CN103017668B - 基于高光谱遥感反射率的海冰厚度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高光谱遥感反射率的海冰厚度计算方法。根据不同厚度的海冰高光谱遥感反射率，选取几个不同波长的遥感反射率的比值及其函数作为确定海冰厚度的特征，建立了海冰厚度计算模型，得到海冰厚度。针对含有海冰的航空高光谱影像，首先利用影像数字量化值的比值，识别海冰像元；然后按常规的航空高光谱影像处理方法，将影像数字量化值进行辐射校正和大气校正，得到海冰像元的高光谱遥感反射率；最后代入海冰厚度计算模型，计算海冰像元的厚度。本发明模型简单，仅仅选取了有限的几个波长的遥感反射率R_{rs ，}不仅实现了由地物光谱仪测量的海冰遥感反射率的海冰厚度计算，也实现了由航空高光谱遥感影像计算海冰厚度。

Description

基于高光谱遥感反射率的海冰厚度计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于高光谱遥感反射率的海冰厚度计算方法。

背景技术

海冰是地球表面的自然要素之一，海冰范围、厚度等是全球能量平衡、气候、水文以及生态模型的重要输入参数。渤海是我国纬度最高的海区，每年冬季渤海都有不同程度的结冰现象，这使得渤海成为我国海冰冰情最重的海区。

在各种海冰参数中，海冰厚度是冰量估算、冰情评估及灾害评价的关键指标，是冬季海上交通管理十分关注的因素；而且，海冰厚度与气候变化紧密相连，是控制热交换的主要因素，尤其最新形成的薄冰是控制海洋表面热量流、盐度流和水汽流的关键因子。因此准确监测海冰厚度，不仅有助于海上交通和海上工程的安全，还有助于海气通量的科学研究，对开展局部区域气候变化研究十分重要。

海冰厚度的探测主要依赖于现场观测，或者通过目测的海冰冰型推测出海冰厚度范围。从20世纪80年代起，国内外学者们就开始利用卫星遥感技术获取海冰的厚度。在大量海冰厚度与相应的遥感光谱的基础上，分析二者之间的相关性，建立海冰厚度的数学模型，实现大范围、经济、高效地海冰厚度监测。但是以上的研究涉及星载海洋光学遥感器的宽波段遥感数据的海冰厚度计算，而且其时间和空间分辨率较低，影响了海冰厚度的计算和监测。

随着高光谱数据的应用，可以获得更精细的海冰特征光谱，从而提高海冰厚度的计算精度。再加上航空遥感具有机动、灵活和空间分辨率高等特点，使其在近岸海域海冰监测方面具有优势。因此，发展基于高光谱遥感反射率数据的海冰厚度计算模型，并应用到航空遥感中是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高光谱遥感反射率的海冰厚度计算方法。

研究发现，根据不同厚度的海冰高光谱遥感反射率光谱曲线（如图1），波长在400~900nm区间内海冰遥感反射率光谱曲线呈现双峰形态分布，遥感反射率的比值及其函数具有识别海冰厚度特征，即

$\frac{R_{\mathrm{rs}}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)},\frac{R_{\mathrm{rs}}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left({\mathrm{\λ}}_4\right)+R_{\mathrm{rs}}\left({\mathrm{\λ}}_5\right)}$

其中R_rs为遥感反射率，λ为波长。分析不同波长下，遥感反射率的比值及其函数与海冰厚度之间的相关性，经分析发现，

$\frac{R_{\mathrm{rs}}\left(585\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(572\right)},\frac{R_{\mathrm{rs}}\left(744\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(702\right)+R_{\mathrm{rs}}\left(880\right)}$

与海冰厚度的对数值具有很强的相关性，相关系数分别为-0.8544和0.9789。由此建立海冰厚度计算模型（即公式）为：

$\mathrm{lg\; H}=7.2805-2.7793\frac{R_{\mathrm{rs}}\left(585\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(572\right)}+12.8452\lg \frac{R_{\mathrm{rs}}\left(744\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(702\right)+R_{\mathrm{rs}}\left(880\right)}$

其中H为海冰厚度。

本发明还可以用于由机载高光谱成像仪得到的航空高光谱影像中。首先从航空高光谱影像中识别出海冰像元后，再按照常规的航空高光谱影像处理方法，对上述的海冰像元的数字量化值进行辐射校正和大气校正，得到该像元的高光谱遥感反射率，最后再利用上述公式

