和廣度也得到不斷擴展,特別是在偏遠海域或淺海區(qū)域已成為傳統(tǒng)水深測量手段的有效補充[5]。如王紀坤等[6]將該技術(shù)應(yīng)用于黃巖島珊瑚礁區(qū)水深反演;張磊等[7]利用多波段遙感數(shù)據(jù)進行庫區(qū)水深反演;孟然等[8]引入梯度提升決策樹(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)算法構(gòu)建了GBDT水深反演模型,有效提高了反演精度。

目前水深反演模型以半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用最為廣泛,本文選取渤海灣內(nèi)部部分水域進行水深反演實驗,通過遙感影像反射率和實測水深值之間的相關(guān)性建立了單波段模型和波段比值模型,并對驗證區(qū)域進行水深反演及精度評定,為淺水深反演技術(shù)在港口航道圖周期測量中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 基本原理

根據(jù)布格爾定理可知,可見光在水體中傳播時,會因水體的吸收和反射隨水深變化呈指數(shù)衰減[9],入射輻射通量表示如下

Tz=T0e-αZ

(1)

式中：Tz是水深為Z時的入射輻射通量;T0為水體表面輻射通量;α為可見光衰減系數(shù)。

根據(jù)可見光遙感基本原理可知,傳感器接收到的光信號主要由大氣層輻射、水體表面反射、水體后向散射和水底反射信號構(gòu)成。如果將前三者作為一個整體,一種方式是利用POLCYNFC等[10]的研究用深水區(qū)輻射近似代替,考慮到水底反射光在水中的衰減特性,由此可得到簡單衰減模型如下所示

RE=αRbe-fKZ+RW

(2)

式中：RE為傳感器接收的反射值;f為幾何光程長度,一般情況下取值為2;α為綜合因子,與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有關(guān);K為水體衰減系數(shù);RW為水體反射值;Rb為水體反射值。式(2)是遙感水深反演的模型基礎(chǔ),由此可進一步推導(dǎo)出單波段模型、波段比值模型。

(1)單波段模型。

針對底質(zhì)類型單一,水深值與單波段影像反射率線性關(guān)系較好的情況,可只考慮光在水體中呈指數(shù)衰減,對式(2)進行對數(shù)運算,可得

Z=ln(αRb)/fK-ln(RE-RW)/fK

(3)

假設(shè)海底底質(zhì)反射率及水體的衰減系數(shù)為常數(shù),則可令

a0=ln(αRb)/fK;a1=-1/fK;X=RE-RW

即得到單波段模型

Z=a0+a1ln(X)

(4)

式中：X為某波段的反射率。

(2)波段比值模型[11]。

(5)

對式(5)求對數(shù),得到

(6)

令式(6)中

即推導(dǎo)出波段比值模型為

(7)

式中：X為某波段的反射率。此模型建立了2個波段對數(shù)變換后比值與水深的關(guān)系,在反演大范圍的水深時,更加穩(wěn)定且探測范圍更深,是應(yīng)用最為成熟的反演模型。

2 實驗及分析

2.1 研究區(qū)介紹

實驗區(qū)位于渤海灣水域,其經(jīng)緯度跨度為38°27′～38°36′N,118°12′～118°00′E,如圖1框選所示。該區(qū)域于2021年進行港口航道圖測量,圖幅內(nèi)具有高精度均勻分布實測水深點,區(qū)域內(nèi)以自然水域為主,水深分布為12～18 m,底質(zhì)較為穩(wěn)定,因海域遠離大陸,受人類直接影響小,光可穿透性強,具備遙感反演水深的地理空間條件。

圖1 實驗區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental area

因此通過圖幅內(nèi)部分實測數(shù)據(jù)建立反演模型,均勻分布選取3處作為驗證區(qū)域進行實驗研究,其中區(qū)域1水深分布為10～17 m,區(qū)域2水深分布為12～13 m,區(qū)域3水深分布為15～17 m。

2.2 實驗數(shù)據(jù)

(1)影像數(shù)據(jù)。使用的影像數(shù)據(jù)為Landsat 8 OLI 30 m分辨率多光譜數(shù)據(jù),Landsat 8是美國陸地衛(wèi)星計劃(Landsat)的第八顆衛(wèi)星,于2013年發(fā)射升空,重訪周期16 d,成像寬幅185 km×185 km,因其具有重訪周期短、成像質(zhì)量高、數(shù)據(jù)處理及共享機制完備等諸多特點,影像數(shù)據(jù)應(yīng)用較為廣泛[9]。OLI(Operational Land Imager)陸地成像儀共包含8個波段,其中海岸波段(0.433～0.453 μm)、藍波段(0.450～0.515 μm)和綠波段(0.525～0.600 μm)因波長較短,水體穿透能力強,為海洋水體研究領(lǐng)域常用波段[12]。

