星载多光谱浅海水深测量方法.pdf

第 1 7卷第 6期 山东理工大学学报 自 然 科 学 版 生 旦 竺 坐 竺 竺 文章编号 1 6 7 2 6 1 9 7 2 0 0 3 0 6 0 0 5 9 0 3 V01 1 7 No 6 NO V 2oo 3 星载多光谱浅海水深测量方法 庞蕾 聂志峰 1 山东理 工大学 数 学与信息科 学学院 山东 淄博 2 5 5 0 4 9 2 山东科技大 学 山东 济 南 2 5 0 0 3 1 摘要 利用 遥感技 术 以及 星载 多光谱数 据 进 行 浅海 海域水 深测量 的基本 方法 以及 关键技 术 提 出 了一种基 于主成分分析 方法和底质分 类的新的浅海水深提取技 术路线 可应用于浅海 水深提取 及海 图制作和 更新 关键 词 多光谱 遥感 主成分 分析 水深反 演 中图分 类号 B 2 5 6 文献标识码 A M e t ho d o f S a t e l l i t e b o r n e M u l t i s p e c t r a l Ba t hy me t r y i n S h a l l o w W a t e r PANG L e i NI E Z hi f e n 1 S c h o o l o f Ma t h e ma t i c s a n d I n f o r ma t i o n S c i e n c e S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Z i b o 2 5 5 0 4 9 C h i n a 2 S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy J i n a n 2 5 0 0 3 1 C h i n a Ab s t r a c t Us i n g r e mo t e s e n s i n g t e c h n o l o g y a n d s a t e l l i t e b o r n e mu h i s p e c t r al d a t a t h e b a s i c me t h o d s a n d k e y t e c hn i qu e s t o m e a s u r e t h e wa t e r d e p t h i n s ha l l o w wa t e r a r e di s c us s e d A ne w t e c hno l o gy flo w o f e x a c t i n g th e d e p t h i n s h a l l o w wa t e r b a s e d o n p rima r y c o mp o n e n t a n a l y s i s PC A a n d b o t t o m c l a s s i fic a t i o n i s p u t f o r wa r d t o be a pp l i e d i n ma ki n g o r r e n e wi n g o c e a n c a r t o g r a p hy K e y wor d s mu hi s pe c t r a r e mo t e s e ns i n g p r i mary c o mpo n e n t a na l y s i s ba t hy me t ry r e t rie v i n g 水下地形是海洋环境的一个重要因子 浅海海域的水下地形测绘对于浅海油气勘探与开采 海洋捕 养业 近海海域 经济和军事活 动等有着重要 的意义 传统 的海 洋测深技术 是 以船 只为平 台 采 用声纳技 术 进行 由于 时间和经 费的限制 以及存 在着 船只无法进 人 的地 区 使得传 统 的测深技术 在广 阔的近海 海域受到了一定的限制 而采用星载多光谱技术 则具有全覆盖 费用低 周期短以及便于进行动态监测 等优势 适用 于一定精度范 围内对广阔 的近海海域 进行 的水下地形 测量 1 遥感测深的理论模型 1 1遥感测深基本 原理 利用星载多光谱数据进行浅海水深测量 主要是采用便于获取的美国陆地卫星 T M数据 通过数据 处理和回归分析提取影像各个像素点处的水深数据 其物理基础为 可见光各个波段对于水体均具有一 定 的穿透力 如 T M1 波段对水 体 的穿透 深度 最大 在 清洁水 的情形下 可 以穿透 3 0 m左右 T M2 波段 可达 1 O m左右 但 T M 3 的水体穿透力则相对较弱 对于各种类型的水体 可见光的水体衰减系数最小值都出 收稿 日期 2 0 0 2 1 1 3 O 作者 简介 庞蕾 1 9 7 1 女 讲师 博 士研究 生 维普资讯 6 0 山东理工大学学报 2 0 0 3年 现在蓝绿波段之 间 表 明 T M1 2 3 波段是通 常的遥感 测深 的最佳 波段 2 1 1 2水深反演模 型 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 1蠢 co s h K Z群鲁 1 x R si h K Z 一 一 王 一 6 n 其 中 尼 为水体 底部 反射 率 0 a b a b分 别 为水体 的 吸收 系数 和后 向散 射 系数 K 0 z 20 b 1 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 间的关系 进而 推求未 知 的水深点 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 线性多波段法等三种 在此仅介绍 单波段法 用第 i 波段 计算水深 的关 系式为 Z I n C R 6 i 2 K XM2 K i 2 式 中 z为水深 C 是 由太 阳辐 照度 大气 