论文专区▏多光谱遥感水深反演及其水下碍航物探测技术

【编者按：针对采用传统海洋测量手段难以获取危险及争议海区的水深和水下碍航物信息，提出了基于卫星遥感进行水深反演和水下碍航物探测的新思路。探讨了多光谱遥感水深反演的数据预处理方法、遥感水深反演模型的构建及水下碍航物遥感探测方法，并开展了相应的实验验证。实验表明，采用卫星遥感手段可以快速地获取测量船只不易到达海区的水深和水下碍航物信息，研究成果对海洋测绘技术的发展具有一定的指导意义和应用价值。本文发表在《海洋测绘》2015年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。黄文骞，男，1962年出生，福建南安人，教授，博士，主要从事海洋测绘、遥感和模式识别研究。】

文/黄文骞 苏奋振 杨晓梅 张洋洋

一、引言

海洋测绘是人类认知海洋、探索海洋与利用海洋资源的主要技术手段之一。近几十年来，人类在发展海洋测绘技术方面已取得了巨大成就，测量范围也不断地扩大。获取了类型众多、精度不一、分辨率各异的海量时变或非时变的海洋测量信息^[1]。与海洋测绘技术发展不太相称的是海岛礁区的测绘技术在方法上仍显得比较滞后，尤其是对暗礁密布测量船只难以到达的危险海域、存在争议或他国非法侵占岛礁附近海区的水深测量与水下碍航物探测，还依然缺少有效的技术手段，由于传统的海洋测量方法要求测量船只必须在测量海区上沿计划测线航行，显然在上述海区传统的测量手段难以实施，从而导致这些海区的水深信息和水下碍航物信息严重缺失。因此，危险海域、有争议或被他国非法侵占的岛礁附近海区的水深测量与水下碍航物探测技术，已成为海洋测绘学科发展中急待解决的难点之一，迫切需要探讨并提出相应的解决方法。因而急需研究基于卫星遥感的水深和水下碍航物探测方法。

在国外，20世纪60年代末，美国的科研人员就开始从事遥感测深方面的研究工作，分别以MSS、TM和航片等遥感数据为研究对象，探索了多种遥感水深反演方法。如提出基于底层反射模型的水深测量定量分析法、采用线性多波段反演模型提取水深值、进行多时相水深测图、基于多波段模型的水深及底部反射率信息的提取等^[2-6]。在国内，从20世纪80年代开始，在遥感测深方面也开展了一系列的研究，如利用MSS影像进行琼州海峡的水深遥感解译、利用TM遥感数据建立水深反演模型，通过对水体悬浮泥沙光谱特性的研究，建立考虑悬沙浓度影响的水深反演模型，以及利用ETM+遥感影像反射率和实测水深值之间的相关性，建立多因子模型、人工神经网络水深反演模型等^[7-20]。因此将卫星遥感技术引入到海洋测绘领域中，探索基于卫星遥感手段的水深信息获取与水下碍航物探测的新理论和新方法，以保证在危险及争议海区的大小船只的航行安全是非常有意义的。

二、多光谱遥感水深反演技术

多光谱遥感水深反演是以多光谱卫星遥感影像为研究对象，利用现代数学手段构建遥感水深反演模型，建立遥感影像与水深信息间的对应关系，获取采用传统海洋测量方法无法得到的危险及争议海区的水深数据。其主要研究内容包括以下几个方面。

⒈ 数据预处理方法

数据预处理是进行遥感水深反演的基础，虽然目前国内外在这方面已有许多研究可以借鉴，但由于数据预处理的好坏直接影响到水深反演的精度。因而必须给予充分的重视，加以深入研究ꎬ改进各种处理算法、优化模型与处理方案，进一步完善数据预处理的基础理论。数据预处理包括遥感影像预处理和水深数据预处理两部分。

