CN104197902A

CN104197902A - 一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法

Info

Publication number: CN104197902A
Application number: CN201410463064.5A
Authority: CN
Inventors: 张华国; 李济然; 傅斌; 楼琇林; 厉冬玲; 史爱琴
Original assignee: Second Institute of Oceanography SOA
Current assignee: Second Institute of Oceanography SOA
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2014-12-10

Abstract

本发明提供了一种新的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，利用光学遥感图像中呈现的海浪特征信息（波纹及其变化信息），依据有关理论，通过信息提取和转换处理，获得近岸浅海地形信息。本发明针对浅海区域的地形测绘需求，根据浅水波理论和线性波理论，利用高分辨率光学遥感图像上的海浪特征信息，建立了基于单景高分辨率光学遥感图像的浅海地形提取方法，可实现不输入任何外部初始参数和控制参数的情况下，仅由一景高分辨率光学遥感图像就可以提取浅海区域的地形信息，是遥感信息技术应用方面的一项创新，是对近岸浅海地形测量的一个有益补充，具有极大的实用价值。

Description

一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法

技术领域

本发明属于遥感技术应用和海底地形测绘领域，具体是一种能够利用单景高分辨率光学遥感图像中的波浪特征信息，如所希望那样提取浅海地形信息的方法。

背景技术

海底地形测绘是探索和研究海洋的第一步，是开发和保护海洋的首要条件，也是现今海洋学研究的迫切需求。在回声测深仪发明之前，主要靠测深杆和测深锤来测量水深，测量精度较差。20世纪20年代回声测深仪出现之后，现代意义上海图的绘制才得以实现。但早期的测深仪为单波束发射，一次发射只能得到测量船正下方的水深，因而只能实现点、线测量，无法反映测线之间的地形地貌。1970年代中期出现的多波束测深技术实现了带状测量（最大宽度可达水深的7倍），显著提高了测深效率。尽管如此，在大范围浅海地形测量任务中，仍存在测量周期长、人力消耗大和资金需求高等劣势。

随着遥感技术的出现和发展，根据光学遥感图像包含的海洋水体散射和海底反射特征信息与水深的关系，研究提出了一系列光学遥感测深方法，包括基于单波段或多波段的统计模型和半经验模型等方法。但因为该方法基于水体的光谱信息进行水深探测，因此，其适用性受水体浑浊度和海面波动影响与限制，仅适用于清澈且平静的海域条件。另外，当光学遥感器、太阳和观测海面呈现特定的空间几何关系时，太阳通过海面的镜面直接进入遥感器，而在遥感图像上呈现太阳耀光，此时的遥感图像已无法准确提取水体光谱信息。然而，包含太阳耀光信息的光学遥感图像，能记录海面的起伏和粗糙度特征。当遥感图像的空间分辨率足够高时，海浪在光学遥感图像中呈现亮暗相间的条纹。根据近岸浅水波传输理论，海浪从水深向浅海传播时，受水深的影响，海浪波长变短，且海浪的波长、频率与水深存在定量关系。基于该原理，目前已有采用连续拍摄（间隔10秒）的多景光学遥感图像提取海浪传播速度和频率，进而进行水深测量的方法。但连续多景遥感图像的获取成本很高。

本发明针对近岸浅海地形快速、高效、经济的测绘需求，利用单景高分辨率光学遥感图像中广泛存在的海面波浪信息，测量海浪波长及其变化信息，基于浅水波理论提取浅海地形信息。

发明内容

本发明的目的是提供了一种新的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于其包括以下步骤：

（1）获得包含海面波浪信息的高分辨率光学遥感图像，采用几何校正方法进行遥感图像定位配准，使其具有较准确的地理空间参考；

（2）测量远岸深水区海浪波长；

（3）计算工作区的海浪频率；

（4）选定一定数量的测量点；

（5）计算每一个测量点的海浪波长；

（6）计算每一个测量点的水深；

（7）对全部测量点的水深数据进行空间插值，获得工作区的地形数字高程模型，提取等深线信息，完成浅海地形提取。

所述的一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（2）中以遥感图像上离海岸最远的位置为起点，沿尽可能垂直于海岸的参考线，以50-100个像素为步长（r）依次截取8—12个系列子图，子图的大小为N×N像素，其中N为例如64、128、256、512 的2的指数，采用二维快速傅里叶变换（FFT）计算每个子图的频率谱，选定频率谱中频率最高处，确定其相对中心点的位置（u，v），计算该子图的海浪波长，计算公式如下：

