HY-1C-D衛(wèi)星CZI數(shù)據(jù)的島礁淺海水深遙感無控反演能力評估

HY-1C/D衛(wèi)星CZI數(shù)據(jù)的島礁淺海水深遙感無控反演能力評估

張華國，馬蘊涵，厲冬玲，曹雯婷，王雋1.自然資源部第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室,杭州310000;2.上海交通大學(xué)海洋學(xué)院,上海2002401引言水深是海底地形測繪和海洋環(huán)境調(diào)查的基本要素之一（Zhang等，2019）。淺海水深探測在海洋軍事、船舶航行安全、島嶼開發(fā)利用和水生環(huán)境科學(xué)研究等方面扮演著越來越重要的角色（張振興和郝燕玲，2012）。船載單/多波束和機(jī)載雷達(dá)測深系統(tǒng)目前取得了顯著成效，均有較高的測量精度（Irish和Lillycrop，1999；Westfeld等，2017）。然而，這些傳統(tǒng)方法成本高、耗時耗力，在遠(yuǎn)離大陸的南海島礁，由于受到潮汐和暗礁的影響，測量船舶在淺水區(qū)通常受到限制（Su等，2014）。與實地測量相比，衛(wèi)星遙感則是一種空間覆蓋廣、時效性強、成本低的方法（Eugenio等，2015）。近幾十年來，眾多學(xué)者依靠豐富的多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，發(fā)展了很多水深反演算法，如理論模型（Lyzenga，1978；Lee等，2007；Dekker等，2011）、半分析模型（Lee等，1998，1999，2001）和統(tǒng)計模型（李麗，2016），極大地彌補了傳統(tǒng)方法的不足（Chen等，2019）。從米級的高分辨率數(shù)據(jù)，如WorldView-2/3/4、GeoEye-1、QuickBird、GF-1/2、Planet；到10m級別的中高分辨率數(shù)據(jù)，如Sentinel-2、Landsat-5/7/8都有應(yīng)用（黃榮永等，2019；盧剛等，2017；王紀(jì)坤等，2018；劉嘉鎏等，2020）。這些研究充分利用各類模型發(fā)掘了不同傳感器在水下地形反演的潛力：探討了各波段對水深反演的敏感度（Liu等，2021）、研究了不同底質(zhì)類型下的水深探測范圍（Liu等，2018）、建立了不同區(qū)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水深反演模型（王紀(jì)坤等，2018；張振興和郝燕玲，2012；樊彥國和劉金霞，2015）。但是目前針對30m以下空間分辨率的半分析模型水深反演研究還鮮有涉及，尤其是中國最新組網(wǎng)觀測的HY-1C/D衛(wèi)星，填補了中國水色衛(wèi)星無下午觀測數(shù)據(jù)的空白，觀測能力有了極大提升，但還未有開展其在淺海水深遙感反演及能力評估的報道。從當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r來看，對中國南海島礁及周邊淺海地區(qū)的水下地形進(jìn)行長時序、高頻動態(tài)觀測是相關(guān)海洋決策部門和軍事發(fā)展的一項重大需求（周旻曦等，2015；盛琳等，2015；王燕紅等，2018）?？紤]到HY-1C/DCZI數(shù)據(jù)寬覆蓋、高重訪的特點（王利民等，2019），基于CZI數(shù)據(jù)能夠以更高頻率獲取島礁淺海水下信息，更適合業(yè)務(wù)化運行。因此，為探討HY-1C/DCZI遙感影像在南海島礁淺海水深反演工作中的適用性，本文以西沙群島的永樂環(huán)礁為研究區(qū)域，針對HY-1C/D衛(wèi)星的CZI多光譜遙感數(shù)據(jù)，利用L-S模型（Xia等，2020）開展島礁淺海水深遙感反演與評估研究。