科研进展

唐丹玲团队创新性构建降尺度卫星遥感水深反演模型

发布时间:2021-08-20    来源:南海生态环境权益综合研究U团队

    广州海洋实验室唐丹玲教授团队与中山大学赵俊、邓孺孺教授等合作,在卫星遥感水深反演方面研究取得重要进展。研究团队建立了一个耦合多时相Landsat-8数据和高空间分辨率卫星遥感数据的降尺度水深反演模型downscaled bathymetric mapping approach(DBMA),可充分利用国产高分卫星数据的优势,提取典型岛礁光学浅水区域的高空间分辨率水深信息,研究岛礁水下地形。该成果在遥感顶级期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing(IF:8.979)上发表,论文第一作者刘永明博士,通讯作者唐丹玲教授。
    高空间分辨率的岛礁水深信息可以精细的展示岛礁水下地形。但是传统声呐测量技术和机载激光雷达测深技术费时费力,难以开展大面积离散分布区域的水深测量。随着光学卫星遥感技术的发展,基于高空间分辨率卫星遥感数据反演水深逐渐体现其大面积同步观测和多时相观测的优势。然而,目前大部分星载高空间分辨率卫星数据只有一个近红外波段和三个可见光波段。当实测水深数据缺失时,难以从清洁或者浑浊的光学浅水中提取水深信息。虽然耦合星载激光雷达ICESat-2数据和高空间分辨率卫星数据是目前解决实测水深数据缺失问题的主要方法,但是星载激光雷达扫描线之间有3.3 km的间隔,会遗漏面积较小的区域。因此,现有方法无法在不遗漏小区域的情况下反演不同水体类型的高空间分辨率水深,需要结合多源面状数据来填补空白。研究团队建立的降尺度水深反演模型DBMA,发挥Landsat-8波段设置的优势和高空间分辨率卫星数据高空间分辨率的优势,首先利用耦合优化反演模型和经验模型的思路从多时相Landsat-8数据中反演出水深,然后对高分辨率卫星数据(国产高分1/2、国产资源3、Sentinel-2A/B和Worldview-2)的经验模型进行定标,从而实现高空间分辨率水深数据的获取。
    结果表明,当水体为清洁光学浅水时(以中国西沙群岛和美国欧胡岛为例),在0~12 m范围内,水深反演值的均方根误差小于2 m,并且在4~12 m的范围内的精度优于实测水深数据定标的经验模型。当水体为浑浊光学浅水时(以鹿回头半岛为例),水深反演值的均方根误差小于2 m,并在3~5 m的范围内的精度优于实测水深数据定标的经验模型。尺度差异效应的研究表明,Landsat-8像元和高分辨率卫星数据的像元之间的尺度差异对模型反演精度影响较小。但是由于随着水深的增加,离水反射率对深水变化的敏感性降低,当水深大于一定的值后,DBMA会低估水深,未来需要针对该问题进一步开展研究。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271621002008


图1 DBMA的技术路线图


图2 欧胡岛和南海西沙群岛部分区域的水深反演图


图3 南海鹿回头半岛部分区域的水深反演图
 

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