近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所博士劉永明與研究員唐丹玲，中山大學(xué)教授趙俊和鄧孺孺，以及自然資源部海島研究中心和自然資源部南海局等合作，在水深遙感反演研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研成果究以《耦合多時(shí)相Landsat-8數(shù)據(jù)和高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的降尺度水深反演模型：從清潔水體到渾濁水體的應(yīng)用驗(yàn)證》為題，發(fā)表在ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing上。

　　珊瑚礁是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。高空間分辨率的珊瑚礁水深信息可以精細(xì)的展示珊瑚礁水下地形，有助于珊瑚礁的管理和保護(hù)工作。傳統(tǒng)聲吶測(cè)深技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以應(yīng)用于大面積離散分布的島礁的水深測(cè)量。隨著光學(xué)衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，基于高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演光學(xué)淺水的水深逐漸體現(xiàn)其大面積同步觀(guān)測(cè)和多時(shí)相觀(guān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

　　然而，目前大部分星載高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)（空間分辨率小于或等于10 m）只有一個(gè)近紅外波段和三個(gè)可見(jiàn)光波段。當(dāng)實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)缺失時(shí)，難以從清潔水體或渾濁水體提取水深信息，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：可見(jiàn)光波段數(shù)量較少，尤其是缺少深藍(lán)波段，難以使用光譜匹配模型反演深水區(qū)域的水深；缺少短波紅外波段，難以開(kāi)展渾濁水體的大氣校正；渾濁水體的固有光學(xué)屬性并不完全取決于葉綠素，難以使用基于水體葉綠素的水深反演經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。雖然耦合星載激光雷達(dá)ICESat-2數(shù)據(jù)和高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)是目前解決實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題的可靠方法，但是星載激光雷達(dá)掃描線(xiàn)之間有3.3 km的間隔，會(huì)遺漏面積較小的區(qū)域。

　　研究利用Landsat-8（空間分辨率等于30 m）的波段設(shè)置優(yōu)勢(shì)和高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，建立了降尺度水深反演模型downscaled bathymetric mapping approach（DBMA）。該模型運(yùn)用耦合優(yōu)化反演模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃悸?，在多時(shí)相Landsat-8數(shù)據(jù)中反演出水深，而后使用Landsat-8反演的水深對(duì)基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)（國(guó)產(chǎn)高分1/2、國(guó)產(chǎn)資源3、Sentinel-2A/B和Worldview-2）的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行定標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)高空間分辨率水深信息的獲取。

　　應(yīng)用結(jié)果表明，當(dāng)水體分別為清潔水體時(shí)（以中國(guó)西沙群島和美國(guó)歐胡島為例），在0~12 m范圍內(nèi)，水深反演值的均方根誤差小于2 m，且在4~12 m的范圍內(nèi)的精度優(yōu)于實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)定標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?dāng)水體為渾濁水體時(shí)（以鹿回頭半島為例），水深反演值的均方根誤差小于2 m，并在3~5 m的范圍內(nèi)的精度優(yōu)于實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)定標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

　　尺度差異效應(yīng)研究表明，Landsat-8像元和高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的像元之間的尺度差異對(duì)模型反演精度影響有限。但隨著水深的增加，由于離水反射率對(duì)水深變化的敏感性降低，當(dāng)水深大于一定的值后，DBMA會(huì)低估水深，未來(lái)需要針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)一步開(kāi)展研究。

　　該研究可充分利用國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，提取南海典型島礁光學(xué)淺水區(qū)域的高空間分辨率水深信息，探究島礁水下地形。研究工作得到國(guó)家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專(zhuān)項(xiàng)、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）引進(jìn)人才項(xiàng)目、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、廣東省會(huì)議遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。

　　論文鏈接 

圖1.DBMA的技術(shù)路線(xiàn)圖

圖2.歐胡島和西沙群島部分區(qū)域的水深反演圖

圖3.鹿回頭半島部分區(qū)域的水深反演圖