HJ-1 CCD数据在海岛面积监测中的应用

2016-12-28孟艳静项青霞

地理空间信息 2016年12期

关键词：浅滩潮汐海岛

龙强，王畅，孟艳静，王锋,2，项青霞

（1.唐山市曹妃甸工业区气象局，河北唐山 063015；2.唐山市气象局，河北唐山 063000）

HJ-1 CCD数据在海岛面积监测中的应用

龙强1，王畅1，孟艳静1，王锋1,2，项青霞1

（1.唐山市曹妃甸工业区气象局，河北唐山 063015；2.唐山市气象局，河北唐山 063000）

针对一些海岛面积受潮汐、海流影响较大的情况，提出了利用环境减灾卫星HJ-1的CCD数据进行海岛面积监测，并以唐山曹妃甸龙岛监测作为实验，计算了其潮汐条件下的最大、最小面积，分析了过去5 a中该岛的面积变化。实验结果表明，环境减灾卫星数据对于海岛测绘尤其是跟踪监测的效果良好。

HJ-1 CCD数据；潮汐；海岛；遥感监测

海岛独特的地理位置决定了其面积的卫星遥感监测存在一些特别之处，特别是具有大面积浅滩的小岛，在高潮和低潮条件下海岛的水上面积差异较大，测绘海岛在潮汐条件下的最大、最小面积对于岛屿的开发建设具有重要的意义。然而，岛屿的地面测绘对人力、物力、财力有着较高要求，而且潮高的变化还会影响测绘结果的准确度。

环境减灾卫星是多星组网模式，具备覆盖周期短、数据丰富、分辨率高、成本低的特点，在诸多方面的应用显示了其独特的优势，除例行的山火、焚烧等监测任务外[1-2]，在地面道路交通信息提取、湖泊信息提取、植被和农作物面积遥感以及气象灾害监测上都起到了很大作用[3-7]。相比其他资源卫星，具有成本低、易获取的优势。在土地测绘上，一些学者进行了大量的实验分析[8-9]，且获得了较为满意的结果，但对于受潮汐条件影响颇大的海岛监测研究较少。笔者分析了海岛监测所存在的问题和环境减灾卫星所具备的优势，提出了利用环境减灾卫星进行海岛监测的完整思路，并利用实例进行了验证，结果表明，环境减灾卫星对于受潮汐影响颇大的海岛监测效果良好。

1 HJ-1 CCD数据简介及海岛监测的特殊性分析

1.1 HJ-1影像数据简介

环境减灾卫星星座是由多卫星、多传感器组成的遥感卫星星座系统，目前已建成由两颗光学星（HJ-1A/ B）和一颗雷达星（HJ-1C）组成的“2+1”星座，A、B星于2008年9月在太原卫星发射中心采用一箭双星方式发射成功，随后顺利通过在轨测试并投入使用，C星也于2012-11-19发射成功。

A、B星均搭载了2台多光谱CCD相机，并分别有一台超光谱成像仪和红外相机，能够探测近/短波、中波、长波和红外谱段。本项目实验主要利用了CCD多光谱数据。采用多颗卫星组网飞行模式，每2 d即可实现一次全球覆盖，数据丰富是环境减灾卫星的一大优势。 HJ-1 CCD数据的星下点分辨率为30 m，相对于Modis等中分数据，分辨率有了很大提升；幅宽711 km，同星、两星CCD数据可实现理想镶嵌，为大面积监测提供了前提；CCD多光谱数据通道1为蓝波段，通道2为绿波段，这两个波段多用于区分林型、树种等方面，通道3为红波段，多用于道路等信息的提取，通道4为近红外波段，水体吸收程度最大，主要用于跨水桥段、人工堤坝等信息的提取。

1.2 海岛监测的特殊性

影响海岛测绘的最大因素就是潮汐，尤其是一些浅滩面积较大、由沙石冲积而成的小岛，在高、低潮条件下其面积有很大的差异，高潮时浅滩为海水所淹没，遥感监测到的面积较小，低潮时大片浅滩裸露海面，遥感监测到的面积就会变大。此外，海岛浅滩边界的确定对波段的组合也提出了要求。

海岛尤其是沙质小岛的面积随着海水冲刷或冲积，面积会随时间变化而变化，对其进行面积变化的监测客观上要求卫星遥感的连续性，不同海域不同季节海面情况各不相同，为求监测的精度，对遥感数据也有进一步的要求。

