一種基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法。目前國內(nèi)外利用光學(xué)遙感手段進(jìn)行清潔水體水深反演的模型大都針對多光譜數(shù)據(jù)建立，該類算法受多光譜數(shù)據(jù)波段寬、光譜信息少的制約，反演精度受水體底質(zhì)類型影響較大。本發(fā)明依據(jù)水體光衰減機(jī)理，基于高光譜數(shù)據(jù)提出了一種利用藍(lán)-黃波段(450-610納米)高光譜數(shù)據(jù)反演清潔水體淺海水深的新方法，該方法可準(zhǔn)確提取30米以內(nèi)淺海水深分布信息，并且針對一種遙感器，只需要進(jìn)行一次算法系數(shù)標(biāo)定，算法普適性得到明顯改善。
【專利說明】一種基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)，特別是涉及一種海洋光學(xué)遙感清潔水體淺海水深反演技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]太陽輻射在水體中傳播時(shí)受到水體物質(zhì)分子的衰減作用主要包括吸收和散射作用，這種作用會通過水體表面可見光波段光譜反射率的不同表現(xiàn)出來，并且隨著水體深度的增加，衰減量越多。對于清潔水體(一類水體)來說，水體中對太陽輻射具有散射作用的可溶性有機(jī)物(CDOM)、懸浮泥沙含量和具有吸收作用的葉綠素a濃度低，太陽輻射在水體中衰減率低，光線可穿透的水體深度增加，從而能夠到達(dá)水體底質(zhì)并經(jīng)過反射到達(dá)水體表面，水體表面發(fā)射率光譜的變化也就能夠反映出水體深度的變化。
[0003]基于上述物理過程，國內(nèi)外專家學(xué)者發(fā)展了大量水深反演算法，這些算法包括針對多光譜數(shù)據(jù)特點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)算法(Clark et al, 1987 ；Lyzenga, 1981 ；Philpot, 1989)和半分析算法(Lee et al.,2001 ；StumpfI, 2003, Adler-Golden et al., 2005, Albert and Gege,2006)，其中經(jīng)驗(yàn)算法針對不同水域、不同數(shù)據(jù)類型難以實(shí)現(xiàn)通用，需要現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型回歸。而半分析方法也需要針對不同水域采集實(shí)測水深數(shù)據(jù)對算法系數(shù)進(jìn)行訂正，并且因?yàn)槎喙庾V數(shù)據(jù)波段寬，光譜信息有限，上述算法均假設(shè)水體底質(zhì)類型單一，因此其水深反演誤差會隨著底質(zhì)類型的復(fù)雜程度增加而大幅增大。
[0004]隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是星載高光譜遙感數(shù)據(jù)信噪比的大幅提高和量化等級的增加，為清潔水體淺海水深反演提供了新的數(shù)據(jù)源。高光譜數(shù)據(jù)能夠提供水體豐富的光譜信息，為準(zhǔn)確提取淺海水深提供了可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法。該方法只需要針對高光譜數(shù)據(jù)載荷特征進(jìn)行一次算法系數(shù)訂正即可用于不同底質(zhì)類型清潔水體淺海水深的反演。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:首先對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、太陽耀斑去除、白帽訂正、水陸分割等數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到海水表面遙感反射率數(shù)據(jù)。然后利用現(xiàn)場實(shí)測水深數(shù)據(jù)尋找高光譜影像中水深最接近于O (0.2米以內(nèi))的像元，獲取其藍(lán)-黃(450-610nm)波段的光譜曲線作為參考光譜。接著計(jì)算影像水域范圍內(nèi)其他像元藍(lán)-黃波段光譜與參考光譜之間的光譜角，光譜角計(jì)算公式見公式(3)。利用實(shí)測水深數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)回歸建立相對水深(相對參考像元點(diǎn))與光譜角之間的函數(shù)關(guān)系，即得到水深反演函數(shù)。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是，由于光譜角能夠?qū)庾V信息進(jìn)行壓縮，突出光譜之間的主要差異，從而減少了底質(zhì)類型對反演算法的影響，此外，本發(fā)明針對一種遙感器只需進(jìn)行一次算法系數(shù)定標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)不同底質(zhì)類型水域的水深反演。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法流程

【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0010]圖1為本發(fā)明基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)淺海水深反演方法流程圖，如圖1所示，本發(fā)明反演清潔水體淺海水深流程如下:
[0011](I)高光譜遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理:
[0012]首先對要處理的高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射校正、大氣校正、海面校正、水域提取。首先進(jìn)行輻射校正將影像DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值，計(jì)算公式為公式(I):
[0013]Lb = Gain*DNb+Bias(I)