實驗獲取一景覆蓋實驗區(qū)域的Landsat 8 OLI影像,軌道號為122/33,成像時間為2021年1月19日02：47：52,與實測水深數(shù)據(jù)時相相近。經(jīng)目視判讀,影像信息豐富,實驗區(qū)無云層覆蓋,符合水深反演實驗影像基本要求。

(2)實測數(shù)據(jù)。采用天津海事測繪中心2021年7月至9月渤海灣區(qū)域內(nèi)某沿海港口航道圖測量數(shù)據(jù)作為實測數(shù)據(jù),測量方式為單波束測深,水深分布為10～18 m,測深精度滿足GB 12327—1998《海道測量規(guī)范》[13]要求。

2.3 影像預(yù)處理

通常遙感影像是以像元亮度值(Digital Number,DN)來記錄地物的灰度值,像元亮度值是一個無量綱的整數(shù),其值大小與地物反射率、傳感器輻射分辨率以及大氣透過率和散射率相關(guān)[14]。因此需要經(jīng)過輻射校正將其轉(zhuǎn)換為遙感反射率,即反射能量與入射能量的比值。

首先利用ENVI(the Environment for Visualizing Images)軟件中輻射定標模塊實現(xiàn)圖像的像元亮度值轉(zhuǎn)換為絕對的輻射亮度,而后利用FLAASH大氣校正模型以消除由大氣影響所造成的輻射誤差,獲得地物真實的表面反射率?；谀壳皯?yīng)用較為廣泛的模型MODTRAN 4+輻射傳輸模型的FLAASH大氣校正模型,該模型對海洋大氣校正具有良好的效果,適用波長范圍包括可見光至近紅外及短波紅外[15]。大氣校正前后光譜曲線對比如圖2和圖3所示。

圖2 大氣校正前光譜曲線Fig.2 Spectral curves before atmospheric correction

圖3 大氣校正后光譜曲線Fig.3 Spectral curves after atmospheric correction

2.4 模型建立

水深模型的建立與影像預(yù)處理、實測水深點分辨率及精度密切相關(guān)。研究區(qū)內(nèi)具備高精度均勻分布實測水深點,空間分辨率150 m×250 m。模型建立所需實測水深數(shù)據(jù)根據(jù)空間分布及分辨率可選用斷面選點和均勻選點兩種方式,如圖4和圖5所示,其中斷面選點采用實測水深數(shù)據(jù)中的檢查線數(shù)據(jù),均勻選點按不同分辨率(比例尺1：25 000,圖上距離10 mm、20 mm、50 mm、100 mm)進行抽稀。決定系數(shù)(R2)是反映水深模型相關(guān)擬合程度的重要指標,決定系數(shù)越大,反演水深點在水深真值回歸直線附近越密集。研究發(fā)現(xiàn),斷面選點方式因水深點數(shù)量較少,模型自身擬合決定系數(shù)較高,而均勻選點方式不同分辨率下模型擬合趨勢總體一致,但擬合公式系數(shù)差別較大。兩種選點方式?jīng)Q定系數(shù)隨實測水深空間分辨率降低而減小。抽稀分辨率設(shè)置為10 mm時水深點數(shù)量顯著增加,但決定系數(shù)提高不明顯。抽稀分辨率設(shè)置為20 mm時,兩種選點方式?jīng)Q定系數(shù)差別不大。

圖4 斷面選點方案Fig.4 Section selection point scheme

圖5 均勻選點方案Fig.5 Uniform point selection scheme

因此,鑒于實驗區(qū)域?qū)崪y水深數(shù)據(jù)達到全區(qū)覆蓋,且均勻分布,本研究采用均勻選點方式,按照圖上20 mm間距抽稀后,共計選取1 837個水深點參與模型建立,將水深點展至預(yù)處理后影像檢查是否有水深點落在船舶及其尾流等反射率失真處,剔除粗差后提取各水深點處反射率并根據(jù)單波段模型和波段比值模型計算公式,逐一建立波段(波段組合)與水深實測值之間的擬合公式及其對應(yīng)的決定系數(shù),如圖6～圖11、表1所示。值得注意的是,紅外、近紅外及短波紅外因波長較長,水體穿透力較低,無法得到較為有效的擬合效果,在此不再進一步分析。

表1 水深反演模型Tab.1 Water depth derived model

圖8 海岸波段反演模型Fig.8 Coastal band derived model

圖9 雙波段(綠/海岸)對數(shù)比值反演模型Fig.9 Band ratio (green/coastal) derived model

圖10 雙波段(藍/綠)對數(shù)比值反演模型Fig.10 Band ratio (blue/green) derived model

圖11 雙波段(藍/海岸)對數(shù)比值反演模型Fig.11 Band ratio (blue/coastal) derived model

2.5 模型分析

為進一步反映出各模型與實測水深之間的線性相關(guān)程度,計算其Pearson相關(guān)系數(shù)如圖12所示,Pearson相關(guān)系數(shù)值越接近1或者-1表明兩變量線性關(guān)系越強。從圖6～圖11中可看出,不同波段(波段組合)和水深實測值所建立的水深反演模型中,相關(guān)性差異較大。單波段反演模型整體優(yōu)于雙波段對數(shù)比值模型,反映出海底底質(zhì)較為穩(wěn)定單一,查閱沿海港口航道圖可知該圖幅底質(zhì)類型為“泥”。同時,單波段反演模型相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于-0.86,表明各波段反射率與其位置處的水深值呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)性,且隨著反射率的增加水深呈減小趨勢,隨波長的增加,反射率分布的中心值變大。