2數(shù)據(jù)與方法2.1研究區(qū)概況本文研究區(qū)域為中國南海永樂環(huán)礁及周邊淺海海域，位于中國西沙群島西部，行政上隸屬于海南省三沙市，是西沙群島面積最大的珊瑚環(huán)礁，地理坐標(biāo)介于16°25'—16°37'N，111°33'—111°48'E，包括多個礁盤并發(fā)育有13個島嶼，淺海海底多被沙、珊瑚礁、海草等覆蓋，受人類活動影響較小，適合開展水深反演研究。研究區(qū)地理區(qū)位如圖1（a）。圖1研究區(qū)地理位置圖Fig.1Geographicallocationmapofthestudyarea2.2數(shù)據(jù)源海洋一號C、D衛(wèi)星分別于2018年9月7日和2020年6月11日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，雙星均配置了海洋水色水溫掃描儀COCTS（ChinaOceanColor&TemperatureScanner）、海岸帶成像儀CZI（CoastalZoneImager）、紫外成像儀UVI（Ultravioletimager）、星上定標(biāo)光譜儀SCS（SatelliteCalibrationSpectrometer）和船舶自動識別系統(tǒng)AIS（AutomaticIdentificationSystem）等5大載荷。其中海岸帶成像儀CZI為可見光傳感器，數(shù)據(jù)分為0級（L0）、1級（L1）、2級（L2）、3級（L3）和4級（L4），一軌L1B級數(shù)據(jù)幅寬約950km，成像時間約1min，空間分辨率50m，量化等級12bit。但與中、高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相比，空間分辨率較低、視場角較大，對不同區(qū)域的信噪比造成較大影響。L1B級多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過了幾何粗校正與輻射定標(biāo)。圖2所示為L1B級HY-1C/D衛(wèi)星的CZI傳感器數(shù)據(jù)，圖2（a）和2（c）分別為兩顆衛(wèi)星的整景遙感影像真彩色合成圖，圖2（b）和2（d）分別對應(yīng)研究區(qū)永樂環(huán)礁HY-1C/DCZI多光譜遙感影像圖。圖2原始真彩色合成遙感影像Fig.2OriginaltruecolorremotesensingimageryGeoEye-1衛(wèi)星于2008年9月6日從美國加州范登堡空軍基地發(fā)射，提供空間分辨率為0.5m的全色影像和2m的多光譜影像，量化等級11bit，幅寬15km，重訪周期2—3d。GeoEye-1衛(wèi)星的多光譜影像的質(zhì)量和信噪比代表當(dāng)前多光譜傳感器的國際先進(jìn)水平。本研究所用GeoEye-1的4個波段多光譜影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外）的成像時間為2015年7月2日，太陽天頂角22.7°，衛(wèi)星觀測角24.9°，覆蓋范圍為永樂環(huán)礁的甘泉島地區(qū)，圖1（b）所示為原始GeoEye-1遙感影像的真彩色合成圖，用于與HY-1C/DCZI數(shù)據(jù)的反演結(jié)果進(jìn)行對比，評估HY-1C/DCZI數(shù)據(jù)的水深探測能力。本文使用俄勒岡州立大學(xué)OSU（OregonStateUniversity）（張建良和楊曉坤，2016）開發(fā)的潮汐模型驅(qū)動程序分別計算了3景影像不同的成像時刻瞬時海平面相對于平均海平面的高度（表1），并對水深反演結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)修正。OSU潮位預(yù)測模型在中國沿海的預(yù)報精度為18—20cm左右（范長新，2019）。