其中为所求的海浪波长（单位：m），为遥感图像分辨率（单位：m），为子图像大小（单位：像素），逐一计算获得全部系列子图的海浪波长，计算系列海浪波长的算术平均作为远岸深水区的海浪波长。

所述的一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（3）中根据步骤（2）计算获得的远岸深水区的海浪波长，计算海浪频率，根据线性波理论，在满足水深的深水区，海浪频率仅与海浪波长相关，海浪频率的计算方法如下：

其中，为海浪频率（单位：Hz），为海浪波长，为重力加速度（单位：ms^-2），根据线性波理论，海浪频率在海浪传播到近岸的过程中比较保守，基本不变，因此，此海浪频率可以作为整个工作区的海浪频率。

所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（4）中根据光学遥感图像上海面波浪信息分布特征，在海浪信息清晰的区域选择测量点，测量点的位置尽可能均匀地分布于工作区域内，且测量点的数量尽可能多。

所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（5）中根据步骤（4）确定的每一个测量点计算海浪波长，计算操作步骤如下：1）在基本垂直于海浪条纹的方向上，通过测量点绘制一条辅助线，使其跨越2-5个连续分布的海浪条纹；2）依辅助线位置提取遥感图像的灰度剖面线，对于海浪清晰的区域，剖面线呈现波浪形；3）依次计算连续两个波峰之间的距离，作算术平均后作为该测量点的海浪波长。

所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（6）中根据步骤（5）中计算获得的测量点的海浪波长和步骤（3）中计算获得的工作区海浪频率，计算测量点的水深，计算方法如下：

其中，为水深值（单位：m），为海浪频率，为海浪波长，为重力加速度。

所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（7）中将通过步骤（6）完成水深计算的所有测量点进行水深数据空间插值计算，构建连续的栅格化浅海地形数字高程模型（DEM），提取等深线。

具体来说，海浪从深水区向近岸浅水区传播时，会发生海浪波长变短和方向趋于平行于海岸的波浪折射现象，海浪能在高分辨率光学遥感图像上成像，呈现为清晰的亮暗条纹间或分布的海浪纹理信息。其原理是：波动的海浪导致海面起伏，从而该表了海表面倾斜度和粗糙度，海面倾斜度和粗糙度的改变引起海-气界面太阳耀光散射强度的改变，从而在遥感图像上呈现亮暗条纹间或分布的海浪波纹信息，据此可获得海浪波长及其变化信息。而近岸的海浪波长与水深密切相关，水深与海浪波长、频率之间存在定量关系。同时，根据线性波理论，海浪从远岸深水区传播到近岸浅水区时，海浪频率较为保守，基本保持不变。而且在远岸深水区，海浪波长与频率两者之间存在简单的定量关系。因此，可利用上述原理，从单景高分辨率光学遥感图像上的远岸深水区测量波长、计算海浪频率，并将深水区海浪频率作为近岸浅水区的海浪频率，与浅水区的海浪波长一起用于浅海水深地形信息提取。

本发明利用海浪在遥感图像中呈现的特征信息（海浪条纹），结合线性波理论，确定了从单景高分辨率光学遥感图像上提取浅海地形的方法。

本发明的有益效果是：

多波束和单波束测深已成为当前浅海水深测量的主要手段，但受测量周期、人力消耗和资金的限制，尚有很多区域无法进行全覆盖测量，更新测量更是不足，另外对于近岸5m以浅的极浅区域，更是难以有效测量。本发明针对浅海区域的地形测绘需求，根据浅水波理论和线性波理论，利用高分辨率光学遥感图像上的海浪特征信息，建立了基于单景高分辨率光学遥感图像的浅海地形提取方法，可实现不输入任何外部初始参数和控制参数的情况下，仅由一景高分辨率光学遥感图像就可以提取浅海区域的地形信息，从而降低了浅海地形提取成本和对外部参数的依赖，是遥感信息技术应用方面的一项创新，是对近岸浅海地形测量的一个有益补充，具有极大的实用价值。

