海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究

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1、万方数据第27卷第6期2007年12月地理科学SCIENTIAGEOGRAPHICASINICAV01．27No．6Dec．，207海岸带浅海水深高光谱遥感反演方法研究王晶晶1，田庆久1，2(1．南京大学国际地球系统科学研究所，江苏南京210093；2．中国科学院中国遥感卫星地面站重点实验室，北京100086)摘要：近红外波段(760—900nm)反射率对水深最为敏感，通过波段比值方法可以提高与水深的相关性，而711nm处反射率一阶微分值与水深的相关系数高达一0．87。对于近岸混浊度高的样本，单波段和比值模型反演效果不好，平均相对误差均高于30％；而光谱微分模型的

2、精度较好，平均相对误差为17％。研究结果证明：水体反射率的一阶微分可以有效地削弱水质变化给水深反演带来的误差。关键词：遥感；水深；海岸带；微分光谱中图分类号：X87文献标识码：A文章编号：1000—0690(2007)06—0843—06海岸带水深量测是海岸带科学研究的基础与依据，遥感在海岸带地形变化动态监测、土地利用等方面已取得一定的研究成果¨曲J。从20世纪60年代末开始，国外学者在水深遥感研究方面做了不少探索。Jedovl_¨在假设研究区海底底质反射一致及水体衰减系数相同前提下，利用单波段模型进行水深反演。Paredes哺1提出用波段比值法消除不同海底底质反

3、射和水体衰减系数的影响。Spitzer【91基于双向流辐射传输模式提出几种水深反演算法和底质组成算法。Ji等¨叫提出基于水体后向散射的水深反演模型，适用于深水和水质较混浊水域。Vinodkumar等H¨指出受悬浮物质散射作用影响，IRS第4波段(770—800nm)最适合作为水深反演波段。Tripathi等¨副发现距离河口远近不同引起的水体混浊度变化带来反演水深的误差，引入混浊度影响因子(耵F)对模型进行校正。平仲良口纠从海水的透射率、后向散射系数、海底反射率与海面反射率间关系，推导遥感浅海水深的理论公式。李铁芳¨钊研究表明水体衰减系数越大水深分辨率越大，长波段的

4、衰减系数比短波段大，水体中含沙量增加也会导致衰减系数增加，提高水深分辨率。张鹰¨副等针对影响水深反演因素提出“水深综合影响因子”概念，利用研究成果进行水下地形和冲淤变化分析。由于水体的光学特性十分复杂，加之影响遥感反演水深的因素很多，还没有统一的定量模式或可靠的模型参数。目前水深遥感研究的重点是去除或削弱环境因素影响，提高水深遥感解译精度。高光谱传感器的出现，提高了光谱分辨能力，有利于识别反射信号微弱的水体信息。地物光谱仪作为实验室与卫星图象的桥梁，在遥感领域得以应用。本文利用地物光谱仪测量水体反射率，研究水深遥感定量反演的方法，比较单波段模型，波段比值模型以及微

5、分模型在试验区反演的结果和精度。1理论基础目前国内外利用遥感测量浅海水深的原理主要是利用太阳光在水体内部的穿透能力，通过遥感器采集水下一定深度范围内信息，再通过信息处理方法分离出水体厚度信息。光波穿透大气后到达水体表面，其中一部分能量在水气交界面处产生反射，返回大气中，其中绝大部分能量经水面折射进入水体，由于水体的吸收和散射，光波在传播过程中不断衰减，同时一部分散射光将被反射空气中，很少一部分光到达水底，被水底反射后也将返到空气中，又经大气被传感器接收(图1)D6]。图l中，‰为大气圈外太阳光辐照度；E。为天空漫反射照度；咒，％为大气透射率；R妒为水体中水分子和所

6、收稿日期：2006—10一09；修订日1tg：9-007一04-20基金项目：江苏省地质调查研究院委托项目“江苏海岸水下地形多尺度遥感成图关键技术研究”资助。作者简介：王晶晶(1981一)，女，江苏扬州人，博士研究生，主要从事海岸带遥感信息提取、高光谱定量遥感研究与应用。E-mail：im-mil03@163．eom万方数据地理科学27卷含物质反射率；R孵为水体表面反射率；RE为水体有效反射率(不包括Rw)；兄为水底反射率；0为大气路径辐射(后向散射)；o为大气传输后目标物辐射值；厶为传感器接收到的辐射值。传感器接收到的光辐射能量可表示成：L。=Lr+0(1)式中

7、，￡。可以通过大气校正消除，传感器上反映的水深信息主要来自L，：Lr=(三E+￡。。)咒=(

8、RE+R。。)乙，(2)，=EoTocosO+％(3)式中，k是离水辐射率，k水体表面的辐射率。LE=工(乙，￡。)(4)式中，乙是水底辐射率，￡。是水体内部物质后向散射的辐射率。所以可得：L，=五(咒，L6，五。，三。)(5)式(5)表明，o主要包含水体中三种信息：(1)水体表面直接反射的辐射能量L一(2)水体后向散射辐射能量L。；(3)水底反射辐射能量厶。图1光波在大气和水体中传播示意图Fig．1Radiativetransferprocessoflightinair

9、andwa