多光谱水深遥感方法及研究进展
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统计法是 迄今为止应用最广泛的水深反演方
2ab ) 1 /2。
www. g lobesci. com
理论解析法是根据光在水体中的辐射传输过程 中的物理光学特性而建立的光辐射传输方程, 具有 明确的物理意义。但该模型需要一系列水体辐射参
数, 这些参数与水体物理、水化学性质密切相关, 较 难获得。 2 2 2 统计法
即利用几个实测点回归得到辐射亮度与水深之
2 2 密度法 密度法则是根据水体的物理光学理论分析浅水
区水体中光的辐射传输过程, 由此建立水体光谱反
射率与水深的解析关系式。根据解算方法的不同又
可分为解析法、统计法和人工神经网络法。
2 2 1 解析法
即建立传 感器接收到的辐射亮度与底质反射
率、水深等的解析表达式, 然后解算出水深, 其公式 为
R
=
Som e R esearch A dvances and M ethods on W ater D ep th M on itoring by M u ltispectral Im ages*
YE M ing1, 2 L I R endong1 XU Guopeng1, 2 ( 1 Institute of Geodesy and G eosciences, Ch inese Academ y o f Sc iences, W uhan 430077;
摘 要: 文中简单回顾了多光谱水深遥感的国内外研究进展。将当前水深反 演模型归为 3类: 即 波浪法、统计法和 水体散射遥感测深法, 对各模型作了简单介绍, 以时间为顺序列出了各模型在实践中 的应用状况, 分析 对比了各种 模型的优势和劣势。最后对当前 水深遥感的发展趋势谈了 自己的 两点认 识: 即 高分辨 率数据 的应用, 改进 的或新 的水深反演方法不断涌 现。 关键词: 水深 遥感 进展 模型
第 77页
遥感技术
世界科技研 究与发展
2007年 4月
均一的前提下, 利用 TM 遥感图像的可见光波段建 立多波段模型来提取水深和底部反射率信息, 并将 该模型应用于 shark海湾, 结果表明, TM 遥感图像 在反演较深水深信息时误差较大; 王文等 [ 16] 应用线 性多波段法作水深反演时, 提出了一整套利用地理 信息系统技术辅助进行遥感水深研究的方法, 并将 其应用于长江口的水深遥感研究工作中, 以实践表 明了 G IS技术很好地弥补了单纯遥感图像处理方法 的不足, 提高了数据处理和信息提取的效率和精度; 邸凯昌等 [ 17] 研究了南沙群岛海域 TM 图像提取浅 海水深的模型和方法以及影像海图制作技术, 在传 统的多波段线性回归模型的基础上, 引入数据分组 平均预处理、潮汐改正、分段线性回归和数据归一化 等技术, 使改进后的模型更加合理并具有较高的精 度, 从而适用于大的海域, 反演结果平均均方根误差 是 2 89 m; 于瑞宏等 [ 18] 应用水深遥感原理, 通过遥 感图像多波段反射率组合的优化对比, 建立了水深 与 TM 前 3个波段反射率组合的回归方程, 对干旱 区草型湖泊乌梁素海作水下地形探测。
为了消除不同底质反射率的影响, 更为有效的 方法是 采用 线 性多 波段 的 方法。许 殿元 [ 14] 利 用 M SS4, M SS5, M SS7三波段数字图像, 建立了水深与 图像灰度的关系, 分析了黄河口海域的水深分布情 况; B ierw irth等 [ 15 ] 在假设研究区水质和水体底质都
Rb ( 1- x2 ( 1- x2 )
)
cosh (KZ ) cosh(KZ ) +
+ (
( x - R b ) sinh (KZ ) 1- xRb ) sinh (KZ )
其中, Rb 为水体底部反射率; x = a / ( a + b) , a , b 分
别为水体的 吸收系 数和 后向散 射系数; k = ( a2 +
遥感测深模型。总的来说, 多光谱遥感反演水深的 精度在 10% ~ 30% 之间, 探测水深在 30 m 以内, 虽 然目前尚不能完全替代常规测量, 但至少可以为常 规测量提供重要的施工参考。
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www. globesci. com
2007年 4月
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遥感技术
1 遥感探测水深的基本原理
经分析得出水深。 L i G uang Leu 和 H eng W en Chang[ 7] 采 用此方
法以 SPOT 数据对台中海港作水深反演, 12 m 以内
的误差在 0~ 2 m 之间, 对于大于 12 m 的区域误差 较大。
该模型的优势在于对于水质和海底底质类型空
