一种适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法技术

一种适用于高光谱影像的高浊度水下地形反演方法，包括：获取需要反演的高光谱卫星遥感影像，同步采集研究水域的实测水深数据及实测表层水体含沙量数据；统计采样点水深与对应光谱特征曲线，获取对含沙量反射光谱较不敏感的波谷波段反射率；根据所述波谷波段反射率，建立水深及反射率之间的相关关系函数，将表层含沙量作为主控因子改变函数斜率，构建水深与表层含沙量的反演模型；利用上述反演模型，结合高光谱卫星遥感影像，实现对高浊度水下地形的定量反演，得到水下地形的分布情况。通过实验验证，该方法能提高可见光卫星遥感对高浊度水下地形反演的精度，使得高光谱卫星影像可应用于高浊度水下地形监测领域。用于高浊度水下地形监测领域。用于高浊度水下地形监测领域。

A high turbidity underwater terrain inversion method for hyperspectral satellite images

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法


本专利技术属于遥感技术应用和水下地形测绘领域，涉及利用高分辨率光学遥感影像定量反演高浊度水下地形的方法。

技术介绍

水深测量是进行科学研究的基础，水深变化对于海岸带开发、航运交通、海洋工程、国防安全等都有着极其重要的意义。传统的海洋水深测量方法包括测量杆法、垂线法、多波束测深法等，这些方法由于受船舶、人力等资源条件以及海况等自然因素的限制，效率低、成本高，测量精度受海况天气等因素影响，很难进行大范围长时间的同步性测量。在我国星载卫星技术日趋成熟的背景下，现场光谱测量方式逐渐应用到水深测量领域。目前现场光谱测量方式主要有水上光谱测量和剖面光谱测量，由于高浊度水域的透明度不高，水下光谱测量时会产生过高的辐射衰减，因此一般在高浊度水域采用水上光谱测量。虽然水上光谱测量可以实现大面积水域的水下地形分布监测，但受限于光谱分辨率、水体光学特性等因素影响，对高浊度水体的水下地形反演精度普遍较低，现多应用于低浊度、透明度较高水域的水下地形测量。随着遥感技术的发展，高光谱遥感由于高分辨率、波段少、数据数量级小、信噪比低等优势，大大提高对地物分类与识别的能力。然而，高光谱遥感地形反演的算法受区域影响较大，模型的可移植性差且精度不高。因此，亟需一种普适性、高精度的定量反演高浊度水下地形的方法。

