基于WorldView-2数据的西沙群岛遥感水深反演——以赵述岛和南岛为例

李丽

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083； 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)



基于WorldView-2数据的西沙群岛遥感水深反演
——以赵述岛和南岛为例

李丽1，2

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083； 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

利用WorldView-2卫星数据，对西沙群岛的赵述岛和南岛开展了水深反演。以赵述岛为实验区，分析水深与各波段及波段组合的相关性，将水深相关性最大的海岸波段与绿光波段组合作为水深反演因子，建立多种回归拟合模型； 将反演结果与实测水深误差对比，确定最佳拟合方式； 最后，将该模型应用到南岛，反演其水深等值线图，并将其与南岛实测水深点相较。结果表明，南岛整体水深反演均方根误差在1.25 m以内。

水深遥感； 西沙群岛； 赵述岛； 相关分析； 回归拟合

0 引言

近年来，我国南海海域的一些周边国家在少数别有用心局外国家的挑拨和鼓动下，不仅蚕食和强占我国岛屿和海域，而且频频阻挠和骚扰我国正常的生产与科研活动，使南海局势更加动荡不安。但是这一切并不能动摇我国政府和全国人民捍卫领海主权的严正立场，也阻挡不了我们在领海内开展各项生产和科学调查，例如进行浅海水深测量，更新国土测绘数据等。随着海洋卫星遥感技术的不断发展，利用高分辨率卫星影像数据反演浅海水深，获取水下地形信息，可以发挥遥感快速、大范围、准同步等特长[1]，为海洋测量信息的获取提供一种新途径。采用浅海多光谱遥感水深反演技术可获得浅海水域的最新水深信息，适用于面积性浅海海域水下地形测量，也适用于进行大范围近海海域海图的快速制作与更新。

遥感水深探测的物理基础是电磁波具有一定穿透水体的能力，波长越短，穿透力越强。在不同波长的电磁波中，可见光波段具有最大的大气透过率和最小的水体衰减系数，对清澈水体的穿透深度最大，大气条件较好时，能够探测水深在30 m以内的水体[2]，受已有卫星数据所限，可见光中的蓝光和绿光波段是水深遥感测量中的主要波段。自2009年WorldView-2卫星发射成功后，利用其黄、蓝、绿和红波段组合进行水深反演可以比蓝绿光组合提高水深探测精度[3]。水深探测还受到水中悬浮物和水底介质的影响，结合悬浮泥沙光谱特性,把“泥沙因子”引入到水体遥感测深反演模型中,可以提高水深反演精度[4]，而利用波段比值方法可以在一定程度上消除不同海底介质反射及水体衰减系数的影响[5]。

迄今,利用具有强穿透能力的海岸波段开展水深研究工作在西沙群岛还没有展开过。本文利用WorldView-2卫星海岸波段，采用波段组合方法，对西沙群岛这种水质极其清澈海域，开展遥感水深探测方法研究，填补了这一空白。

1 水深遥感原理

太阳辐射在经过大气的吸收、反射和散射等作用后到达水体表面，一部分能量在水-气界面被反射回大气中，大部分能量经水面折射进入水体。受水体对光的吸收和散射作用的影响，当光波进入水体后其传播的能量会不断衰减。一部分光由于受到水体内分子的影响发生散射作用而离开水体返回大气； 只有较少的光到达水底被反射后又穿过水体和大气被卫星传感器接收。电磁波与水体的相互作用图见图1。

图1 电磁波与水体的相互作用图

由图1可知，传感器接收的光由水面反射光、水中光或称离水反射辐射(包括水中散射光的向上部分和浅海条件下的底部反射光)以及天空散射光3部分组成。前2部分包含有水的信息，可以通过遥感手段探测水中光和水面反射光，以获得水色、水温、水深、水面形态等信息； 第3部分可以通过大气校正等图像处理方法去除其影响。

综上，遥感探测水深主要受波段穿透性的强弱、水体悬浮物的浓度、底质反射率及大气等条件影响。本次水深研究工作区是西沙群岛，水体属大洋水，水中悬浮物、泥沙及浮游植物等含量很少，水质清澈，可达一级水质，基本不用考虑水体悬浮物的影响。西沙群岛浅海底质主要为珊瑚砂、活体珊瑚和珊瑚礁3种，可利用波段比值法在一定程度上消除底质差异引起的底部反射率不同的影响。另外，需选用包含强穿透性的波段，影像清晰少云的卫星数据。

2 研究区概况及数据处理

本次工作实验区有2个，一个是七连屿北部的赵述岛，另外一个是南岛。本次研究所用数据包括遥感影像数据和实测水深数据。遥感影像选用2013年6月10日上午10: 30左右过境拍摄的WorldView-2卫星数据。遥感数据处理主要是辐射校正与几何纠正。