间差异性大的区域探测水深较为有效, 但其可探测 的水深有限。
双波段比值法能有效消除水体的衰减系数和底 部反射率的绝对值因水体类型和底部物质种类的不 同有很大差异的影响, 在一定程度上还可减小太阳 高度角、水面波动以及卫星态势、扫描角等变化而产 生的影响, 因此也得到了广泛应用。张东等 [ 11] 通过 对长江口南支水域 TM 遥感图像进行水深专题信息 的增强处理, 选择 TM 4 /TM 2 波段组合, 结合当地同 一时期实测水下地形图资料, 建立了该水域水深与 影像光谱值之间的统计相关关系, 分析了影响水深 遥感精度的原因并采用幂函数形式的修正项对相关 模式进行修正加以解决, 并提出: 图像处理质量的高 低和相关公式建立的好坏是提高水深遥感精度的关 键所在; 黄家柱 等 [ 12] 在分 析水深遥 感机理的 基础 上, 利用 TM 遥感数据, 建立了长江南通河段水深遥 感双波段比值模型, 指出 TM 数据对含沙量较高的 长江口段浅水水深进行探测具有一定的效果; 陈鸣 等 [ 13] 结合长江口水域的水沙特性, 对长江口水深按 不同深度等级分段采用比值模型, 所得的遥感水深 图与实测水深图平均一致率达 82% 。
引言
水深是个重要的水文要素。利用遥感手段测量 水深, 可以发挥遥感 快速、大范围、准同步、高分辨 率获取水下地形信息 的特长, 对于掌握洪涝及风 暴潮灾的水淹没范围和淹没程度来说, 是一种十分 有效的方法, 可以及时取得淹没状况的第一手资料, 同时还可以灾前、灾中及灾后的水深分布来评估灾 害损失。水深遥感方法还可以用于大范围海域的水 深图制作。对于江湖海岸地形演变分析、水利工程 土方计算、航道开挖、监测与疏浚、滩涂围垦与开发 领域, 水深遥感也发挥着重要作用。
在利用卫星多光谱数据进行水深测量的研究方 面, 美国密执安环境研究所 ( ER IM ) 的研究人员早 在六十年代中后期即开始这方面的研究工作, 并在 原理 和方 法 上作 出 了 巨大 贡 献。 随着 陆 地 卫星 ( 1972年 ) 的发射, 国外在这 方面取得了 突破性进
* 基 金 项 目: 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 863 计 划 ) 课 题
第 29卷
第 2期
2007年 4月 76- 79页
世界科技研究与发展
WORLD SCI TECH R& D
百度文库
V o.l 29
N o. 2
A pr. 2007 pp. 76- 79
多光谱水深遥感方法及研究进展*
叶 明 1, 2 李仁东 1 许国鹏 1, 2
( 1 中国科学院测量与地球物理研究所, 武汉 430077; 2 中国科学院研究生院, 北京 100039)
间的关系, 进而推求未知水深点的水深。根据利用 波段数的不同, 统计法又分为单波段法、双波段比值 法、线性多波段三种。
单波段法算法简单, 易于实现。亢庆等 [ 8 ] 利用 单波段模型对东江河道作水深反演, 航道水深图与 遥感信息图之间相关系数在 0 8以上; 沈芳等 [ 9] 选 用对水体穿透力较强的 TM 1波段与实测水深建立 相关关系反 演青海 湖水深, 两 者的 相关 系数接 近 0 95, 遥感反演的湖底地形结果与实测的湖水等深 线图基本符合; 田淑芳等 [ 10] 在国内首次对高含盐量 的西藏扎布耶盐湖进行水深探测, 用相关分析方法 确定 了 TM 3 是调查 盐湖水深的最佳 波段, 精 度较 好。
( 2006A A 12Z128) 。
展。 Go lvocoresses、H amm ack和 Cater等人提出了水 深测量定量研究分析法, P llcyn和 Ly zenga[ 1] 等提出 了基于底层反射模型的水深测量定量研究分析法。 随后, 国内外众多学者依据这些原理作了很多区域 性研究, C lark[ 2] 等人利用 D e V ieques岛附近的陆地 卫星 TM 1, 2波段的图像数据, 采用线性多波段提取 水深值; M gengel和 Spitzer [ 3] 利用 TM 影像 对荷兰 近海水域进行了多时相水深测图; 国内从 80年代开 始, 在遥感测深方面也不断有研究成果发表。任明 达 [ 4] 利用 Landsat- MSS卫片进行了琼州海峡的海 岸带水深遥感解译工作; 平仲良 [ 5] 利用卫星照片建 立了卫星照片密度和海水深度之间的数学关系; 其 它学者大多在前人研究的基础上针对特定区域特征 对模型和方法作了不同程度的改良或改进。 Ji等 [ 6] 人在底层反射模型的基础上又提出了一种水体散射
2 理论模型和方法
依据上述原理, 传感器接收到的辐射亮度中包 含有水深信息, 通过适当的方法可以从辐射亮度中 提取水深信息。下面介绍水深提取的三种模型。
2 1 波浪法 波浪法是根据波浪模式 ( 波速、波浪周期和波
浪折射等 ) 与水深及海底地形 等的关系; 重力波在 浅水区产生的折射; 潮流线在经过浅水区所引起的 水面粗糙度的变化以及内波在图像上形成的图谱,