技术实现思路

本专利技术的目的在于提供一种适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法，提高可见光卫星遥感对高浊度水下地形反演精度，使得高光谱卫星影像可应用于高浊度水下地形监测领域。本专利技术可以通过以下技术方案实现：一种适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法，包括如下步骤：步骤一：获取需要反演的高光谱卫星遥感影像，同步采集研究水域的实测水深数据及实测表层水体含沙量数据；步骤二：统计采样点水深与对应光谱特征曲线，获取对含沙量反射光谱不敏感的波谷波段反射率；步骤三：根据步骤二的波谷波段反射率，建立水深及反射率之间的相关关系函数，将表层含沙量作为控制因子改变函数斜率，构建水深与表层含沙量的反演模型；步骤四：利用上述反演模型，结合高光谱卫星遥感影像，实现对高浊度水下地形的定量反演，得到水下地形的分布情况。可选地，步骤二中包括：根据所述高光谱遥感影像进行几何校正、辐射定标、大气
校正等预处理操作，获取表层含沙量采样点的高光谱卫星遥感影像反射率数据；根据所述研究水域的实测表层水体含沙量数据，绘制在不同含沙量下的波长与反射率相关的星地同步光谱特征曲线；根据所述星地同步光谱特征曲线的变化特征，获取可见光波长范围内的曲线主峰、次峰所在波段反射率，即含沙量敏感波段反射率；获取可见光波长范围内的曲线波谷所在波段反射率，即含沙量不敏感波段反射率。可选地，步骤三中所述的表层含沙量是通过指数模型构建表层含沙量SSC和敏感波段反射率之间的算法而获得。步骤三中根据所述研究水域的水深数据与对应水体光谱特征绘制散点图，通过公式y＝a1e
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+a3，以a1为函数变量，a2、a3为常量，建立水深与水体表层含沙量之间的反演模型；其中，y为研究水域水深；r为水深反演波段反射率；a1通过与所述实测表层水体含沙量利用最小二乘法进行线性拟合，得到公式a1＝b1SSC+b2，从而建立所述的表层水体反演含沙量与水深之间的关系，其中b1、b2为常量；SSC为表层水体反演含沙量。其中，常量a2、a3的数值是通过幂指数函数和实测数据拟合得到的，相关系数足够高即可；相关系数越高，精度越高。对于常量b1、b2同样。可选地，为尽可能消除含沙量对水深反演模型的影响，选择单个测量断面作为研究对象。可选地，选取不同含沙量的断面综合分析。可选地，所述断面的数量不少于3个。根据所述研究水域随机日期的高光谱卫星遥感影像，通过上述步骤可获取其水深数据。由于高浊度区域的含沙量是很大的，要测量该水域的地形现如今只有野外多波束测量等方式，但是很耗时耗力且只能测定部分区域。本专利技术针对高浊度水域的水下地形测量需求，借助高光谱卫星穿透性强、分辨率高等特点，基于高光谱卫星影像进行反演建模，将表层含沙量作为主要影响因子代入水下地形反演模型中，可以得到高浊度水下地形，从而弥补高光谱卫星遥感对高浊度水下地形在反演精度上的不足。
附图说明
图1为本专利技术方法流程图。图2为本专利技术一种实施例
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2019年3月27日长江口采样断面布置图(左：高分五号卫星影像；右：观测点示意图)。图3为星地同步观测点卫星影像光谱特征曲线。图4为采样断面水深与反射率关系拟合。图5为a1与SSC关系拟合。图6为含沙量反演模型率定结果。图7为图2所示实施例
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2019年3月27日长江口水下地形反演结果对比(断面1、断面2和断面3对比图)。
具体实施方式
本专利技术提供了一种适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法，利用高光谱卫星影像所具有的高光谱分辨率和宽谱段特点，提高可见光卫星遥感对高浊度水下地形反演精度，使得高光谱卫星影像可应用于高浊度水下地形监测领域。需要说明的是，光谱特征曲线是记录在遥感影像中的，通过后处理(ENVI、MATLAB等方法)可提取出目标点的光谱特征曲线。本专利技术选取了多个不同区域采样点，且不同采样点含沙量具有差异，旨在形成含沙量梯度，为选取对含沙量不敏感的波段做准备。水体泥沙反射光谱具有两个反射峰，小于0.16kg/m3的水体会在560nm～590nm形成第一个反射峰，大于0.16kg/m3的水体在690nm～720nm形成第二个反射峰，在含沙量反演过程多采用这两个波段作为含沙量的敏感波段，采用单波段或双波段用统计模型方法进行拟合。以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步的说明。根据本专利技术的适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法进行实验，具体实施方式包括以下步骤：获取高浊度研究水域的高光谱卫星遥感影像，对影像进行几何校正、辐射定标、大气校正等预处理操作，分析得到高光谱卫星遥感影像的遥感反射率数据。同步采集卫星影像所覆盖的研究水域水深数据及水体表层含沙量数据。通过例如ENVI、MATLAB等遥感影像后处理方式，提取不同含沙量的反射率数据，绘制星地同步光谱特征曲线。以2019年3月27日长江口水域的高分五号高光谱影像为例，为尽可能消除含沙量对水深反演模型的影响，选择单个测量断面作为研究对象，根据含沙量模型的反演结果，以2019年3月27日影像的水深测量断面中选择以下3个断面进行分析，其中北槽上段水深在横向上梯度较大，布置2条断面，分别如图2中的断面1、断面2；南槽布置1条断面，如图2中的断面3。上述测量断面的含沙量变幅在0.040kg/m3～2.630kg/m3之间，属于高浊度水域。需要说明的是，一般情况下，断面的选取和含沙量的大小相关。本模型的水深反演首先需要找出对含沙量不敏感的波段，因此在选取断面的过程中仅需要提供几个不同含沙量的断面即可，例如3个及以上。根据星地同步监测获得的不同含沙量水体卫星影像光谱特征曲线(如图3)。受水体强吸收作用，690nm
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750nm波段呈现迅速下降趋势并出现反射谷，故选取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：获取需要反演的高光谱卫星遥感影像，同步采集研究水域的实测水深数据及实测表层水体含沙量数据；步骤二：统计采样点水深与对应光谱特征曲线，获取对含沙量反射光谱不敏感的波谷波段反射率；步骤三：根据步骤二的波谷波段反射率，建立水深及反射率之间的相关关系函数，将表层含沙量作为控制因子改变函数斜率，构建水深与表层含沙量的反演模型；步骤四：利用上述反演模型，结合高光谱卫星遥感影像，实现对高浊度水下地形的定量反演，得到水下地形的分布情况。2.如权利要求1所述的适用于高光谱卫星影像的高浊度水下地形反演方法，其特征在于，步骤二中包括：根据所述高光谱遥感影像进行几何校正、辐射定标、大气校正等预处理操作，获取表层含沙量采样点的高光谱卫星遥感影像反射率数据；根据所述研究水域的实测表层水体含沙量数据，绘制在不同含沙量下的波长与反射率相关的星地同步光谱特征曲线；根据所述星地同步光谱特征曲线的变化特征，获取可见光波长范围内的曲线主峰、次峰所在波段反射率，即含沙量敏感波段反射率；获取可见光波长范围内的曲线波谷所在波段反射率，即含沙量不敏感波段反射率。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼飞，周海，季岚，侯仲荃，张赛赛，鲍道阳，颜惠庆，赵红萍，
申请(专利权)人：中交上海航道勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：