[0014]得到高光譜各波段輻射亮度影像后，采用6S大氣校正方法或者M(jìn)0DTRAN大氣校正算法進(jìn)行大氣校正，得到海表面遙感反射率數(shù)據(jù)。由于海表面太陽耀斑以及風(fēng)場引起的白帽效應(yīng)會對反射率數(shù)據(jù)造成影響，因此需要對得到的海表面遙感反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽耀斑去除和白帽訂正。對經(jīng)過上述處理的遙感反射率數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)的水體指數(shù)算法(MNDWI)提取水體部分影像。水體指數(shù)計(jì)算公式為公式(2)
[0015]MNDffI = (Green-MIR)/(Green+MIR)(2)
[0016]式中，Green表示綠波段，MIR為中紅外波段，MNDffI為改進(jìn)的水體指數(shù)，MNDffI大于O的像元即為水體像元。
[0017](2)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集獲取:
[0018]利用多波束水深儀或其他水深探測儀器獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的實(shí)測水深數(shù)據(jù)，同時(shí)通過全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀記錄測量點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并通過這些定位信息將這些實(shí)測水深數(shù)據(jù)與高光譜遙感數(shù)據(jù)對應(yīng)起來，得到現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與高光譜遙感反射率數(shù)據(jù)對應(yīng)數(shù)據(jù)集。
[0019](3)光譜角計(jì)算:
[0020]通過定位好的實(shí)測水深數(shù)據(jù)在高光譜影像中尋找到水深最接近于0(0.2米以內(nèi))的像元，獲取其450~610nm波段范圍內(nèi)的光譜曲線，以該光譜曲線為參考光譜，計(jì)算影像中每個(gè)水體像元對應(yīng)的450nm~610nm光譜曲線與該參考光譜曲線之間的光譜角。光譜角計(jì)算公式見公式(3)。

【權(quán)利要求】
1.一種基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法，其特征在于，所述基于高光譜數(shù)據(jù)光譜特征的水深反演方法包括以下步驟: S1:對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理得到水體區(qū)域的遙感反射率數(shù)據(jù)。 52:現(xiàn)場水深實(shí)測數(shù)據(jù)采集與定位； 53:利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)獲取最接近O米(0.2米以內(nèi))水深點(diǎn)450nm?610nm高光譜影像遙感反射率光譜作為參考光譜，計(jì)算其他水體像元對應(yīng)光譜與參考光譜之間的光譜角。 S4:利用部分實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算得到的光譜角對水深反演指數(shù)函數(shù)進(jìn)行系數(shù)訂正，得到針對該高光譜傳感器特征的水深反演算法。 S5:利用前述得到的水深反演算法進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)水深反演，并利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法，其特征在于，所述的SI中的高光譜遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射校正、大氣校正、海面校正、水域提取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法，其特征在于，所述的S2中的現(xiàn)場水深實(shí)測數(shù)據(jù)采集和定位包括船測水深數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)的GPS定位數(shù)據(jù)采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法，其特征在于，所述的S3包括: 531:利用實(shí)測水深數(shù)據(jù)和GPS定位信息尋找接近于O米水深的450nm?610nm光譜數(shù)據(jù)作為參考光譜； 532:計(jì)算遙感影像中各像元對應(yīng)450nm?610nm光譜數(shù)據(jù)與參考光譜之間的光譜角，光譜角計(jì)算公式參見公式(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法，其特征在于，所述的S4中的相對參考水深點(diǎn)水深與光譜角之間的函數(shù)關(guān)系為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即?=e(ax+b)，式中，Z表示像元對應(yīng)水深，Z0表示參考點(diǎn)水深(接近于O)，X為各像元相對參考光譜的光譜角，a和b為需要標(biāo)定的系數(shù)。函數(shù)關(guān)系中系數(shù)采用最小二乘擬合法進(jìn)行標(biāo)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于藍(lán)-黃波段高光譜數(shù)據(jù)的淺海水深反演方法，其特征在于，所述S5中的水深反演精度驗(yàn)證采用實(shí)測水深與反演水深均方根誤差和平均偏差進(jìn)行精度評估。
【文檔編號】G01S13/08GK104181515SQ201310188829
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】時(shí)春雨, 江碧濤, 李紫薇, 周春平, 楊曉峰, 蔡琳, 馬勝, 楊曉月, 馬璐, 趙俊保, 吳正升, 胡世倉 申請人:時(shí)春雨