2 研究方法分析

根据HJ-1数据的特点和海岛监测的特殊性，HJ-1数据在海岛监测中应该能够发挥出自身的优势，在这个前提下，对研究方法作了如下分析。

2.1 最佳波段组合研究

本次研究采用最佳指数法（OIF）来确定波段的选取[10]，以区分浅滩、海水、海雾、林木、沙石以及道路等，该方法的公式如下：

式中，Si为第i个波段的标准差；Rij为i、j这 2个波段的相关系数。波段标准差越大，所包含的信息量就越大，各波段间的相关系数越小，各波段图像数据的独立性就越高。可见，OIF越大波段的组合就越理想。

2.2 面积计算

海岛面积即投影在图像监测区域内被判识为陆地、浅滩、林木、沙石等所有单个像素面积的总和，图像投影为经纬度投影，先求出单个像元面积ΔS，即

式中，Lp为纬度方向的距离；Ll为经度方向的距离。经过分类统计可得到陆地、浅滩等像元的总数为n，于是海岛面积S即为：

式中，i为像元的序号。

2.3 潮汐条件下海岛监测分析

在遥感数据的选择上添加潮汐条件，一般在农历每月的初一以及十五、十六的潮汐为大潮，农历初七、初八和二十二、二十三时为小潮，但实际上大、小潮时间并无此严格规律，一般会延后一段时间，故采用综合多年潮汐实测数据，潮高最大（或接近最大）时定为大潮时，潮高最小（或接近最小）时定为小潮时，依此再选择卫星数据。为了力求精确，采取多组数据对比，选择面积遥感的最大、最小值作为海岛潮汐条件下的最大、最小面积。

2.4 海岛面积变化的监测

海岛面积变化监测对遥感数据的连续性有较高要求，虽然目的在于得到一个绝对的差值，不必考虑大小潮的影响，但仍需要设置潮高相同的外部条件，这样得到结果才更加准确。此外，受浅滩边界界定误差以及海岛开发建筑等因素制约，一般选择较大潮高时的数据。

3 算例实验

本实验以唐山曹妃甸龙岛为例。作为国家经济开发区的曹妃甸，打造高端旅游经济是其重要组成部分。龙岛地势平坦，为古滦河冲积而成，有大面积的沙质浅滩，优越的地理位置和自然条件使其具有广阔的开发前景。龙岛多年来受海浪影响，尤其是吹沙造地后一定程度上改变了周围海流方向，其面积也受到了一定的影响，以往的测绘结果不再适用。根据实地考察，岛上无大面积树木，主要由沙石（包括少量海贝等）、浅滩以及人工修筑的堤坝等组成。

3.1 最佳波段选择

在ENVI软件的支持下，对唐山沿岸影像进行图像统计，得到各波段的光谱特征（波段光谱的最大值、最小值、平均值和标准差），见表1。从表1中可以看出Band3最大和最小光谱值的差最大，虽然最小值和平均值非4个波段中最小的，但标准差最大，可见单波段信息量最大的是Band3，Band4的波段信息量紧随其后。

表1 唐山沿岸HJ-1数据光谱特征统计表

利用ENVI软件的Statistics功能计算各波段间的相关系数，结果如表2所示，可见Band4与其他波段间的相关性较低。

表2 唐山沿岸HJ-1数据相关系数

综上所述，最佳波段组合应该包含Band3和Band4，共存在2种可能的最佳组合，利用公式（1）可得到2种组合的OIF值，见表3。

表3 波段组合的OIF值

综合考虑OIF值和实际组合情况，得到Band2、3、4为最佳组合波段。最后确定赋色方案，不同方案叠置效果显示，最佳组合方式为Band3、4、2，分别对应R、G、B。

3.2 潮汐条件下龙岛面积监测

在做大潮的面积遥感分析时，可直接采用Band4单通道，其对区分海上人工堤坝、陆地效果良好，可避免相关冗余工作。对影像进行判读，作监督分析、分离性检验及逐步剔除等处理，所得统计结果见表4。

从表4可以看出，2011～2012年龙岛面积在大潮时约为3．79 km2，小潮时约为7．69 km2。地面测绘结果为大潮时龙岛面积约为4．00 km2，卫星遥感误差为5．2%，效果比较理想。

表4 遥感分析所得陆地面积

4 龙岛面积变化监测

表5 近年龙岛面积变化卫星数据选择

利用上述5 a数据对龙岛面积进行遥感分析，所得趋势如图1所示。

图1 龙岛面积逐年变化趋势图

上述分析结果说明了龙岛面积近年来略有减小，2008～2009年变化最不明显，但2010年减小的程度最大。从图2的卫星图中可以看出，在2008～2010年期间，龙岛的西南端明显消失了一部分，是面积减小的主要部分。这与南京水利科学研究院所出具的水深图对比结果相吻合，即水下从基面起，西边1 m高程面积减小显著。