遥感影像预处理的目的在于消除各种因素造成的噪声，增强有效信息，提高水深反演的可靠性。遥感影像预处理包括辐射校正、几何校正、水陆分离、影像增强等。其中，辐射校正需要针对不同遥感影像(如ETM影像、IKONOS影像、SPOT影像、WORLDVIEW等)，设计出相适宜的处理算法，以消除大气分子、气溶胶和云粒子等吸收与散射而引起的辐射误差。几何校正需要针对传统的几何校正方法不太适合缺少或无地面控制点的海区遥感影像，难以满足精度要求，提出基于空间投影的校正方案。同时研究遥感影像的数学基础变换方法，将遥感影像的数学基础(如ETM影像采用WGS-84坐标系、UTM投影)转换到与水深数据的数学基础相统一(如采用1954北京坐标系、墨卡托投影)。水陆分离目的是使遥感水深反演更有针对性，是在分析常用的监督分类和阈值分割两种经典提取水体信息方法的基础上，建立提取精度更高的基于水体光谱特征、空间特征与统计特征，结合地学知识和数据挖掘的水陆分离方法。影像增强是在对遥感影像噪声估计和质量评估的基础上，针对水深反演为微弱信息提取，进一步完善影像增强算法，扩大水体不同部分的层次感，提高影像细微结构的清晰度，使遥感影像上的水深信息得以加强。

水深数据预处理的目的是增强水深反演过程中空间信息的时空耦合，消除各种因素造成的误差，从而提高模型及水深反演的精度。水深数据预处理包括潮汐改正、数据匹配、相关性分析等。其中，潮汐改正是根据卫星过境时的潮汐资料和海上测量的实时验潮资料，研究深度基准的归算模型与转换公式，将水深数据的深度值改正到与遥感影像成像时同步的瞬时水深。以及将反演出来的水深变换到基于理论深度基准面的图载水深。数据匹配是指水深数据与遥感信息的对应关系，由于水深数据是某一点的精确深度ꎬ而遥感影像的灰度值是一个像元范围内的平均效果，如TM影像的一个像元对应的是30m×30m的范围，对于不平坦的海底，在这一范围内的水深变化可能很大。因此，用于遥感水深反演建模及检验反演精度的水深数据样本的选取必须考虑数据匹配的精度，需要有专门用于样本数据选取的数据匹配算法。相关性分析是在数据匹配的基础上，建立瞬时水深与影像光谱值的相关方程，进行相关性分析，选择相关性较好的遥感波段和波段组合作为水深反演因子。通过采用提高数据相关性和可靠性的处理方法，进一步优化水深反演的样本数据。

⒉ 遥感水深反演模型

遥感水深反演模型的建立是开展水深反演的关键，既要考虑各种影响水深反演精度的因素，又需要针对这些影响因素提出相应的改进和完善措施。由于不同海域的水质和水体底质差别较大。水体性质的差异直接影响了光波在水中的传输过程。光波进入水体后一方面受到水体内物质的散射和反射作用。使到达水底的光辐射量减少。这在一定程度上降低了离水辐射率的强度；另一方面光波传输也受到水中悬浮泥沙、叶绿素、浮游生物等的影响，使离水反射率综合反映了水体中悬浮物与溶解物等信息。因此，建立适合于实验海区的水深反演模型就显得尤为重要。这就需要对传统的遥感水深反演模型进行改进与完善，研究水质分类技术和水深分段技术，构建基于水质分类的分段水深反演模型。

目前，多光谱遥感水深反演模型主要有理论解译模型、半理论半经验模型和统计相关模型。理论解译模型主要是利用水体的物理光学理论，基于光在水体内的辐射传输方程，通过测量水体内部的光学参数来计算水体深度。半理论半经验模型是基于光在水体中的辐射衰减特性，采用理论模型与经验参数相结合的方式实现水深反演。统计相关模型是通过分析多光谱遥感数据与实测水深值之间的相关性，建立两者之间的统计相关模型，而获得水深数据。因而，对传统的遥感水深反演模型的改进与完善，就需要对国内外已建立的水深反演模型进行深入的分析，并提出进一步的改进和完善措施，使之能更好地应用于海区的水深反演。

水质分类技术主要是对研究海区的水体特性进行研究，包括对水色参数遥感反演和水体样本的光学特性测量，提出低浓度泥沙因子、高浓度泥沙因子、叶绿素因子的计算方法，以及对实验海区的水体样本进行光谱测量，获取水体的光谱反射率等。以去除或削弱环境因素对水深反演的影响，从而提高水深反演的精度。