表1所用數(shù)據(jù)清單及對應(yīng)時刻潮位高度Table1Datalistandtidalheightatthetimeofimaging南海甘泉島實測水深點來自2012年的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)，具備亞米級空間分辨率，本文選取甘泉島范圍內(nèi)抽稀后0—20m水下范圍的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行水深反演結(jié)果的驗證。2.3反演方法本文基于Xia等（2020）提出的無需實測水深數(shù)據(jù)支持的L-S模型，應(yīng)用國產(chǎn)HY-1C/D衛(wèi)星的CZI多光譜遙感數(shù)據(jù)，在西沙群島的永樂環(huán)礁開展淺海水深無控反演實驗，圖3所示為基于L-S模型的HY-1C/DCZI數(shù)據(jù)水深反演流程。圖3基于L-S模型的HY-1C/DCZI數(shù)據(jù)水深反演流程圖Fig.3FlowchartofbathymetryinversionbasedonL-SmodelusingHY-1C/DCZIimagery首先對收集到的HY-1C/DCZI多光譜數(shù)據(jù)的L1B級天頂輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行地理投影定義、幾何精校正、大氣層頂表觀反射率計算、耀光校正、大氣校正等一系列預(yù)處理。然后應(yīng)用L-S模型反演得到島礁淺海水深信息，最后將甘泉島區(qū)域經(jīng)過潮位校正的結(jié)果與實測水深點進(jìn)行對比，同時與基于GeoEye-1衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果進(jìn)行交叉對比，進(jìn)而評估HY-1C/DCZI多光譜遙感數(shù)據(jù)在島礁淺海水深反演方面的應(yīng)用潛力。2.3.1圖像預(yù)處理（1）地理投影定義。對獲取到的HY-1C/DCZI傳感器的L1B級HDF5格式數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為TIF，并定義為WGS_1984_UTM_Zone_49N坐標(biāo)系，以確保與GeoEye-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有一致的地理空間參考。（2）幾何精校正。采用ImagetoImage的幾何校正方法，選擇GeoEy-1衛(wèi)星遙感影像為基準(zhǔn)影像，CZI數(shù)據(jù)為待校正影像，均勻選取一定數(shù)量的同名點之后，利用ENVI的自動尋找控制點功能進(jìn)行仿射變換，實現(xiàn)影像的自動幾何校正。（3）表觀反射率計算。CZI傳感器L1B數(shù)據(jù)為大氣層頂輻射亮度，根據(jù)式（1）轉(zhuǎn)換為大氣層頂表觀反射率（Markham和Barker，1987；梁超等，2020）。式中，ρ為無量綱的大氣層頂表觀反射率，Lλ為各波段傳感器處入瞳輻射亮度，單位mW/(cm2·μm·sr)，D為日地距離，F(xiàn)0為大氣層頂?shù)钠骄栞椪斩?，單位mW/(cm2·μm·sr)，θ為太陽天頂角，相關(guān)參數(shù)可于HDF數(shù)據(jù)集屬性文件中查看得到。（4）耀光校正。本文假定多光譜圖像深水區(qū)域近紅外波段海面的表面反射率極低且近紅外波段海面的輻射值僅有環(huán)境常量以及太陽耀光的貢獻(xiàn)，然后利用太陽耀光在近紅外波段與可見光波段存在良好的線性特性的性質(zhì)來消除太陽耀光的影響（Xia等，2020；Ma等，2021），相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：式中，(λ)是去除耀光后的表面反射率；Rrs是耀光校正后的遙感反射率；ρTOC(λ)為原始表面反射率；ρNIR為近紅外波段原始表面反射率；MINρNIR為近紅外波段原始表面反射率最小值；bλ為擬合系數(shù)。