2.1 赵述岛概况及数据处理

赵述岛是西沙宣德群岛七连屿中的一岛，坐落在七连屿礁盘上，属于珊瑚礁岛，距离三沙市政府所在地永兴岛8 海里，中心坐标为N16°58′，E112°16′。该岛呈琵琶状，椭圆形连一条170 m长的沙嘴，岛长600 m，宽300 m，沿NE-SW方向延长，面积约为0.2 km2，海拔4.4 m，东、北、南3面发育了海滩岩，四周有沙堤包绕。赵述岛浅海区水深变化较大，最深在30 m左右，平均水深约8.2 m，近岸水深一般在1～2 m之间,研究区位置如图2所示。

图2 赵述岛地理位置示意图

为降低和避免潮汐影响，水深实测时间和遥感影像拍摄时间尽量保持一致。中国国土资源航空物探遥感中心三沙项目组于2013年6月11日上午8∶30—10∶30间，环绕赵述岛，以2 m为间隔，共采集水深点2 150个。

根据国家海洋局海口海洋环境监测中心提供的西沙海洋站潮位统计数据，数据采集当日潮汐为不正规半日混合潮。根据当日潮汐数据对实测水深进行潮汐校正。当天海况很好，风浪高在0.5～1.5 m之间，海岛附近受礁盘缓冲影响，测区风浪更小，约在0.5 m之内。对相邻3个测点求平均，获得该点水深值。再利用粗差对比法进行水深异常点的去除，剔除异常点后剩余1 652个点。利用ArcGIS软件对实测水深数据进行处理和分析，运用克里金插值和样条插值方法进行插值加密，生成水深等值线图。赵述岛实测水深点布置与遥感影像叠加见图3，水深等值线图见图4。

图3 赵述岛实测水深点与遥感影像图

图4 赵述岛水深等值线图

2.2 南岛概况及数据处理

南岛遥感影像图和实测水深点布置如图5所示。

图5 南岛遥感影像图及水深点分布

南岛位与七连屿中部，在赵述岛东南约1.5海里处，岛呈长条形，西北向东南长约1 200 m，最宽处约260 m，面积约为0.17 km2。岛上四周有沙堤包围，堤高4～5 m。岛周围分布大范围浅水礁盘，近岸水深在为1～2 m之间。

南岛实测水深数据是三沙项目组在2013年6月10日10∶00—12∶00区间，环绕南岛以2 m为间隔采集的水深点，共3 453个点, 根据国家海洋局海口海洋环境监测中心提供的西沙海洋站潮位统计数据，该日潮汐亦为不正规半日混合潮。根据当日潮汐数据，水深采样时段为该岛落潮时段。经潮汐校正、粗差剔除后，参与水深反演的共3 262个点。根据南岛实测水深经样条差值生成水深等值线图如图6所示。

图6 南岛实测水深等值线图

3 技术流程

本文技术流程如图7所示。

图7 技术流程示意图

由图7可知，水深遥感建模主要包括数据处理、水深反演因子确定、水深反演模型构建及精度评价4个部分。数据处理包括遥感影像数据预处理(对遥感影像进行辐射定标、大气校正和几何纠正)和实测数据处理(对实测水深数据进行潮汐校正和粗差剔除)。利用WorldView-2卫星穿透能力强的海岸波段、蓝光、黄光及绿光波段，与实测水深点建立相关关系，选用相关性最强的波段组合。确定水深反演因子，利用回归拟合法进行水深建模，并对所建水深模型进行误差分析和精度评价，最终选定反演精度最高回归拟合模型，将其作为工作区的水深反演模型。

3.1 水深因子确定

本文选用WorldView-2数据的海岸(B1)、蓝(B2)、绿(B3)、黄(B4)、红(B5)共5个穿透性高的波段，做水深相关性分析，确定最优水深反演因子。利用Matlab程序对赵述岛近海水域的1 652个实测点水深值与遥感影像的B1，B2，B3，B4，B5及其组合做水深相关性计算，得到相关系数结果见表1。由表1可知，B1/B3(即海岸波段/ 绿波段)与实际水深的相关性最高，因此选用B1/B3作为水深反演因子，用于后续建模。

表1 波段反射率值与实测水深的相关系数

3.2 水深反演模型构建

赵述岛近海岸实验区实测水深点值共1 652个点，随机选取1 352个点作为实验建模数据(其余300个实测点用作该区水深反演精度检验)。基于B1/B3因子，利用最小二乘法回归拟合，得到二次多项式函数、指数函数、幂函数拟合模型,结果见表2，模型拟合曲线见图8。由图8和表2可知，二次多项式和幂函数拟合效果都比较理想，其中二次多项拟合效果最好，故选用二次多项式函数作为水深反演模型。