2 Graduate Un iversity of Ch inese Academ y of Sc iences, Be ijing 100039 )
Abstrac t: Th is paper briefly rev iew s the study progress of m onitor ing w ater depth by mu lti spectra l rem o te sensing M eanw hile, inv ers ion m ode ls are reduced to three types, nam e ly : w ave spectrum bathyme tr ic, statistics m ode l and w ater co lum n scattering - based remo te bathym etric m ode l It a lso m akes a br ie f introduction o f the m ode ls , g ives som e practica l ex am ples, po ints out the advantages and d isadvan tages o f var ious m ode ls. F ina lly, the current trend in deve lopm ent o f mon itoring w ater depth by rem o te sensing are summ arized: F irstly, The app lication o f high reso lu tion and hype rspectra l im ages. Secondly, improved or new inversion m ethods are em erg ing K ey word s: w ater depth, rem ote sensing, advances, models
可见光波段的测深原理主要基于光线对水体的 透射。可见光在水体中的衰减系数越小, 则对水体 的穿透性越好。衰减系数 和遥感 可视 水深 ZR 之间的关系可表示为: = 1。
ZR 可见光衰减系数决定了光在水体遥感中的可测 深度。不同的水体, 由于所含物质的不同, 在可见光 波段有不同的衰减系数。对水中信息进行透射遥感 的最有效波段在蓝色 ( 0 45 m ) 至黄色 ( 0 60 m ) 之间。
2ab ) 1 /2。
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理论解析法是根据光在水体中的辐射传输过程 中的物理光学特性而建立的光辐射传输方程, 具有 明确的物理意义。但该模型需要一系列水体辐射参
数, 这些参数与水体物理、水化学性质密切相关, 较 难获得。 2 2 2 统计法
即利用几个实测点回归得到辐射亮度与水深之
2 2 密度法 密度法则是根据水体的物理光学理论分析浅水
区水体中光的辐射传输过程, 由此建立水体光谱反
射率与水深的解析关系式。根据解算方法的不同又
可分为解析法、统计法和人工神经网络法。
2 2 1 解析法
即建立传 感器接收到的辐射亮度与底质反射
率、水深等的解析表达式, 然后解算出水深, 其公式 为
R
=
Som e R esearch A dvances and M ethods on W ater D ep th M on itoring by M u ltispectral Im ages*
YE M ing1, 2 L I R endong1 XU Guopeng1, 2 ( 1 Institute of Geodesy and G eosciences, Ch inese Academ y o f Sc iences, W uhan 430077;
摘 要: 文中简单回顾了多光谱水深遥感的国内外研究进展。将当前水深反 演模型归为 3类: 即 波浪法、统计法和 水体散射遥感测深法, 对各模型作了简单介绍, 以时间为顺序列出了各模型在实践中 的应用状况, 分析 对比了各种 模型的优势和劣势。最后对当前 水深遥感的发展趋势谈了 自己的 两点认 识: 即 高分辨 率数据 的应用, 改进 的或新 的水深反演方法不断涌 现。 关键词: 水深 遥感 进展 模型
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2007年 4月