消除耀光之后剩余的噪聲為環(huán)境常量，即大氣貢獻(xiàn)。（5）大氣校正。本研究以MODIS數(shù)據(jù)深海區(qū)域的遙感反射率產(chǎn)品Rrs作為基準(zhǔn)，假定研究區(qū)域的大氣狀況均勻，并將研究區(qū)深水區(qū)域的遙感反射率光譜Rrs1校正到與MODIS一致，再根據(jù)深水區(qū)的校正量完成整個研究區(qū)影像的大氣校正（Xia等，2020；Ma等，2021）。圖4（a）、4（b）和4（c）分別為GeoEye-1、HY-1C/CZI和HY-1D/CZI影像預(yù)處理后的遙感反射率結(jié)果。為保證水深反演結(jié)果的可靠性，在圖4（a）中選取了一條斷面AB，將HY-1C/DCZI和GeoEye-1衛(wèi)星影像大氣校正之后的光譜進(jìn)行了對比；圖5（a）為斷面AB的光譜曲線在3景影像上的變化情況，圖5（b）為3景遙感影像的A點處大氣校正前后不同波長的反射率變化情況。圖5（a）表明，由于傳感器的信噪比差異，HY-1C/D衛(wèi)星CZI傳感器對水深及底質(zhì)變化的敏感程度稍差，導(dǎo)致深水區(qū)與淺水區(qū)的光譜對比度也稍微弱一些。整體來看，HY-1C/D衛(wèi)星CZI傳感器在可見光波段與GeoEye-1的光譜變化趨勢基本一致，具備水深反演的潛力。圖5b表明大氣校正對不同衛(wèi)星傳感器均有效，深水區(qū)在校正之前，HY-1C/D與GeoEye-1的光譜存在較大差異，校正之后基本趨于一致，另一方面說明了暗像元法大氣校正的穩(wěn)健性和通用性，適用于HY-1C/DCZI多光譜遙感數(shù)據(jù)的大氣校正。圖4遙感影像預(yù)處理結(jié)果（黃色剖面用于3.3節(jié)反演結(jié)果的交叉對比）Fig.4Preprocessingresultsoftheremotesensingimagery（Yellowprofilesareusedforcross-comparisonofinversionresultsinSection3.3）圖5大氣校正前后光譜對比結(jié)果Fig.5Spectralresultsbeforeandafteratmosphericcorrection2.3.2L-S模型原理L-S模型將對數(shù)比值模型（Log-ratioModel）和半分析模型（Semi-analyticalModel）相結(jié)合，實現(xiàn)了無需實測水深數(shù)據(jù)的大洋島礁淺海水深多光譜遙感反演，在GeoEye-1、WorldView-2、Sentinel-2、Gaofen-1和Landsat8等衛(wèi)星多光譜遙感數(shù)據(jù)中取得了較好應(yīng)用結(jié)果（Xia等，2020；Ma等，2021）。接下來簡要介紹L-S模型。（1）半分析模型。半分析模型中的水深H、底質(zhì)B與水體光學(xué)參數(shù)等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（Lee等，1998和1999）可唯一確定海面遙感反射率光譜曲線Rrs，算法核心如式（4）：式中，f表示非線性方程，P、G、X、B、H的物理意義如表2所示。表2水體生物光學(xué)模型參數(shù)及物理意義（張靚等，2011）Table2Parametersandphysicalmeaningsofwaterbio-opticalmodel相對于水深、底質(zhì)和光譜自身特性，不同像元間的水體特性變化可被視作是低頻信號，因此半分析模型假設(shè)在同一幅遙感影像中，水體性質(zhì)是恒定不變的，即P、G、X為常數(shù)。當(dāng)給定P、G、X的初始值及迭代范圍后，基于BFGS（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno）非線性最優(yōu)化算法，當(dāng)式（4）的模擬光譜與傳感器測量光譜最接近時，可得到不同P、G、X下的底質(zhì)反射率B和水深H的反演結(jié)果。