近日，中國科學院南海海洋研究所博士劉永明與研究員唐丹玲，中山大學教授趙俊和鄧孺孺，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展。相關研成果究以《耦合多時相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用驗證》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的展示珊瑚礁水下地形，有助于珊瑚礁的管理和保護工作。傳統(tǒng)聲吶測深技術和機載激光雷達測深技術費時費力，難以應用于大面積離散分布的島礁的水深測量。隨著光學衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，基于高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演光學淺水的水深逐漸體現(xiàn)其大面積同步觀測和多時相觀測的優(yōu)勢。

　　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）只有一個近紅外波段和三個可見光波段。當實測水深數(shù)據(jù)缺失時，難以從清潔水體或渾濁水體提取水深信息，主要體現(xiàn)在三個方面：可見光波段數(shù)量較少，尤其是缺少深藍波段，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，難以開展渾濁水體的大氣校正；渾濁水體的固有光學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)驗模型。雖然耦合星載激光雷達ICESat-2數(shù)據(jù)和高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)是目前解決實測水深數(shù)據(jù)缺失問題的可靠方法，但是星載激光雷達掃描線之間有3.3 km的間隔，會遺漏面積較小的區(qū)域。

　　研究利用Landsat-8（空間分辨率等于30 m）的波段設置優(yōu)勢和高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率高的優(yōu)勢，建立了降尺度水深反演模型downscaled bathymetric mapping approach（DBMA）。該模型運用耦合優(yōu)化反演模型和經(jīng)驗模型的思路，在多時相Landsat-8數(shù)據(jù)中反演出水深，而后使用Landsat-8反演的水深對基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)（國產(chǎn)高分1/2、國產(chǎn)資源3、Sentinel-2A/B和Worldview-2）的經(jīng)驗模型進行定標，從而實現(xiàn)高空間分辨率水深信息的獲取。

　　應用結果表明，當水體分別為清潔水體時（以中國西沙群島和美國歐胡島為例），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)于實測水深數(shù)據(jù)定標的經(jīng)驗模型；當水體為渾濁水體時（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)于實測水深數(shù)據(jù)定標的經(jīng)驗模型。

　　尺度差異效應研究表明，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，由于離水反射率對水深變化的敏感性降低，當水深大于一定的值后，DBMA會低估水深，未來需要針對該問題進一步開展研究。

　　該研究可充分利用國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，提取南海典型島礁光學淺水區(qū)域的高空間分辨率水深信息，探究島礁水下地形。研究工作得到國家科技基礎資源調查專項、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）引進人才項目、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目、廣東省會議遙感重點實驗室和國家自然科學基金等的資助。

　　論文鏈接 

圖1.DBMA的技術路線圖

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