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海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究563217316

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海岸 浅海 水深 光谱 遥感 反演 方法 研究 563217316
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第27卷第6期 2007年1 2月 地理科学 7 2 0 0 7 海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究 王晶晶 ,田庆久 , (1.南京大学国际地球系统科学研究所,江苏南京210093; 2.中国科学院中国遥感卫星地面站重点实验室,北京100086) 摘要:近红外波段(760—900 射率对水深最为敏感,通过波段比值方法可以提高与水深的相关性,而711 7。对于近岸混浊度高的样本,单波段和比值模型反演效 果不好,平均相对误差均高于30%;而光谱微分模型的精度较好,平均相对误差为17%。研究结果证明:水体反 射率的一阶微分可以有效地削弱水质变化给水深反演带来的误差。 关键词:遥感;水深;海岸带;微分光谱 中图分类号:献标识码:A 文章编号:1000—0690(2007)06~0843—06 海岸带水深量测是海岸带科学研究的基础与 依据,遥感在海岸带地形变化动态监测、土地利用 等方面已取得一定的研究成果 “ 。 从20世纪60年代末开始,国外学者在水深遥 感研究方面做了不少探索。假设研究区 海底底质反射一致及水体衰减系数相同前提下,利 用单波段模型进行水深反演。出用波 段比值法消除不同海底底质反射和水体衰减系数 的影响。于双向流辐射传输模式提出 几种水深反演算法和底质组成算法。提出 基于水体后向散射的水深反演模型,适用于深水和 水质较混浊水域。指出受悬浮物 质散射作用影响,70~800 适合作为水深反演波段。现距离 河口远近不同引起的水体混浊度变化带来反演水 深的误差,引入混浊度影响因子(模型进行 校正。平仲良海水的透射率、后向散射系数、 海底反射率与海面反射率间关系,推导遥感浅海水 深的理论公式。李铁芳¨ 研究表明水体衰减系数 越大水深分辨率越大,长波段的衰减系数比短波段 大,水体中含沙量增加也会导致衰减系数增加,提 高水深分辨率。张鹰¨ 等针对影响水深反演因素 提出“水深综合影响因子”概念,利用研究成果进 行水下地形和冲淤变化分析。 由于水体的光学特性十分复杂,加之影响遥感 反演水深的因素很多,还没有统一的定量模式或可 靠的模型参数。目前水深遥感研究的重点是去除 或削弱环境因素影响,提高水深遥感解译精度。高 光谱传感器的出现,提高了光谱分辨能力,有利于 识别反射信号微弱的水体信息。地物光谱仪作为 实验室与卫星图象的桥梁,在遥感领域得以应用。 本文利用地物光谱仪测量水体反射率,研究水深遥 感定量反演的方法,比较单波段模型,波段比值模 型以及微分模型在试验区反演的结果和精度。 1理论基础 目前国内外利用遥感测量浅海水深的原理主 要是利用太阳光在水体内部的穿透能力,通过遥感 器采集水下一定深度范围内信息,再通过信息处理 方法分离出水体厚度信息。光波穿透大气后到达 水体表面,其中一部分能量在水气交界面处产生反 射,返回大气中,其中绝大部分能量经水面折射进 入水体,由于水体的吸收和散射,光波在传播过程 中不断衰减,同时一部分散射光将被反射空气中, 很少一部分光到达水底,被水底反射后也将返到空 气中,又经大气被传感器接收(图1) 引。图1中, 为天空漫反射照 度; , 为水体中水分子和所 收稿日期:2006—10—09;修订日期:2007—04—20 基金项目:江苏省地质调查研究院委托项目“江苏海岸水下地形多尺度遥感成图关键技术研究”资助。 作者简介:王晶晶(1981一),女,江苏扬州人,博士研究生,主要从事海岸带遥感信息提取、高光谱定量遥感研究与应用。E—63.普资讯 ; 为水体表面反射率;R 为水体 有效反射率(不包括 ); 为水底反射率; 为 大气路径辐射(后向散射);L 为大气传输后目标 物辐射值; 为传感器接收到的辐射值。传感器 接收到的光辐射能量可表示成: L。=(1) 式中, 可以通过大气校正消除,传感器上反映的 水深信息主要来自 : L :( E+ ) =( E+ ) , (2) ,=E0 D (3) 式中, 是离水辐射率, 水体表面的辐射率。 L = (厶, ) (4) 式中,厶是水底辐射率, 是水体内部物质后向散 射的辐射率。所以可得: L :厂2( ,厶, , ) (5) 式(5)表明, 主要包含水体中三种信息:(1)水 体表面直接反射的辐射能量L ;(2)水体后向散 射辐射能量L ;(3)水底反射辐射能量厶。 图1 光波在大气和水体中传播示意图 体表面直接反射的光信息量与水体表面状 况有关,与水深无关。