（2）對數(shù)比值模型。由于藍(lán)綠光在水體中的穿透能力較強，因此對數(shù)比值模型常采用藍(lán)綠波段數(shù)據(jù)，模型如式（5）（Stumpf等，2003）：式中，m1，m0和n均為回歸系數(shù)；L(λi)表示第i個波段對應(yīng)的水體輻射能量。（3）L-S模型。由于多光譜影像波段數(shù)量的限制，無法直接得到半分析模型式（4）的最優(yōu)解，因此將半分析模型和對數(shù)比值模型結(jié)合，用式（5）對式（4）進(jìn)行約束，對于選擇的每個像元的水深都可表示為式（6）：在不斷迭代P、G、X的過程中，當(dāng)半分析模型反演水深和之間的相關(guān)系數(shù)最大時，B、H可認(rèn)為是最優(yōu)結(jié)果，P、G、X也可以正確代表當(dāng)時的水體特性，最后利用擬合的對數(shù)比值模型計算得到整個研究區(qū)域的水深信息。3結(jié)果與分析3.1水深反演結(jié)果利用L-S模型分別對HY-1C/D衛(wèi)星CZI數(shù)據(jù)預(yù)處理之后的遙感圖像進(jìn)行水深反演，圖6（a）和6（b）顯示了最終永樂環(huán)礁0—20m的計算結(jié)果，其中白色掩膜代表陸地、云或者浪花覆蓋的異常區(qū)域，黑色掩膜代表超出20m探測范圍的海域。從圖6（a）和6（b）在甘泉島的放大結(jié)果圖6（d）和6（e）來看，礁盤向外，水深逐漸增加，變化趨勢一致；整體來看，圖6（a）和6（b）中永樂環(huán)礁各島礁的礁盤及水下地形特征都較為明顯，兩顆衛(wèi)星的水深反演結(jié)果從礁盤向外都呈現(xiàn)“淺水—深水”的變化趨勢，表明HY-1C和HY-1D兩顆衛(wèi)星的CZI傳感器具備同樣的淺海水深探測能力。為了進(jìn)一步證明HY-1C/DCZI多光譜遙感數(shù)據(jù)水深探測的可靠性，本文基于GeoEye-1數(shù)據(jù)在甘泉島進(jìn)行了同樣的實驗流程，結(jié)果如圖6（c）所示。圖6（d）、6（e）與圖6（c）的反演結(jié)果相比，由于HY-1C/D衛(wèi)星的空間分辨率遠(yuǎn)低于GeoEye-1衛(wèi)星，信噪比也略差，所以圖6（d）、6（e）基于HY-1C/D衛(wèi)星CZI數(shù)據(jù)的反演結(jié)果未能像GeoEye-1數(shù)據(jù)一樣精細(xì)地表現(xiàn)甘泉島的水下地形特征。但是圖6（c）、6（d）、6（e）的水深變化趨勢基本一致，礁盤內(nèi)部較淺，向外水深增加。表明HY-1C/DCZI多光譜遙感數(shù)據(jù)基本具備了島礁淺海水深反演能力，反演結(jié)果穩(wěn)定。圖6不同衛(wèi)星傳感器的水深反演結(jié)果Fig.6Inversionresultsofbathymetrybasedondifferentsatellitesensors3.2水深反演結(jié)果定量驗證在有實測數(shù)據(jù)的甘泉島區(qū)域，對HY-1C/DCZI和GeoEye-1數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果進(jìn)行驗證。將點云數(shù)據(jù)抽稀，重采樣到50m、2m空間分辨率的水深點分別用于HY-1C/DCZI數(shù)據(jù)和GeoEye-1反演結(jié)果的驗證。圖7（a）、7（b）和7（c）分別為GeoEye-1和HY-1C/DCZI反演結(jié)果的驗證散點圖，MAE（MeanAbsoluteError）代表平均絕對誤差，MRE（MeanRelativeError）代表平均相對誤差。圖7甘泉島水深反演結(jié)果定量驗證Fig.7QuantitativevalidationofwaterdepthinversionresultsinGanquanIsland結(jié)果表明：HY-1C/DCZI影像在甘泉島地區(qū)開展水深反演的平均絕對誤差分別為1.60m和1.85m，相對誤差分別為22.48%和26.23%，反演效果較好。