均一的前提下, 利用 TM 遥感图像的可见光波段建 立多波段模型来提取水深和底部反射率信息, 并将 该模型应用于 shark海湾, 结果表明, TM 遥感图像 在反演较深水深信息时误差较大; 王文等 [ 16] 应用线 性多波段法作水深反演时, 提出了一整套利用地理 信息系统技术辅助进行遥感水深研究的方法, 并将 其应用于长江口的水深遥感研究工作中, 以实践表 明了 G IS技术很好地弥补了单纯遥感图像处理方法 的不足, 提高了数据处理和信息提取的效率和精度; 邸凯昌等 [ 17] 研究了南沙群岛海域 TM 图像提取浅 海水深的模型和方法以及影像海图制作技术, 在传 统的多波段线性回归模型的基础上, 引入数据分组 平均预处理、潮汐改正、分段线性回归和数据归一化 等技术, 使改进后的模型更加合理并具有较高的精 度, 从而适用于大的海域, 反演结果平均均方根误差 是 2 89 m; 于瑞宏等 [ 18] 应用水深遥感原理, 通过遥 感图像多波段反射率组合的优化对比, 建立了水深 与 TM 前 3个波段反射率组合的回归方程, 对干旱 区草型湖泊乌梁素海作水下地形探测。
为了消除不同底质反射率的影响, 更为有效的 方法是 采用 线 性多 波段 的 方法。许 殿元 [ 14] 利 用 M SS4, M SS5, M SS7三波段数字图像, 建立了水深与 图像灰度的关系, 分析了黄河口海域的水深分布情 况; B ierw irth等 [ 15 ] 在假设研究区水质和水体底质都
Rb ( 1- x2 ( 1- x2 )
)
cosh (KZ ) cosh(KZ ) +
+ (
( x - R b ) sinh (KZ ) 1- xRb ) sinh (KZ )
其中, Rb 为水体底部反射率; x = a / ( a + b) , a , b 分
别为水体的 吸收系 数和 后向散 射系数; k = ( a2 +
遥感测深模型。总的来说, 多光谱遥感反演水深的 精度在 10% ~ 30% 之间, 探测水深在 30 m 以内, 虽 然目前尚不能完全替代常规测量, 但至少可以为常 规测量提供重要的施工参考。
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遥感技术
1 遥感探测水深的基本原理
经分析得出水深。 L i G uang Leu 和 H eng W en Chang[ 7] 采 用此方
法以 SPOT 数据对台中海港作水深反演, 12 m 以内
的误差在 0~ 2 m 之间, 对于大于 12 m 的区域误差 较大。
该模型的优势在于对于水质和海底底质类型空
间差异性大的区域探测水深较为有效, 但其可探测 的水深有限。
双波段比值法能有效消除水体的衰减系数和底 部反射率的绝对值因水体类型和底部物质种类的不 同有很大差异的影响, 在一定程度上还可减小太阳 高度角、水面波动以及卫星态势、扫描角等变化而产 生的影响, 因此也得到了广泛应用。张东等 [ 11] 通过 对长江口南支水域 TM 遥感图像进行水深专题信息 的增强处理, 选择 TM 4 /TM 2 波段组合, 结合当地同 一时期实测水下地形图资料, 建立了该水域水深与 影像光谱值之间的统计相关关系, 分析了影响水深 遥感精度的原因并采用幂函数形式的修正项对相关 模式进行修正加以解决, 并提出: 图像处理质量的高 低和相关公式建立的好坏是提高水深遥感精度的关 键所在; 黄家柱 等 [ 12] 在分 析水深遥 感机理的 基础 上, 利用 TM 遥感数据, 建立了长江南通河段水深遥 感双波段比值模型, 指出 TM 数据对含沙量较高的 长江口段浅水水深进行探测具有一定的效果; 陈鸣 等 [ 13] 结合长江口水域的水沙特性, 对长江口水深按 不同深度等级分段采用比值模型, 所得的遥感水深 图与实测水深图平均一致率达 82% 。
引言
水深是个重要的水文要素。利用遥感手段测量 水深, 可以发挥遥感 快速、大范围、准同步、高分辨 率获取水下地形信息 的特长, 对于掌握洪涝及风 暴潮灾的水淹没范围和淹没程度来说, 是一种十分 有效的方法, 可以及时取得淹没状况的第一手资料, 同时还可以灾前、灾中及灾后的水深分布来评估灾 害损失。水深遥感方法还可以用于大范围海域的水 深图制作。对于江湖海岸地形演变分析、水利工程 土方计算、航道开挖、监测与疏浚、滩涂围垦与开发 领域, 水深遥感也发挥着重要作用。
在利用卫星多光谱数据进行水深测量的研究方 面, 美国密执安环境研究所 ( ER IM ) 的研究人员早 在六十年代中后期即开始这方面的研究工作, 并在 原理 和方 法 上作 出 了 巨大 贡 献。 随着 陆 地 卫星 ( 1972年 ) 的发射, 国外在这 方面取得了 突破性进
* 基 金 项 目: 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 863 计 划 ) 课 题
第 29卷
第 2期
2007年 4月 76- 79页
世界科技研究与发展
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A pr. 2007 pp. 76- 79
多光谱水深遥感方法及研究进展*
叶 明 1, 2 李仁东 1 许国鹏 1, 2