表2 各模型反演水深回归拟合公式

图8 B1/B3波段与实测水深拟合图

4 水深反演结果及精度评价

4.1 赵述岛水深反演

根据二次多项式反演公式，利用ENVI软件进行波段运算，得到水深反演灰度值图，再对其进行密度分割，得到赵述岛水深反演结果图(图9)。

图9 赵述岛水深反演图

由图9对比图4可知，礁盘大部分区域水深在1～2 m之间，水深反演趋势与水深等值线分布趋势基本一致。利用WorldView-2卫星双波段比值二次多项式拟合能较好地反演出西沙赵述岛近海水深，整体结果比较稳定。

4.2 南岛水深反演

根据赵述岛水深反演模型计算得到南岛水深反演等值线图(图10)。由图6和图10对比可知，南岛整体水深反演趋势与实测水深等值线图保持一致，以南岛、中岛为中心，等值线长轴在岛两侧呈NW-SE方向展布。岛东北部浅水礁盘面较大。岛周围大面积礁盘水深在3 m以内，水深线较为稀疏，离岛越远，水深值越大，水深线越密集。

图10 南岛水深反演图

4.3 精度评价

利用未参与模型参数计算的300个实测水深点进行赵述岛水深反演模型精度检验,利用粗差剔出后的3 262个实测水深点进行南岛水深反演模型精度验证。将实测值作为真值，计算反演结果与实测值的均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE) 以及平均相对误差(MRE)3个参量进行评估，两岛精度验证结果见表3。

表3 赵述岛和南岛水深误差检验

按赵述岛礁盘可开发程度将其周围海域分为[0，5) m,[5,10) m,[10,15) m及[15,30] m共4个区段，不同水深段反演误差如表4所示。

表4 赵述岛水深误差检验表

由上表可知，[0,5) m内均方根误差为0.439 m，水深反演精度最高。随着水深的增加，太阳光辐射能量递减，反演误差总体上是逐步增加的。表4中，5 m内浅水区由于水深采样点密集，相较于深水区，反射的能量也较多，所以反演精度最高； 5 m以上区域，随着水深的增加，误差越来越大； [5,10) m内误差最大，该区段水深段采样点最少，是造成该水深段误差最大的主要原因。

5 结论

本文利用WorldView-2卫星多光谱数据的海岸波段和绿波段，对西沙群岛之赵述岛和南岛进行了水深反演，得到如下结论：

1)海岸波段的应用可以很好地提高水深反演精度。整体水深反演均方根误差在1.25 m左右，平均相对误差是0.26 m。

2)相较与单个海岸波段，海岸波段与绿光波段比值是WorldView-2卫星最佳水深提取因子。

3)水深反演拟合中，效果较好的拟合方式有二次多项式、幂函数和指数函数拟合3种。其中二次多项式拟合反演效果最佳，更适用于西沙群岛珊瑚礁底质近海岸水深反演。

4)经分段水深反演精度分析可知，随着水深的增加，太阳光辐射能量递减，反演误差总体上逐步增加。其中，5 m以浅区域精度最高，误差约在0.6 m以内，[5，10) m区反演精度最差，误差约为1.2 m。

5)对于西沙群岛这种清澈水体，选用WorldView-2卫星数据可以很好地开展面积性的近海水深反演工作。

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(责任编辑： 李瑜)

Remote sensing bathymetric inversion for the Xisha Islands based on WorldView-2 data: A case study of Zhaoshu Island and South Island

LI Li1,2

(1.SchoolofEarthSciencesandResources，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China； 2.ChinaAeroGeophysicalandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China)

Taking the WorldView-2 satellite data as sources, the author carried out depth study in the Xisha Islands, with the Zhaoshu Island and the South Island as test areas. The author first analyzed the correlation between the measured water depth and each band and then chose the most relevant band and band combination. It is shown that the coast band with green band ratio is the ideal combination for water depth extraction. Based on varying regression fitting analysis, the author determined the best fitting way that could achieve the best fitting precision in comparison with the real survey depth. At last, the model was used to conduct depth inversion of the South Island, and it is shown that water depth inversion root mean square error is less than 1.5 m, and the biggest relative error is within 0.26 m.

bathymetry remote sensing; the Xisha Islands; Zhaoshu Island; correlation analysis; regression fitting

10.6046/gtzyyg.2016.04.26

李丽.基于WorldView-2数据的西沙群岛遥感水深反演——以赵述岛和南岛为例[J].国土资源遥感,2016,28(4):170-175.(LI L.Remote sensing bathymetric inversion for the Xisha Islands based on WorldView-2 data:A case study of Zhaoshu Island and South Island[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(4):170-175.)

2015-10-26；

2015-11-26

中国地质调查局地质调查项目“三沙市岛礁遥感综合调查与监测”(编号： 12120113003200)资助。

TP 79

A

1001-070X(2016)04-0170-06

李丽(1982-)，女，硕士，高级工程师，主要从事遥感技术应用方面的研究。