$\mathrm{lg\; H}=7.2805-2.7793\frac{R_{\mathrm{rs}}\left(585\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(572\right)}+12.8452\lg \frac{R_{\mathrm{rs}}\left(744\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(702\right)+R_{\mathrm{rs}}\left(880\right)}$

得到海冰厚度彩色分布图（如图3）。

本发明适用的航空高光谱影像中由于经常是海冰和海水的混合，所以要先将海冰像元提取出来。选取波长为650nm和736nm的数字量化值DN比值，作为海冰像元和海水像元的识别特征，如下表。

当大于3.54时，该像元为海水；当小于3.54时，该像元为海冰，从而识别出海冰像元。

因此，本发明的具体方法是对于地物光谱仪实测的海冰遥感反射率光谱，直接代入海冰厚度计算公式，实现对海冰厚度的计算。对于采用机载高光谱成像仪得到的航空高光谱影像，首先识别出海冰像元而不是海水像元，然后按照常规方法将高光谱影像的数字量化值转换成高光谱遥感反射率，最后将海冰像元的遥感反射率代入海冰厚度计算公式中，也可以实现对海冰厚度的计算。

显然，本发明方法简单，仅仅选取了有限的几个波长的遥感反射率R_rs，不但实现了现场实测海冰遥感反射率的海冰厚度计算，而且也实现了由航空高光谱遥感影像计算海冰厚度。

附图说明

图1为本发明的现场地物光谱仪测得的不同厚度的海冰对应的遥感反射率光谱曲线图，海冰的实测厚度分别为1.0cm, 1.9cm, 4.0cm, 10.0cm, 19.0cm, 20.0cm, 23.0cm, 25.0cm。

图2 为本发明的由机载高光谱成像仪测得的辽东湾航空高光谱影像彩色合成图。

图3 为图2的航空高光谱影像计算的海冰厚度彩色分布图。

具体实施方式

本发明根据现场地物光谱仪测得的海冰遥感反射率光谱，直接选取波长为572nm, 585nm, 702nm, 744nm和880nm的遥感反射率，代入海冰厚度计算公式中，计算得到海冰厚度。

本发明对于机载高光谱成像仪得到的航空高光谱影像，首先计算航空高光谱影像数字量化值比值：

$\frac{\mathrm{DN}\left(650\right)}{\mathrm{DN}\left(736\right)}$

其中DN为影像的数字量化值；然后选取该比值小于3.54的像元，实现海冰像元的识别；进一步采用常规的航空高光谱影像处理方法，对航空高光谱影像的数字量化值进行辐射校正和大气校正，得到高光谱遥感反射率；对于海冰像元，选取波长为572nm, 585nm, 702nm, 744nm和880nm的遥感反射率，代入海冰厚度计算公式中，计算得到海冰厚度。

实施例1

利用地物光谱仪现场实测天然海冰得到的遥感反射率，计算海冰厚度。海冰的实测厚度分别为1.0cm, 1.9cm, 4.0cm, 9.5cm, 10.0cm, 15.0cm, 19.0cm, 20.0cm, 23.0cm, 25.0cm。

从海冰的高光谱遥感反射率光谱中，选取波长为572nm, 585nm, 702nm, 744nm和880nm的遥感反射率，计算得到的海冰厚度如下表所示。

实测值(cm)	计算值(cm)	绝对误差(cm)	相对误差(%)
				1.0	1.0	0.0	0.00
1.0	1.4	0.4	40.00
				1.9	1.7	0.2	10.53
1.9	1.4	0.5	26.32
				4.0	4.9	0.9	22.50
4.0	4.7	0.7	17.50
				9.5	12.4	2.9	30.53
9.5	13.8	4.3	45.26
				10.0	8.6	1.4	14.00
15.0	19.4	4.4	29.33
				19.0	17.4	1.6	8.42
20.0	21.0	1.0	5.00
				20.0	17.9	2.1	10.50
20.0	14.4	5.6	28.00
				23.0	24.7	1.7	7.39
25.0	14.0	11.0	44.00