( 1 中国科学院测量与地球物理研究所, 武汉 430077; 2 中国科学院研究生院, 北京 100039)
间的关系, 进而推求未知水深点的水深。根据利用 波段数的不同, 统计法又分为单波段法、双波段比值 法、线性多波段三种。
单波段法算法简单, 易于实现。亢庆等 [ 8 ] 利用 单波段模型对东江河道作水深反演, 航道水深图与 遥感信息图之间相关系数在 0 8以上; 沈芳等 [ 9] 选 用对水体穿透力较强的 TM 1波段与实测水深建立 相关关系反 演青海 湖水深, 两 者的 相关 系数接 近 0 95, 遥感反演的湖底地形结果与实测的湖水等深 线图基本符合; 田淑芳等 [ 10] 在国内首次对高含盐量 的西藏扎布耶盐湖进行水深探测, 用相关分析方法 确定 了 TM 3 是调查 盐湖水深的最佳 波段, 精 度较 好。
( 2006A A 12Z128) 。
展。 Go lvocoresses、H amm ack和 Cater等人提出了水 深测量定量研究分析法, P llcyn和 Ly zenga[ 1] 等提出 了基于底层反射模型的水深测量定量研究分析法。 随后, 国内外众多学者依据这些原理作了很多区域 性研究, C lark[ 2] 等人利用 D e V ieques岛附近的陆地 卫星 TM 1, 2波段的图像数据, 采用线性多波段提取 水深值; M gengel和 Spitzer [ 3] 利用 TM 影像 对荷兰 近海水域进行了多时相水深测图; 国内从 80年代开 始, 在遥感测深方面也不断有研究成果发表。任明 达 [ 4] 利用 Landsat- MSS卫片进行了琼州海峡的海 岸带水深遥感解译工作; 平仲良 [ 5] 利用卫星照片建 立了卫星照片密度和海水深度之间的数学关系; 其 它学者大多在前人研究的基础上针对特定区域特征 对模型和方法作了不同程度的改良或改进。 Ji等 [ 6] 人在底层反射模型的基础上又提出了一种水体散射
2 理论模型和方法
依据上述原理, 传感器接收到的辐射亮度中包 含有水深信息, 通过适当的方法可以从辐射亮度中 提取水深信息。下面介绍水深提取的三种模型。
2 1 波浪法 波浪法是根据波浪模式 ( 波速、波浪周期和波
浪折射等 ) 与水深及海底地形 等的关系; 重力波在 浅水区产生的折射; 潮流线在经过浅水区所引起的 水面粗糙度的变化以及内波在图像上形成的图谱,
2 Graduate Un iversity of Ch inese Academ y of Sc iences, Be ijing 100039 )
Abstrac t: Th is paper briefly rev iew s the study progress of m onitor ing w ater depth by mu lti spectra l rem o te sensing M eanw hile, inv ers ion m ode ls are reduced to three types, nam e ly : w ave spectrum bathyme tr ic, statistics m ode l and w ater co lum n scattering - based remo te bathym etric m ode l It a lso m akes a br ie f introduction o f the m ode ls , g ives som e practica l ex am ples, po ints out the advantages and d isadvan tages o f var ious m ode ls. F ina lly, the current trend in deve lopm ent o f mon itoring w ater depth by rem o te sensing are summ arized: F irstly, The app lication o f high reso lu tion and hype rspectra l im ages. Secondly, improved or new inversion m ethods are em erg ing K ey word s: w ater depth, rem ote sensing, advances, models
可见光波段的测深原理主要基于光线对水体的 透射。可见光在水体中的衰减系数越小, 则对水体 的穿透性越好。衰减系数 和遥感 可视 水深 ZR 之间的关系可表示为: = 1。
ZR 可见光衰减系数决定了光在水体遥感中的可测 深度。不同的水体, 由于所含物质的不同, 在可见光 波段有不同的衰减系数。对水中信息进行透射遥感 的最有效波段在蓝色 ( 0 45 m ) 至黄色 ( 0 60 m ) 之间。