淺海水深多-高光譜遙感模型與水深地形圖制作技術研究.pdf

1、水深是海洋環(huán)境的重要參數之一，水深測量對于了解海底地形地貌、海岸保護和利用均具有重要的意義。近年來，隨著社會經濟的發(fā)展，人類活動的加劇，近岸海底地貌不斷發(fā)生著變化，測量水深，更新海底地貌的需求正逐步增強;傳統(tǒng)的水深測量手段采用船載回聲測深法，取得了很好的效果，但在淺水區(qū)域(0m-10m)，受潮汐等因素的影響，調查船和測量人員不易進入，傳統(tǒng)的測量手段受限;水深遙感反演是水深測量的一種重要手段，具有大面積覆蓋、更新快、成本低的優(yōu)點，是對傳統(tǒng)

2、水深測量方法的有效補充。
　　在傳統(tǒng)的多光譜遙感水深反演模型中，比值模型因其能在一定程度上減弱空間異質性對水深反演結果精度的影響，而被廣大學者所采用，但該模型受自身參數的影響，淺水區(qū)的水深反演結果不是很理想，有待改進;Holden(2002)等人的研究發(fā)現，底質和水深的改變均會對水體的光譜曲線產生影響，底質改變水體光譜曲線的形狀，水深改變水體光譜曲線的數值（波形基本不發(fā)生改變），如若能在同一底質類型上，尋得一參數來描述光譜曲線間的

3、差異，則該參數將與水深間具有極強的相關性，基于此種思想的高光譜遙感水深反演工作，尚未有人開展;水深地形圖成圖綜合技術經過近幾十年的發(fā)展已達到可產業(yè)化的地步，但基于遙感信息的水深地形圖制作，卻處于起步階段，國內外目前還缺乏一整套完整的成圖方案。
　　本文在國家科技支撐計劃項目“遠海島礁地理信息監(jiān)測關鍵技術研究與示范(2012BAB16B01-02)”支持下，開展了淺海水深多/高光譜遙感模型與水深地形圖制作技術研究。研究內容主要包括對

4、原始的多光譜對數轉換遙感比值模型進行改進，提出一種分子分母調節(jié)因子相異的新模型，即改進對數轉換比值水深反演模型，并以我國南海西沙東島為研究區(qū)，應用高分辨率WorldView-2多光譜影像和實測水深數據，開展了研究區(qū)25m以淺海域的水深反演實驗，并從總體精度、水深分段精度、水深剖面精度三個方面分析了改進模型的水深反演能力，從應用不同精度實測水深數據源后模型的反演精度變化分析了改進模型的穩(wěn)定性;發(fā)展一種基于光譜曲線差異的新型高光譜遙感水深反

5、演模型。以夏威夷瓦胡島周邊海域為研究區(qū)，應用Hyperion高光譜影像和LiDAR實測水深數據對研究區(qū)底質進行分類，并在不同底質類型上，開展了基于不同光譜曲線差異因子的高光譜遙感水深反演實驗，分析實驗結果，優(yōu)選出最佳的光譜曲線差異因子;探索出一套完整的基于遙感信息的水深地形圖成圖方案。以研究區(qū)ETM+遙感影像為數據源，分別提取出海部要素和陸部要素，以ETM+遙感影像和LiDAR測深數據的水深反演結果為數據源，提取出水下地形要素信息，并對

6、這三部分要素信息的成圖規(guī)則進行研究，繪制出一幅精美的研究區(qū)水深地形圖。主要結論如下:
　　(1)改進對數轉換比值遙感水深反演模型部分:改進模型的水深反演精度優(yōu)于對數轉換比值模型，水深反演平均絕對誤差、平均相對誤差分別為0.93m和12.6％，較對數轉換比值模型分別降低了0.5m和11.7％;對于0m-2m、2m-5m、5m-10m、10m-15m、15m-20m和20m-25m不同水深段，改進模型的反演誤差均下降;剖面分析結果顯示

7、改進模型在0m-5m淺水區(qū)的反演精度提升明顯，較對數轉換比值模型而言，兩個剖面平均絕對誤差分別降低了1.3m和0.7m，平均相對誤差分別降低了31.6％和22.6％;改進模型的穩(wěn)定性得到增強，在應用兩種不同精度水深數據源后平均相對誤差相差3.8％，而對數轉換比值模型的為12％，提升明顯。
　　(2)基于光譜曲線差異的高光譜遙感水深反演研究部分:應用SVM、神經網絡法和最大似然法的研究區(qū)底質分類結果中，SVM精度最高，其次是神經網絡

8、法，最差的是最大似然法，三種方法分類結果的Kappa系數和總體精度分別為:0.86、0.84、0.77和92.34％、91.16％、87.54％;利用光譜形態(tài)特征（光譜角余弦、光譜梯度角余弦）來描述光譜曲線差異要比利用光譜幅值（相對光譜二次誤差、光譜信息散度）來描述光譜曲線差異更適合于水深反演，前一類型因子與水深間的相關性均高于75％，而后者則為5％-21％，優(yōu)勢明顯;基于光譜角余弦與光譜梯度角余弦的高光譜遙感水深反演結果表明:光譜梯度

9、角余弦和光譜角余弦在研究區(qū)的整體反演精度相差不大，但不同水深段、不同底質類型上有區(qū)別。前者在深水區(qū)(20m-40m)和光學深水底質上更占優(yōu)勢，平均絕對誤差比后者低0.37m-0.59m，平均相對誤差比后者低2.2％-2.5％，而后者的水深反演結果在淺水區(qū)(0m-5m)和藻類底質上的精度更高，平均絕對誤差比前者低0.22m-0.56m，平均相對誤差比前者低13％-38％。因此，當研究區(qū)水深較深時，可選光譜角余弦為水深反演因子，而當研究區(qū)水

10、深較淺時，可選光譜梯度角余弦為水深反演因子。
　　(3)基于遙感信息的水深地形圖制作技術研究部分:參考海圖圖式(GB12319-1998)和海底地形圖編繪規(guī)范(GB/T17834-1999)等相關標準后，本文以遙感影像及相關遙感產品為數據源，分別在研究區(qū)提取了岸線、干出灘、礁石等海部要素、水系、居民地、道路、等高線等陸部要素以及水深點、等深線等水深要素，并按照一定的圖幅整飾規(guī)則對各水深地形圖要素進行了圖幅整飾及輸出，從而探索出了一