利用WorldView-2多光谱波段量测阿拉斯加威尔士附近浅海水深
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2016-06-16
在分析由风暴潮引起的洪水淹没和侵蚀时，水深数据是很重要的。较高分辨率的浅海水深数据能提高在风暴潮危害评估中的建模能力。同时，水深数据在航海图更新、探索海底环境、沉积物迁移研究中也很重要，而阿拉斯加威尔士区域的水深数据非常少。本项目是通过遥感方法得到水深数据，利用实测声纳数据，使用线性回归的方法对结果进行验证，R2 = 0.7221，基本可以满足应用的精度需要。
图1：威尔士区位置及航空拍摄图
图2:2011年9月份拍摄的海岸侵蚀图像
处理流程和方法
遥感水深测量是利用可见光遥感数据反演水深，主要依据为：在可见光范围内，波长在0.4~0.58μm 之间的光信号对清澈水体的穿透深度最大，大气条件较好时，能够探测水深在30米以内的水体；（2）反映水深的辐射量与光信号在水中的衰减程度呈指数关系。
图3：太阳光水面辐射示意图
WorldView2多光谱数据包括除了一般的蓝、绿、红、近红外波段，还包括海岸蓝色波段（400-450nm）、黄色波段（585-625nm）。Lee et al.（2012）, Madden（ 2011）, Miecznik et al.（2012）, Tarantino et al.（ 2012）等人已经成功在热带地区利用WorldView2测量水深。如果这种方法适合于阿拉斯加的寒带地区，将产生非常大的价值。使用处理流程如下图所示。
图4：处理流程图
(一) 底部反照率独立水深测量算法
使用底部反照率独立水深测量算法（bottom albedo-independent Bathymetry algorithm）量测水深，这个算法假设：当深度相同的时候，不管水底是被深色水草或者明亮的沙子覆盖，他们都显示为同一深度。计算公式如下：
（公式1）
其中：
(二) SPEAR Relative Water Depth Wizard
SPEAR Relative Water Depth Wizard（RWDW）是ENVI下的一个流程化工具，集成了底部反照率独立水深测量算法。在RWDW工具中分别浏览RGB532、531、432、431，最后得到RGB431分辨力最好和最少视觉噪声（如图5a所示）。RWDW根据公式1直接得到相对水深（如图5b所示）。
图5 a, b, c：相对水深制图结果(b) RGB组合对比(a) NOAA航海图 (2004)(c)
对比NOAA的航海图（图5c），标定对应区域的真实水深，如图6所示。为了降低噪声，结果图像从2米转化到16米空间分辨率, 剪出近海岸小于3m的区域。
图6：标定得到真实水深
(三) 结果
采用线性回归模型对比水深结果和声纳数据，如图8所示。使用N=1480组数据线性回归的R2=0.7221。水深结果和声纳量测数据的绝对差值如图9所示，图9显示随着深度的减小相关性增加。从反演和测量数据点（图11a-d）的横截面看，具有光谱高反射率的位置处于海槽位置（通过实测数据）。如果不存在高反射区，反演值和测量值非常相似，直到在3米这个地方开始分散（图11d）。
图7：声纳设备和实测路径
图8：测量和置信度95%之间数据的线性回归
图9：水深结果和声纳量测数据的绝对差值
图10 a, b, c & d：反演与测量值的横切面对比图，Datum: NAD 83 Projection: UTM Zone 3 North Vertical Datum: NAVD 8
结论
(1) 在阿拉斯加威尔士区域，WorldView2卫星影像可以用于反演小于3m的近海岸水深。
(2) WorldView2的蓝色波段、黄色波段可以增强光谱可分离度。
(3) 泥沙可能会对近海岸反射率产生影响。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01018wcv.html
图1：威尔士区位置及航空拍摄图
图2:2011年9月份拍摄的海岸侵蚀图像
处理流程和方法
遥感水深测量是利用可见光遥感数据反演水深，主要依据为：在可见光范围内，波长在0.4~0.58μm 之间的光信号对清澈水体的穿透深度最大，大气条件较好时，能够探测水深在30米以内的水体；（2）反映水深的辐射量与光信号在水中的衰减程度呈指数关系。
图3：太阳光水面辐射示意图
WorldView2多光谱数据包括除了一般的蓝、绿、红、近红外波段，还包括海岸蓝色波段（400-450nm）、黄色波段（585-625nm）。Lee et al.（2012）, Madden（ 2011）, Miecznik et al.（2012）, Tarantino et al.（ 2012）等人已经成功在热带地区利用WorldView2测量水深。如果这种方法适合于阿拉斯加的寒带地区，将产生非常大的价值。使用处理流程如下图所示。
(一) 底部反照率独立水深测量算法
使用底部反照率独立水深测量算法（bottom albedo-independent Bathymetry algorithm）量测水深，这个算法假设：当深度相同的时候，不管水底是被深色水草或者明亮的沙子覆盖，他们都显示为同一深度。计算公式如下：
其中：
D=水深
m1=常量，用于调整水深比例
n=固定的常量，保证对数是正值及是线性关系
RW=卫星观测辐射亮度值
λi=波段i
λj=波段j
m0=常量，用于补偿0m深度(二) SPEAR Relative Water Depth Wizard
SPEAR Relative Water Depth Wizard（RWDW）是ENVI下的一个流程化工具，集成了底部反照率独立水深测量算法。在RWDW工具中分别浏览RGB532、531、432、431，最后得到RGB431分辨力最好和最少视觉噪声（如图5a所示）。RWDW根据公式1直接得到相对水深（如图5b所示）。
对比NOAA的航海图（图5c），标定对应区域的真实水深，如图6所示。为了降低噪声，结果图像从2米转化到16米空间分辨率, 剪出近海岸小于3m的区域。
图6：标定得到真实水深
(三) 结果
采用线性回归模型对比水深结果和声纳数据，如图8所示。使用N=1480组数据线性回归的R2=0.7221。水深结果和声纳量测数据的绝对差值如图9所示，图9显示随着深度的减小相关性增加。从反演和测量数据点（图11a-d）的横截面看，具有光谱高反射率的位置处于海槽位置（通过实测数据）。如果不存在高反射区，反演值和测量值非常相似，直到在3米这个地方开始分散（图11d）。
图7：声纳设备和实测路径
图8：测量和置信度95%之间数据的线性回归
图9：水深结果和声纳量测数据的绝对差值
图10 a, b, c & d：反演与测量值的横切面对比图，Datum: NAD 83 Projection: UTM Zone 3 North Vertical Datum: NAVD 8
结论
(1) 在阿拉斯加威尔士区域，WorldView2卫星影像可以用于反演小于3m的近海岸水深。
(2) WorldView2的蓝色波段、黄色波段可以增强光谱可分离度。
(3) 泥沙可能会对近海岸反射率产生影响。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01018wcv.html
