海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究

1、第27卷第6期地理科学Vol.27No.62007年12月SCIENTIAGEOGRAPHICASINICADec.,2007海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究王晶晶,田庆久1,2(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(760900nm)反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711nm处反射率一阶微分值与水深的相关系数高达-0.87。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

2、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:X87文献标识码: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607,利8。Paredes提出用波段比值法消除不同海底底质反射和水体衰减系数9的影响。Spitzer基于双向流辐射传输模式提出10几种水深反演算法和底质组成算法。Ji等提出基于水体后向散射的水深反演模型,适用于深水和11水质较混浊水域。Vinodkumar等指出受悬浮物质散射作用

3、影响,IRS第4波段(770800nm)最适合作为水深反演波段。Tripathi等发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(TIF)对模型进行13校正。平仲良从海水的透射率、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14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15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。1216,提高水深遥感解译精度。高,提高了光谱分辨能力,有利于识别反射信号微弱的水体

4、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16气中,

5、又经大气被传感器接收(图1)。图1中,E0为大气圈外太阳光辐照度;ED为天空漫反射照度;T为大气透射率;RW为水体中水分子和所,T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-),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。E2mail:im2844地理科学27卷含物质反射率;RWS为水体表面反射率;RE为水体有效反射率(不包括RWS);Rb为水底反射率;LP为大气路径辐射(后向散射);LT为大气传输后目标物辐射值;Ls为传

6、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:(1)Ls=LT+Lp式中,Lp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LT:LT=(LE+Lws)T=(RE+Rws)TI(2)(3)(4)简单反射模型,波段i处传感器接收的信号表达为:(6)Li=Lsi+kirBiexp(-ifZ)式中,Li是波段i处的辐射率,Lsi是深水的辐射率;ki是一个常量,由太阳辐照度、水体和大气透过率决定;rBi是水底反射率;i是水体有效衰减系数;f是穿过水体的路径长度的几何因子;Z是水深。if)lnr(7)Z=(1/Bi-lnLi-Lsi/ki假设区域内水底均质、水质均一,水底反射率及水体衰减系

7、数为常数,定义Vi=Li-Lsi,式(7)表达为:Z=AlnVi+B(8)+EDI=E0TcosLE=f1(Lb,Lw)式中,LE是离水辐射率,Lws水体表面的辐射率。式中,Lb是水底辐射率,Lw是水体内部物质后向散射的辐射率。所以可得:LT=f2(T,Lb,Lw,Lws)(5)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2.式(5)表明,LT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Lws;(2)水体后向散射辐射能量Lw;(3)水底反射辐射能量Lb。,虽然水体衰减系数和水异,但通过两个波段比值可以在

8、一定程度上消除这种差异。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、B),即:rA1rA2=rB1rB2=c(9)8图1光波在大气和水体中传播示意图Fig.1Radiativetransferprocessoflightinairandwater根据公式(6)可以得到:Li-LsiLj-Lsj=rB1rBje-2(i-j)Z(10)水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

9、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。如果rBi/rBj为一常数,同时两波段衰减系数的差值(i-j)对不同类型的水体基本保持恒定。定义Vi=Li-Lsi,这样,用两个波段的比值模型就可以求出水深,方程如下:Z=AlnVi)+BVj(11)该方法优点是在一定程度上消除水质不均引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2模型方法2.1单波段模型单波段模型又称简

10、单衰减模型,根据Jerlov7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8456期王晶晶等: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9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Philpot单次散射SSI理论,卫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。Goodin通过试验研究认为水体的一阶微分可以消除水体的本身

11、反射对光谱的影响。微分光谱反映了反射率,表示波长处随着波长变化的速率dR()/d19的反射率曲线的倾斜度。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,敏感波段,1718图2研究区及样本位置图Fig.2Locationoftestareaandsamplingpoints源,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1m左右,测量方向垂直于水面。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

12、线进行平均,、本研究获得野外20个水样的光谱曲线以及对应的水深值(图3)。111号水体样本的光谱曲线在580nm处有一个明显的反射峰,第二反射峰在810nm左右,反射率低于7%。1220号水体样本光谱曲线在600700nm表现为一个较平坦的反射峰,810nm附近第二反射峰大于10%。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4001000nm的波长范围都比1号样点高,尤其在650850nm红光和近红外波段。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

13、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4001000nm反射率和水深进行相关分析求取相关系数(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760900nm近红外波段,相关系数的最大值位于830nm(R=-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TM遥感器的波段设置进行平33.1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

14、下地形复杂且水深变化迅速(图2)。本次研究野外设置20个采样点,位置分布于120°55121°E、33°33°10N间。江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20,21含沙量高,反之则低。111号样本,离岸线较远,水深较大,含沙量偏低,海水混浊度较小;1220号样本靠近岸线,水深较浅,含沙量偏高,海水的混浊度较大。3.2数据采集2005年10月2327日进行了野外水深与光谱的采集工作。水深测量采用HD-16数字化回声测深仪,测深范围为0.3120m,测深的精度为±2cm+0.1%。在水深数据采集的同时,利用光谱仪进行

15、水体表面的光谱采集。光谱测量采用美国ASD公司的FieldSpecProFR光谱仪,波长范围:3502500nm;波长精度:±1nm;光谱分辨率3501050nm为3.5nm,10002500nm为10nm;视场角为25°。测量在船上进行,利用太阳光846地理科学27卷(12)i+1-i-1式中,i,i+1,i,i-1为相邻的波长,R(i)为波长i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4001000nm波段范围内,反射光谱R(i)=R(i-1)-R(i-1)120号水样的水深值(单位m)。1:8.93;2:1.19;3:13.41;4:15.