分析海冰厚度计算精度的参数为海冰实测值与模型计算值的相关系数R²、平均相对误差APD和均方根误差RMS，计算公式如下：

$R^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(H_i-\stackrel{\‾}{H})(H_{\mathrm{mi}}-{\stackrel{\‾}{H}}_m)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(H_i-\stackrel{\‾}{H})}^2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(H_{\mathrm{mi}}-{\stackrel{\‾}{H}}_m)}^2}}$

$\mathrm{APD}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|H_i-H_{\mathrm{mi}}|/H_{\mathrm{mi}}\×100\%$

$\mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(H_i-H_{\mathrm{ni}})}^2}$

其中，n为海冰的样本数，H_i为第i个海冰样本的厚度模型计算值，H_mi为第i个海冰样本的厚度实测值，和分别为海冰厚度模型计算值和实测值的平均值。

经检验，海冰厚度实测值与模型计算值的相关系数R²=0.81，平均相对误差APD=21.2%，均方根误差RMS=3.6cm，小于4.0cm，其计算精度得到显著提高。

实施例2

对实验室条件下冻结的海冰，利用地物光谱仪测量得到遥感反射率数据，并计算厚度。海冰的实测厚度分别为6.5cm, 10.0cm, 20.0cm和32.0cm。

从海冰的遥感反射率光谱中，选取波长为572nm, 585nm, 702nm,744nm和880nm的遥感反射率，代入海冰厚度计算模型中，计算海冰的厚度。

实测值(cm)	计算值(cm)	绝对误差(cm)	相对误差(%)
				6.5	8.2	1.7	26.15
10.0	12.4	2.4	24.00
				10.0	15.1	5.1	51.00
10.0	13.0	3.0	30.00
				10.0	12.8	2.8	28.00
10.0	15.4	5.4	54.00
				20.0	22.8	2.8	14.00
32.0	32.7	0.7	2.19

经检验，海冰厚度实测值与模型计算值的相关系数R²=0.97，平均相对误差APD=28.7%，均方根误差RMS=3.3cm，小于4.0cm。

实施例3

利用辽东湾冬季存在海冰海域的航空高光谱影像（如图2）进行海冰厚度计算。首先计算原始影像的数字量化值小于3.54，识别出海冰像元；然后对航空高光谱影像进行几何校正、辐射校正和大气校正，获得遥感反射率；对于海冰像元，选取波长为572nm, 585nm, 702nm,744nm和880nm的遥感反射率，代入海冰厚度计算模型中，计算得到的海冰厚度空间分布见图3，冰厚分布范围为1.0~25.0cm，其计算结果合理。

综上所述，本发明采用现场的和实验室测量的海冰高光谱数据，进行海冰厚度计算，其均方根误差在4.0cm以内；利用航空高光谱影像计算海冰厚度，得到的计算结果合理。

Claims (2)

1.一种基于高光谱遥感反射率的海冰厚度计算方法，其特征是对于海冰遥感反射率，直接选取波长为572nm, 585nm, 702nm, 744nm和880nm处的遥感反射率，利用如下的海冰厚度高光谱遥感计算公式，

$\mathrm{lg\; H}=7.2805-2.7793\frac{R_{\mathrm{rs}}\left(585\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(572\right)}+12.8452\lg \frac{R_{\mathrm{rs}}\left(744\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(702\right)+R_{\mathrm{rs}}\left(880\right)}$

其中，H为海冰厚度，R_rs为遥感反射率，

计算即得到海冰厚度。

2.对于航空高光谱影像的海冰厚度计算方法，其特征是首先利用航空高光谱影像数字量化值DN进行如下运算：

$\frac{\mathrm{DN}\left(650\right)}{\mathrm{DN}\left(736\right)}$

选取其比值小于3.54的像元，先识别出该像元为海冰像元；然后按照常规的航空高光谱影像处理方法对上述的海冰像元的数字量化值进行辐射校正和大气校正得到该像元的遥感反射率，再利用公式

$\mathrm{lg\; H}=7.2805-2.7793\frac{R_{\mathrm{rs}}\left(585\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(572\right)}+12.8452\lg \frac{R_{\mathrm{rs}}\left(744\right)}{R_{\mathrm{rs}}\left(702\right)+R_{\mathrm{rs}}\left(880\right)}$

其中，H为海冰厚度，R_rs为遥感反射率，

计算海冰厚度。