无需实测水深数据的光学遥感双波段半分析水深反演算法改进与应用案例研究
作者：杨清杰
发布日期：2022-12-26
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近日，我室研究生杨清杰在在期刊Remote Sensing上发表了题为" Evaluation and Improvement of No-Ground-Truth Dual Band Algorithm for Shallow Water Depth Retrieval: A Case Study of a Coastal Island " 的研究论文，通讯作者为我室陈建裕研究员。合作者包括我室陶邦一副研究员以及自然资源部第三海洋研究所陈本清研究员。
无地表真值的浅水水深遥感反演研究常采用双波段反演算法，但该算法适用范围局限于浅水。本研究中，我们提出一种双波段模型改进方法，扩展了模型应用范围并且评估该新型双波段反演算法的性能，用于四幅图像并获得其沿海岸的水下地形。我们通过改变水柱特性，用Hydrolight重新模拟近岸水体的辐射衰减系数多元线性回归模型。在沿海岸线和等深线采样的像素上，计算了最佳系数和蓝绿波段值的乘积。结果表明，在四幅图像中，反演深度的平均偏差范围为1.73至2.96m。对于10m以下的浅层，均方根误差（RMSE）的总体精度更好，平均相对误差为11.89%。反演精度高于Lee的经典模型，并且比Chen的双波段模型具有更广泛的应用范围。图1. （a） 相同水深的线性回归函数。（b） 同一基质类型的线性回归函数g1/g2（c） 水深等深线与点选择位置。
以蜈支洲岛周围海域为例，其底质类型复杂多变，近岸底质类型以沙质为主。相同水深不同底质line_a，line_b的垂直向量a保证底质变化对水深无影响，沿岸shore_line与向量a乘积不为0，则表明单一底质类型对水深反演结果产生影响。本研究利用光学浅水和水深等值线中不同底质类型的点，计算双波段水深反演模型。研究证实基于水深等深线方法比海岸线方法在深水区更准确。该模拟方法在无水深数据的情况下反演水深具有良好的性能，提高了双波段模型在相对浑浊的浅水中反演的精度。四幅遥感图像说明了双频带模型在不同图像条件下的普遍适用性。
图2. 蜈支洲岛东南部海域遥感图像和测深反演结果的比较：（a）反演水深；（b）与东部点的相对误差；（c）东部区域的采样像素；（d）反演结果和机载激光雷达测深结果的比较。
本研究获得了国家自然科学基金浙江省工业化与信息化融合联合基金（U1609202）、国家重点研发计划（2016YFC1400903）、自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室项目（SOEDZZ2203），41-Y30F07-9001-20/22国家高分辨率专项研究；自然资源部第三海洋研究所科学研究基金会，编号2020011；国家自然科学基金（41376184和40976109）。Yang, Q.; Chen, J.; Chen, B.; Tao, B. Evaluation and Improvement of No-Ground-Truth Dual Band Algorithm for Shallow Water Depth Retrieval: A Case Study of a Coastal Island.Remote Sens. 2022, 14, 6231. https://doi.org/10.3390/rs14246231。