16、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;17:4.79;18:4.24;19:3.53;20:3.01一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711nm,相关系数达到-0.87。以711nm波段处反射率的一阶微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。图3不同水深水体的反射率光谱曲线图Fig.3Reflectivespectraofdifferen

17、twaterdepth图5反射率一阶微分和反射率与水深相关关系比较Fig.5Correlativecoefficients(R)betweenreflectanceanddepthandbetweenfirstderivativeanddepth图4水深和各波段反射率的相关系数图Fig.4Correlativecoefficients(R)betweenwaterdepthandspectralreflectance表1以TM4(760900nm)反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1220号样本反演误差较大,平均相对误差45%。以TM4/TM1反射率比值

18、作为因子建立的波段比值模型,20个样本的平均相对误差25%;1220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711nm波段处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%;1220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1220号水样。均,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TM4波段反射率与水深的相关关系最好,相关系数为-0.73。以TM4波段反射率依据公式(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T

19、M波段设置的可见光和近红外6个波段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TM4/TM1比值对水深最敏感,相关系数为-0.81。以TM4/TM1比值作为因子,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,ASD光谱仪采集的是离散的数据,一阶微分的计算公式如下: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8476期王晶晶等:海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究表1三种水深

20、反演模型结果和精度比较Table1Comparisonofaccuracyofthreeretrievalmodels3张明祥,董瑜.双台河口自然保护区濒海湿地景观变化及其管理对策研究J.地理科学,2002,22(1):119122.4陈君,冯卫兵,张忍顺.苏北岸外条子泥沙洲潮沟系统的模型类别单波段波段比值光谱微分样本分段111122011112201111220平均绝对误差(m)平均相对误差25%45%23%31%20%17%稳定性研究J.地理科学,2004,24(1):94100.5刘永学,张忍顺,李满春.应用卫星影像系列海图叠合法分析沙洲动态变化以江苏东沙为例J.地理科学,2004,24

21、(1):199203.6欧维新,杨桂山,李恒鹏,等.苏北盐城海岸带景观格局时空变化及驱动力分析J.地理科学,2004,24(5):610615.7JerlovNG.MarineOpticsM.Amsterdam:ElsevierScientific,1976.8ParedesJM,SperoRE.Waterdepthmappingfrompassivere2motesensingdataunderageneralizedratioassumptionJ.Ap2pliedOptics,1983,22(8):1134-1135.9SpitzerD,DirksRWJ.Bottominfluenceo

22、nthereflectanceoftheseaJ.InternationalJournalofRemoteSensing,1987,8(3):279-290.10JiW,DL,KennardWC.bathymetry:AmforJEngineering:-mappinginRupnarayan-confluenceusingIndiaremotesensingsatellitesataJ.InternationalJournalofRemoteSensing,1997,18(11):2269-2270.12TripathiNK,RAOAM.BathymetricmappinginKakinad

23、aBay,India,usingRS-1DLISS-IIIdataJ.InternationalJournalofRemoteSensing,2002,23(6):1013-1025.13平仲良.可见光遥感测深的数学模型J.海洋与湖沼,1982,13(3):225229.14李铁芳,易建春,厉银喜,等.浅海水下地形地貌遥感信息提前提条件的限制,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TM4波段的

24、反射率与水深的相关性为-0.73。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,率高,对于近岸水深浅、混浊度较大的1220号样本反演误差较大,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TM4和TM1两个波段反射率比值与水深的相关系数可以达到-0.81;1220号样本反演精度得到提高,所有样本的平均相对误差为31%。与光谱反射率相比,不同水深的反射率一阶微分值间的差异减小,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。711nm处反射率的一阶微分值和水深的相关性高达-0.87,以之建立的线性模型效果最好,1220号样

25、本平均相对误差为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。随着高空间、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。取与应用J.环境遥感,1991,6(1):2229.15张鹰.水深遥感方法研究J.河海大学学报,1998,26(6):6872.16BierwirthPN,LeeTJ,BurneRV.Shallowsea-floorreflec2tanceandwaterdepthderivedbyunmixingmultispectralimageryJ.PhotogrammetricEngineeringandRemoteSensing,1993,59(3):331-338.17浦瑞良,宫鹏.高光谱遥感及其应用M.北京:高等教育出版社,2000.dedsolids