GeoEye-1的平均絕對誤差在亞米級，為0.78m，相對誤差為10.86%，精度最高。說明遙感影像的空間分辨率、信噪比等因素都會在一定程度上影響L-S模型在島礁淺海的水深反演精度。此外，幅寬是由衛(wèi)星高度和視場角共同決定的，如式（7）所示：式中，w代表幅寬，Z代表衛(wèi)星高度，α代表視場角。HY-1C/D衛(wèi)星CZI傳感器與GeoEye-1衛(wèi)星的幅寬差異很大，分別為950km和15km，說明HY-1C/D衛(wèi)星CZI傳感器的視場角大，拍攝一軌影像的持續(xù)時間長，對成像時間的變化更為敏感，不同時間的太陽角等環(huán)境因素的改變對傳感器接收的信號影響更顯著。因此，HY-1C/D衛(wèi)星CZI傳感器的大視場角特性也是水深反演誤差的主要來源。3.3水深反演結(jié)果交叉驗證將GeoEye-1反演得到的水深柵格圖重采樣到與HY-1C/DCZI空間分辨率一致（50m），在永樂環(huán)礁不同島礁選取了AB、CD等6條剖面（圖4（b））進(jìn)行不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果的交叉對比，如圖8所示。結(jié)果表明，從剖面AB的3次反演結(jié)果的斷面來看，HY-1C/D與GeoEye-1的反演結(jié)果相比基本重合，HY-1C/D兩顆衛(wèi)星CZI傳感器水深反演結(jié)果的變化趨勢也基本一致，有些剖面由于幾何校正誤差存在微小偏移。說明兩顆衛(wèi)星雖然經(jīng)過了統(tǒng)一的幾何校準(zhǔn)與圖像預(yù)處理，但是上午星HY-1C和下午星HY-1D由于成像時間不一致，太陽角和衛(wèi)星觀測角存在較大差異，幾何變形程度不一致，在光譜特征和空間配準(zhǔn)等方面還是不可避免地會存在較小偏差。另一方面，HY-1C/DCZI空間分辨率只有50m，幅寬950km，永樂環(huán)礁在影像上所占比例極小，1個像元的偏移則會產(chǎn)生50m的校正誤差。圖8圖4（b）中6條剖面水深反演結(jié)果變化圖Fig.8ChangingcurvesofthewaterdepthforthesixprofilesshowninFig.4（b）為進(jìn)一步對比HY-1C/DCZI與GeoEye-1衛(wèi)星的島礁淺海水深探測能力，逐像元提取了HY-1C和HY-1D衛(wèi)星在甘泉島區(qū)域的水深反演結(jié)果，并與相應(yīng)位置處的GeoEye-1水深（重采樣為空間分辨率50m）進(jìn)行交叉對比，圖9（a）、（b）所示分別為GeoEye-1與HY-1C和GeoEye-1與HY-1D之間定量對比的散點密度圖。圖9甘泉島水深反演結(jié)果的逐像素交叉對比散點密度圖Fig.9ScatterdensitymapsoftheinversionwaterdepthinGanquanislandpixelbypixel結(jié)果表明，甘泉島水深集中在7—12m，兩幅圖紅色的高密度區(qū)圍繞1∶1線分布，遠(yuǎn)離1∶1線的位置有少量離散點分布，平均絕對偏差分別為1.65m和1.81m，相對偏差分別為22.33%和23.83%。雖然HY-1C/D衛(wèi)星的水深驗證精度略差于GeoEye-1，但HY-1C/D衛(wèi)星反演結(jié)果的絕對誤差均在2m以內(nèi)，并且與基于高空間分辨率GeoEye-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果較為一致，說明HY-1C/D兩顆衛(wèi)星具備淺海水深探測能力，可用于島礁淺海水深探測，具有較高的參考價值。4結(jié)論本文基于HY-1C/D衛(wèi)星CZI傳感器的4個波段多光譜數(shù)據(jù)，以西沙群島永樂環(huán)礁為研究區(qū)，利用Xia等