利用Landsats 5, 7, 8量测水深及与传统声纳测量的对比分析

虽然地球上有70%区域被海洋覆盖，但是大约有95%的海洋未探测。准确和详细的海洋测深数据是认识海洋和海岸的关键部分。风暴、海平面上升、入海口变化和工程建设等都会改变沿海的水深，虽然传统水深测量法精度非常高，但是时间和资金成本较高。遥感水深测量法已经在业内使用了数十年，可以快速响应水深变化的情况。Landsat8包括一个海岸带波段、12bit数据、2周的重复能力、全球覆盖以及免费下载，在海岸地貌地图更新和探测未知海域等方面具有非常好的应用前景。本文将Landsat 5, Landsat 7, 和 Landsat 8量测的水深结果与声纳测量数据进行对比分析
研究区和数据
研究区域是佛罗里达群岛周围的水域，该水域具有多样化水深，水质较清澈，有可用的Landsat数据和海底声纳数据。Level 1G级别的Landsat8是从USGS 网站下载（USGS Landsat data depot）

图1: Landsat 8 数据，右边的为反演区域
处理过程
（1） 利用Landsat自带定标参数定标为辐射亮度值图像；
（2） 利用MODTRAN5模型的ENVI FLAASH工具进行大气校正；
（3） 使用底部反照率独立水深测量算法（bottom albedo-independent Bathymetry algorithm）量测水深，这个算法由Stumpf and Holderied (2003)提出，集成到了ENVI SPEAR流程化工具箱中（SPEAR Relative Water Depth）；
（4） 在SPEAR Relative Water Depth工具中，在初步反演的相对水深图像中，根据地理位置将非陆地、非云区域的像元与NOAA声纳数据相关联；
（5） 将校准曲线拟合这些数据，然后将相对水深校准为绝对水深；
（6） 将定标得到的绝对水深图像根据水深进行分割（0 - 5, 5 - 10, 10 - 15, 15 - 20, 20 - 30 ， 30 - 40）；
（7） 利用实测声纳数据对结果进行对比分析，同时分析三种传感器量测的结果。
图2：Landsat5水深反演结果
图3： Landsat7水深反演结果
图4：Landsat8水深反演结果
结果分析

• Landsats 5, 7 , 8反演结果在0-5米范围内接近；

• Landsat8在大于水深10米的区域的反演精度比Landsats 5, 7高。在30-40米范围内，Landsats 5, 7 , 8的标准差分别为6.5 m, 3.4 m, 和2.9 m；

• Landsat8得到的误差结果表明，在水深40m以内，得到的误差范围是恒定的，并且误差范围明显小于Landsat5和7；

• 云层和水浑浊度是遥感水深反演的最大误差来源。

图5: 在不同深度区间内，反演结果与声纳数据的误差对比结果
图6: 反演结果与NOAA声纳数据对比均值和方差而派生的深度误差
图7: 反演结果与NOAA声纳数据对比方差而派生的深度误差
本文作者：Exelis VIS公司—David Hulslander,david.hulslander@exelisvis.com
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0101c8ez.html