水深分段技术是对海区的水体深度进行合理分段。由于不同水体深度海水的温度、盐度、密度等不同，使得同一水深反演模型在不同的水深范围内其水深反演精度差异较大，因而对于不同的水体深度采用不同的反演模型，可以有效地提高水深反演的精度。水深分技术包括:海区水深初反演，依据初反演水深进行水深初分段，为每一水深段建立相适应的水深反演模型，设计阈值和迭代算法，再次进行水深反演和水深分段调整，直到相邻两次反演的误差小于给定的阈值为止。

基于水质分类的分段水深反演模型是在反演精度较高的多因子模型和BP神经网络模型的基础上，引入考虑泥沙浓度、叶绿素等水质影响因子，结合水深分段技术，重新为每一水深分段建立包含水质影响因子的水深反演模型，通过提高每一分段水深的反演精度，从而提高整体水深的反演精度。

三、水下碍航物遥感探测技术

水下碍航物遥感探测不同于传统的海洋测量方法，由于不需要依靠海洋测量船只上的测量仪器去采集水下碍航物信息，因而它也是目前可以用来获取危险及争议海区水下碍航物信息的唯一途径。

水下碍航物的探测内容包括准确测定碍航物的位置、最浅深度、分布范围和性质等。它是在遥感水深反演的基础上，通过采用定性分析与定量计算相结合的方法，实现对探测海区水下碍航物的综合判别。定性分析主要以遥感影像分析判读、水下碍航物影像特征的检测与提取、海底三维地形生成为主，定量计算主要涉及实验海区的遥感影像处理、水深数据处理、遥感水深反演等内容。其中，水下碍航物位置的测定涉及到遥感影像的几何精校正和遥感影像数学基础的转换；最浅深度的提取需结合遥感影像分析和海区遥感水深反演实践生成的水深数据，利用算法编写的计算机程序从反演出来的水深数据中自动追踪出碍航物的最浅深度；分布范围的确定需通过设定的碍航深度，推算出相应的安全水深，然后再根据安全水深从遥感反演的水深数据中自动跟踪出安全等深线，确定碍航区范围，并生成碍航区数据，同时结合由反演水深数据生成的海底三维地形，判断碍航物的延伸范围及走向。而碍航物性质的确定则需要在研究各类碍航物如暗礁、干出礁、适淹礁、暗沙、暗滩等影像特征的基础上，结合由反演水深数据生成的海底三维地形进行分析判别。

四、实验验证

实验验证是遥感水深反演和水下碍航物探测方法研究的重要环节。实验海区选择南海某岛礁附近海区，遥感影像为IKONOS高分辨率卫星影像，建模用的70个水深控制点数据取自同一海区比例尺为1:7500的海图，其中，2～5m水深点24个，5～10ｍ水深点26个，10～15ｍ水深点12个，15～20ｍ水深点8个。应用最短距离法进行数据匹配，选择相关性较高的数据对，作为水深反演因子。采用最小二乘法，对不同的水深段分别构建遥感水深反演模型，并进行相应的水深反演试验。其中，水深值为12～20ｍ段的水深反演结果见图１，不同水深值范围内的水深反演误差计算结果见表１。

由图1和表１，不难看出采取水深分段建模进行遥感水深反演，可以有效地提高水深的反演精度，获得更接近于真实水下地形的水深数据，从而为海岛礁区的水下地形探测提供技术支持。

五、结束语

海洋测量的理论与方法研究始终是海洋测绘学科发展最活跃的领域之一。多光谱遥感水深反演及其水下碍航物探测技术，不同于传统的海洋测量方式，由于不需要测量船只航行到相应的测区进行海上作业，因而能够解决危险、存在争议或他国非法侵占岛礁附近海区的水深信息获取和水下碍航物探测。目前，多光谱遥感水深反演的精度与传统海洋测量还有一定的差距，且深度也较浅，尚不能替代常规的海洋测量，但对于测量船只不易到达的海区，采用遥感水深反演手段，却是唯一可以提供该海区水深信息的可行途径。尤其是是水下碍航物作为威胁船只航行安全的水下物体，由于其深度通常都较浅，正好可以发挥遥感水深反演的长处。因此，多光谱遥感水深反演及水下碍航物探测技术对于海洋测绘的应急保障有很好的应用前景。

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