水体清澈且浅,不考虑大气 作用,传感器接收的光信息量主要与水深、波长衰 减系数及水体反射率有关。如水体中含有悬浮物 质或其他可以散射光信号的物质,传感器接收到的 信号与这些物质浓度及前面分析的其他因素有关。 本文基于光辐射在水体中的传输过程和衰减 特性,针对试验区水体情况进行假设分析,比较单 波段、波段比值及微分模型反演江苏海岸带浅海水 深的精度。 2模型方法 2.1单波段模型 单波段模型又称简单衰减模型,根据j 简单反射模型,波段: f+Jj} (6) 式中,厶是波段是深水的辐射率; k 是一个常量,由太阳辐照度、水体和大气透过率 决定; 是水底反射率; 是水体有效衰减系数;厂 是穿过水体的路径长度的几何因子;Z=(1/{i一 f/ ]} (7) 假设区域内水底均质、水质均一,水底反射率及水 体衰减系数为常数,定义△ =,式(7)表达 为: Z=+日 (8) 该方程可通过简单回归分析求得方程系数 解,得到水深简单的衰减方程式。实际情况中难有 这样的条件,因而单波段反演水深方法在水质及水 底变化大区域会有较大误差。 2.2波段比值模型 波段比值模型是在单波段模型基础上发展起 来的另一模型。研究表明,虽然水体衰减系数和水 底反射率值随水体类型和底质种类不同有很大差 异,但通过两个波段比值可以在一定程度上消除这 种差异 J。假设存在两个波段,对不同底质类型, 这两个波段各种底质反射率比值不变(底质类型 A、日……),即: : :…:。 (9) r^2 据公式(6)可以得到: :Kj)z (10) r r 、一一, 《 r 果rs/时两波段衰减系数的差值 ( 一K )对不同类型的水体基本保持恒定。定义 △ =L 一 这样,用两个波段的比值模型就可 以求出水深,方程如下: ^ Z:)+日 (11) 厶y』 该方法优点是在一定程度上消除水质不均弓l 起的水体衰减系数不同和由于水底底质差异引起 的水底反射率不同的影响。但是,如果底质组成和 水质相差很大,很难找到一对同时满足两个假设条 件的波长。 2.3光谱微分模型 单波段和波段比值模型主要基于底质反射模 型的光信号衰减规律,适用于水体混浊度小的海 维普资讯 :海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究 域。在水体混浊度高的海域,传感器接受到的信号 主要来自于水体内部悬浮物质散射的光信号 , 在这种情况下,根据 星传感器接收到的信号随着水深的增加而增大。 因此,对于水体混浊度变化较大的海域,采用单波 段和波段比值方法会带来比较大的误差。 光谱微分技术是高光谱遥感中一种常用的技 术手段,它可以用来去除部分线性或接近线性的背 景、噪声光谱对目标光谱的影响 17]。通 过试验研究认为水体的一阶微分可以消除水体的 本身反射对光谱的影响。微分光谱反映了反射率 随着波长变化的速率[)/表示波长反射率曲线的倾斜度¨引。水体的底质反射信号 以及水体中后向散射信号,随着水深的变化在可见 光及近红外波段的变化不是简单的线性变化。一 方面通过光谱微分技术可以去除线性背景信号的 影响,另一方面以反射率随着波长变化速率的微分 光谱来反映水深变化,利用高光谱数据探求水深的 敏感波段,减小混浊度变化带来的影响。 3试验方法与数据获取 3.1试验区 试验区位于江苏盐城海域,处于南黄海辐射沙 脊群区域。研究海域由出露海面以上的沙洲、隐伏 于海面之下的沙脊,以及沙脊之间的潮流深槽组 成,水下地形复杂且水深变化迅速(图2)。本次研 究野外设置2置分布于120。55 ~ 121。E、33。~33。10 苏沿海海水含沙量近 岸高,向海逐渐降低;在水深较浅、地形复杂的海域 含沙量高,反之则低[200¨。1~11号样本,离岸线 较远,水深较大,含沙量偏低,海水混浊度较小; 12~2深较浅,含沙量偏高, 海水的混浊度较大。 3.2数据采集 2005年7日进行了野外水深与光 谱的采集工作。水深测量采用测深仪,测深范围为0.3~120 m,测深的精度为 ±2 .I%。在水深数据采集的同时,利用光 谱仪进行水体表面的光谱采集。光谱测量采用美 国长范 围:350~2 500 长精度:±1 谱分辨率 350~1 050 n/n,1 000~2 500 场角为25。。测量在船上进行,利用太阳光 图2研究区及样本位置图 of a『ea ,光谱仪探头伸出船体一定距离,避免受到船舶 自身阴影影响。探头距离水面1 量方向 垂直于水面。每个样点采集5条光谱曲线,去除异 常曲线和异常样点,将每个样点的曲线进行平均, 减少了由于波浪、太阳耀斑等对测量影响而产生的 误差。 4结果与分析 本研究获得野外2的水深值(图3)。1~11号水体样本的光谱曲 线在580 二反射峰 在810 射率低于7%。12~20号水体 样本光谱曲线在600~700 反射峰,810 比 较1和13号水样光谱曲线,这两个样点对应的水 深差不多,但水体光谱反射率曲线差别很大。13 号样点的反射率在400~1 000 1号样点高,尤其在650~850 段。13号样本离岸近,水体的混浊度大,悬浮物 质的散射作用较之1号样本强烈。