和水面透过 率及水 面折射等 要素所决 定 的常数 R 是底质反 射 率 是 水体衰减系数 X i I n 厶 一 厶 3 厶 是第 i 波段 的深水 区辐射亮 度 利 用几个实 测点 回归得 到辐射亮度 与水深之 间的关 系 进 而推 求未知 的水 深点 的水深 令 6 1 一1 2 b I n C R 2 则公式将成为 Z a X i b 4 从传感器第 i 波段的影像 中 实测出一组 z 的值 利用最小二乘法可以计算出 口 b的值 然后 利用以上公式推算出其它未知水深点的水深值 由于实地 同步测量水体 的光学 参数是很 困难 的 因此实际 的多光谱遥 感水深 信息模 型的建立应 采 用统计法 一般 的 统计法 中单 波段法假定海底底 质的反射率均一 空气 和海况条件相 同 其他背景光学 影 响单一或在 整幅 图像 中是 常数 2 遥感测深 的几个关键技术 2 1 大气 辐射校正 卫 星传感 器所 接受到 的光谱 信息 由 以下三部 分组成 大气 后 向散射 水体 表面反射 水体 后 向散射 及 水底反射 其 中大气 后 向散射 对水 深反演模 型 的影 响较 大 所 以在水 深信 息提取之 前 需要对 T M影 像进行大气校正 本文采用已知的有效方法 从 T M各个波段中选取直方图的最小值为0 者 以此作为 基准 其他各个波段光谱值的最小值可以作为各 自的大气校正值 采用公式为 i 厶 0 5 其 中 厶和 厶 分别为校正前 后 的水体 辐射 率 2 2 底质类型分 类 不同的水体底质对影像灰度的影响是不同的 由于水深信息主要与水体底部反射有关 底质类型的 影 响就具 有重 要 的意 义 5 1 例如 沙质底 质会使水 体 的表现灰度 比实 际灰 度要大 而海草 以及藻类 密布 区域会使表现 灰度 比实际灰 度要小 所 以应该对 T M 影像 作底质类 型分类处理 分别 计算 同一个底质类 型 的水深反演值 在进行 底质 分类 以前 需要 对 T M1 2 3 波段分 别进 行相应 的几 何精 校正 选 取具有 明显 地物 特征 的控制点 G C P S 利用 E R D A S软件将其坐标 系校正到 与海 图统一 的坐标系 并进行 适 当的图象增 强处 理 从 T M3 个 波段 中选取两个波段 采用公式 K j K 意 维普资讯 庞蕾 等 星载多光谱浅海水深测量方法 6 l 7 其 中 o r 是 的方差 or 是 和 的协方 差 此方 程结 果与所选择变量 的顺序无关 所 以 底部 类型 的代码可 以如下计算 Y C 1 C 8 其 c z 志 分别计算影像每一 个像 元处 的底质代码 相 同的代码 代表相 同的底质 类型 2 3 主成分分析 法提取影像水深数 据 本文采用 的是 主成 分分析 P C A 方法进行水深 信息提取 认 为光谱 信息变化 主要 由水深变化 引起 从 T M1 2 3 波段 中提取 第一 主成 分 代表 了与水深相 关而与其 他元 素无 关 的信 息 其 主成分计算 公 式为 E C o v er V 9 其 中 为矩 阵乘 法运算 C o v为协方差 阵 E 为特征 向量阵 为转置 函数 V为特征值 的对角阵 非对 角 位置元 素为0 由公式运算 得出的主成分影像 可以利用 单波段 的水深计算模 型求 出水深反演 系数 口和 b 2 4水深反演 根据计算 的系数 a和 b 以及选取 的实际测量水深值或 海图数据 可 以推算 出影像每一像 素点处的 水深值 具体做法 为 利用 软件 判别 每个 像素点 的底质 类型代码 并将计算 出的该 类型的线性 系数代人 公 式 4 求得 该点处 的最终绝 对水深值 计算测 深的相 对精度 和绝 对精 度 并 形成相 应 的水 深遥 感影 像 图 有条件 的情 形下 应该作 潮汐改正 用计算得 出的水 深值减去潮汐改 正数 得 到实 际水深值 6 3 误差来源估计和应用前景 该技 术选取适 当天气 条件下的遥感影像 产生误差 的来源主要有 以下几个 方面 1 水体所含 物质 如悬 浮泥沙等 的后 向散射 2 用于水深校 正的实际水深值 的精 度 3 水体底质 和大气 条件 的空 间差异 遥感测深 作 为浅海水 下地形测量 的补充 手段 具 有快速 大范 围测绘 近海海 区的优势 适 用于浅海 海域水下地形 的测量 和全面普查 也可 以进行 大范围近海海域海 图的快速制作与更新 4结语 本文论 述 了利用 T M影像进行浅 海海域水深 测量 的理论模 型 给出 了实 际应用 中的几个关键 技术 具体阐述了基于主成分分析方法和底质分类的浅海水深提取算法 提出了基本的技术路线 并分析了产 生误差 的主要 因素和该项技术 的应用 前景 参考文献 1 林敏 基 海 洋与 海岸带 遥感 应用 M 北京 海 洋出版 社 1 9 9 1 2 Wi l l i a m D P i l p o t B a t h y me t r y ma p p i n g w i t h p a s s i v e mu h i s p e c t r a l i ma g e r y J A P P L I E D OP TI C S 1 9 8 9 2 8 8 1 5 6 9 一 l 5 7 8 3 B i e r w i r t h P N L e e T J B u r n e R V S h a l l o w S e a F l o o r Re fl e c t a n c e a n d Wa t e r D e p t h D e ri v e d b y U n mi x i n g Mu h i s p e c t r al I ma g e ry J P E R S 1 9 9 3 5 9 3 3 3 I 一 3 3 8 4 丁贤荣 同相水深一 辐 射律 定 J 河海 大学 学报 1 9 9 8 6 7 3 7 6 5 L y z e n g a D R P