圖12 各模型與實測水深間的相關(guān)系數(shù)Fig.12 Pearson correlation coefficient between models and bathymetric data

因此,根據(jù)以上評價指標,判斷出適用性最強的模型為單波段反演模型,而其中又以綠波段為最優(yōu),Pearson相關(guān)系數(shù)達到-0.93。

因此,選用綠波段建立的單波段模型對實驗區(qū)進行水深反演,選取實測點位中3處區(qū)域?qū)崪y水深作為驗證數(shù)據(jù),結(jié)果表明,驗證區(qū)域水域反演水深與水深真值散點圖(圖13)具有明顯的線性關(guān)系。

2.6 精度評定

為體現(xiàn)精度評定的科學(xué)合理性,分別對3個驗證區(qū)域反演水深與實測水深差值進行了占比統(tǒng)計,按照《海道測量規(guī)范》水深≤20 m,水深主檢比對需滿足≤0.5 m,則驗證區(qū)域1最佳可達67.10%(圖14)。

圖14 反演水深與實測水深差值占比統(tǒng)計Fig.14 Difference ratio statistics of derived water depth and measured water depth

另外,通過計算3個統(tǒng)計量對反演精度進行指標評價：均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差 (MAE)和平均相對誤差(MRE)[16],各個指標的計算式如下所示

(8)

(9)

(10)

表2 不同區(qū)域水深反演誤差評價指標值Tab.2 Evaluation index values of water depth inversion errors in different regions

由表2可知,3處驗證區(qū)域各項評價指標值均良好,其中以驗證區(qū)域1水深反演效果最優(yōu),平均絕對誤差(MAE)達0.40 m,均方根誤差(RMSE)達0.50 m,平均相對誤差(MRE)達3.1%,分析原因：(1)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)質(zhì)量高,參與模型建立的實測水深點精度高且分布均勻,模型擬合精度高;(2)實驗區(qū)地理位置距離岸邊較遠,受海水波浪及人為擾動較小,海底底質(zhì)較為穩(wěn)定單一,水質(zhì)均勻,是單波段反演模型最佳實驗區(qū)域;(3)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量高,無云層覆蓋,且與實測水深數(shù)據(jù)獲取時相近,海底地形時空變化小。驗證區(qū)域3指標最低,通過目視判讀影像可知,該區(qū)域船只往來較為密集,一定程度上增大了反射率粗差率,實驗過程中對相關(guān)驗證點粗差進行了剔除,但船舶尾流等仍會對反演精度產(chǎn)生一定影響。

3 結(jié)論

本文基于Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)及實測水深值,建立了不同波段(波段組合)情況下的單波段和波段比值模型,并選取相關(guān)性最高的綠波段單波段模型對3處驗證區(qū)域水深進行反演及精度分析,取得較好效果,為遙感影像反演淺海區(qū)自然水深提供了重要的技術(shù)支撐。通過研究分析：(1)針對底質(zhì)類型較為單一的研究區(qū)域,單波段模型反演精度優(yōu)勢明顯,整體上優(yōu)于波段比值模型,而又以綠波段為最佳;(2)高精度均勻分布的實測水深數(shù)據(jù)是提高反演模型的重要影響因素,采用均勻分布實測水深作為訓(xùn)練樣本,模型精度得到大幅度提高;(3)影像質(zhì)量對反演精度影響較大,如近岸的浪花、船舶尾流等,易造成反射率失真,進而影響反演水深精度;(4)自然水域水深反演精度平均絕對誤差(MAE)為0.40 m,平均相對誤差(MRE)為3.1%,均方根誤差(RMSE)為0.50 m,對水深反演技術(shù)在沿海港口航道圖數(shù)據(jù)獲取中的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。

值得注意的是,本實驗中影像預(yù)處理及反演模型以經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑橹?部分技術(shù)指標實驗值尚有待提高。下一步,將通過提高影像分辨率、優(yōu)化反演模型以及分析影響反演精度因素等為底質(zhì)單一區(qū)域精度的提高做好進一步研究,以獲得更為全面、精度更高的淺海水深反演結(jié)果;同時,針對底質(zhì)類型復(fù)雜區(qū)域、水下礙航物探測等方面將展開進一步研究,以不斷提升水深反演技術(shù)的應(yīng)用預(yù)期、拓展水深數(shù)據(jù)的獲取手段、促進海洋測繪技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。