由前面分析可 以推断,试验区海水的反射率中,水体内部的散射 一定程度上占有重要的地位,水体的混浊度变化较 大,各样本处水体内部散射能量不一致。 为了研究单波段的反射率能否来估算水深,对 400~1 000 系数(R)(图4)。反射率和水深主要呈现负相 关的趋势,符合水体的出射辐射率随着水深增大衰 减的一般规律。其中相关系性最好的位于760~ 900 关系数的最大值位于830 =一0.74)。 为了和卫星遥感数据对照,使模型更具普遍意 义,将反射率按照普资讯 $00 600 700 800 9000 波长(m) 1~20号水样的水深值(单位m)。1:8.93;2: 1.19;3:13.41;4:15.1;5:19.43;6:21.53;7: 22.67;8:17.63;9:19.55;10:14.74;11:9.88; 12:10.2;13:8.99;14:7.52;15:6.37;16:5.32; .79;18:4.24;19:3.53;20:3.0l 图3不同水深水体的反射率光谱曲线图 of 幡 :}}< 图4水深和各波段反射率的相关系数图 ),分别计算可见光近红外6个波段的反射率和水 深的相关关系,其中对应相关关系最好,相关系数为一0.73。以反射率依据公式(8),基于最小二乘法建立水深 单波段模型。 波段比值可以在一定程度消除背景的影响,分 别将按照的反射率分别进行比值运算,然后与水深进行相 关分析。结果显示相关系数为一0.81。以根据公式(11),基于最小二乘法建立水深波段比 值模型。 对20个水样光谱反射率进行平滑处理后,分 别计算各样本一阶微分值,"散的数据,一阶微分的计算公式如下: R( ! (12) A +1一A 一 式中,A,,A…,A ,A 为相邻的波长,R(A )为波长 A 反射光谱的一阶微分。 对20个水样反射率一阶微分值和水深进行相 关分析。在400~1 000 射光谱 一阶微分和水深的线性相关系数绝大多数比光谱 反射率与水深相关系数大(图5)。反射率的一阶 微分和水深的相关系数最大值位于711 关 系数达到一0.87。以711 分作为自变量反演水深,根据最小二乘法建立水 深线性反演模型。 分 . ● 图5反射率一阶微分和反射率与 水深相关关系比较 )1以60~900 射率建立的单 波段对数模型,20个样本的平均相对误差是30%, 其中离岸近的12~20号样本反演误差较大,平均 相对误差45%。以建立的波段比值模型,20个样本的平均相对误 差25%;12~20号样本的反演精度比单波段模型 有较大提高,平均相对误差31%。以711 反射率的一阶微分作为自变量反演水深,反演精 度最好,20个样本平均相对误差为19%;12~20 号样本平均相对误差是17%。光谱微分模型反演 精度比单波段、波段比值模型高,特别是近岸水深 浅、混浊度较大的12~20号水样。 5结论与讨论 近岸海水的出射辐射率来自于水体表面直接 反射的辐射能量,水体的后向散射辐射能量及水底 反射辐射能量。研究结论证明:针对水深遥感反演 的单波段模型、波段比值模型,其应用受到一定的 ∞ :2 5 O 一。一并操 L 0吨吨吨吨 幡 罂 维普资讯 :海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究 847 表1三种水深反演模型结果和精度比较 of of 提条件的限制,在底质组成以及水质状况差别较 大的海域反演精度受到影响。光谱微分模型可以 消除线性背景信号的影响,同时消除部分由于水质 不均匀,特别是悬浮泥沙后向散射能量在试验区海 域空间分布不均匀带来的误差。试验区海域,水深 与水体反射率在近红外波段相关性最好,对应 3。可 见光水深遥感的水深分辨率取决于水体的衰减系 数,衰减系数越大,衰减越快,水深分辨率越大。长 波段对水体的衰减系数大,因而对水深变化的分辨 率高,携带的水深的信息量更大些¨ 。 以近红外波段建立的的单波段模型,对于近岸 水深浅、混浊度较大的,平均相对误差45%。通过两个波段反射率比 值,可以提高与水深的相关性,对应个波段反射率比值与水深的相关系数可以达到 一0.81;12~20号样本反演精度得到提高,所有样 本的平均相对误差为3l%。与光谱反射率相比, 不同水深的反射率一阶微分值问的差异减小,并且 反射率一阶微分值与水深的相关性在整个可见光 和近红外波段基本都增大。711 微分值和水深的相关性高达一0.87,以之建立的 线性模型效果最好,17%,所有样本平均相对误差为19%。 本文的研究,为航天、航空高光谱传感器在这 方面应用奠定了研究基础。随着高空问、高光谱、 高辐射分辨率遥感技术的发展,浅海水深和水下地 形遥感探测技术方法和应用将不断深入开展。 参考文献: [2] 赵庚星,张万清,李玉环,等.蚀动态研究[J].地理科学,1999,19(5):442~445. 黄家柱.遥感与地理信息系统技术在长江下游江岸稳定性 评价中的应用[J].地理科学,1999,19(6):521~524. 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