附图说明

图1是利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法技术路线图；

图2是工作区、测量点和远岸深水区海浪波长测量位置示意图；

图3是海浪波长测量示意图；

图4是工作区反演地形等深线；

图5是工作区海图等深线；

图2中，1—陆地区域；2—工作区边界；3—工作区测量点；4—远岸深水区观测参考线；5—远岸深水区观测子图起始点；6—系列子图范围；

图3中，l—波峰位置；L ₁—第一个海浪波长；L ₂—第二个海浪波长；L ₃—第三个海浪波长。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

根据本发明的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法进行实验，如图1所示，具体包括如下步骤：

1）获得包含海面波浪信息的高分辨率光学遥感图像，采用几何校正方法进行遥感图像定位配准，使其具有较准确的地理空间参考：

选取工作区的高分辨率光学遥感图像1景，检查遥感图像上海浪纹理信息的清晰度和完整性。然后进行遥感图像几何校正，通常采用地面控制点同名点方式，即在遥感图像上的陆地区域选择一定数量的相同地物点，建立控制方程。地面控制点法回避传感器成像时的实际几何状态，直接对遥感图像进行几何校正，该方法的校正精度依赖于地面控制点精度。典型的地面控制点校正法是多项式校正，将遥感图像的总体变形看作是平移、缩放、旋转、偏扭以及更高次的基本变形综合作用结果，校正前后图像相应点之间坐标关系可以用一个适当的多项式来表达。遥感图像几何校正完成后，可选取适当数量的精确测量点进行评估，确保遥感图像具有较准确的地理空间参考。

2）测量远岸深水区海浪波长；

以遥感图像上离海岸最远的位置为起点（图2中的5），沿尽可能垂直于海岸的参考线（图2中的4），以一定像素（50-100个像素）为步长（r）依次截取一定数量（通常为10个左右）的系列子图（图2中的6），子图的大小为N×N像素（N通常为64、128、256、512等2的指数）。采用二维快速傅里叶变换（FFT）计算每个子图的频率谱，选定频率谱中频率最高处，确定其相对中心点的位置（u，v），计算该子图的海浪波长，计算公式如下：

其中为所求的海浪波长（单位：m），为遥感图像分辨率（单位：m），为子图像大小（单位：像素）。逐一计算获得全部系列子图的海浪波长，计算系列海浪波长的算术平均作为远岸深水区的海浪波长。

3）计算工作区的海浪频率；

根据上一步计算获得的远岸深水区的海浪波长，计算海浪频率。根据线性波理论，在满足水深的深水区，海浪频率仅与海浪波长相关，海浪频率的计算方法法如下：

其中，为海浪频率（单位：Hz），为海浪波长，为重力加速度（单位：ms^-2）。根据线性波理论，海浪频率在海浪传播到近岸的过程中比较保守，基本不变。因此，此海浪频率可以作为整个工作区的海浪频率。

4）选定一定数量的测量点；

根据遥感图像上海面波浪信息分布特征，在海浪信息清晰的区域选择测量点。测量点的位置尽可能均匀地分布于工作区域内（图2中2所示的范围），且测量点的数量尽可能多，测量点的分布如图2中3所示。

5）测量每一个测量点的海浪波长；

根据每一个测量点计算海浪波长，计算操作步骤如下：1）在基本垂直于海浪条纹的方向上，通过测量点绘制一条辅助线，使其跨越2-5个连续分布的海浪条纹；2）依辅助线位置提取遥感图像的灰度剖面线（如图3所示），对于海浪清晰的区域，剖面线呈现波浪形；3）依次计算连续两个波峰（如图3中1所示）之间的距离（如图3中的L ₁、L ₂和L ₃），作算术平均后作为该测量点的海浪波长。

6）提取每一个测量点的水深；

根据前述计算获得的测量点的海浪波长和工作区海浪频率，计算测量点的水深，计算方法如下：

7）对全部测量点的水深数据进行空间插值，获得工作区连续的栅格化浅海地形数字高程模型（DEM），空间插值方法可以采用反距离权重法和Kriging空间插值法，然后提取等深线，完成浅海地形提取。

实验结果如图4所示，图5为同一工作区的海图等深线图。图4和图5显示两者具有较好的一致性，表明本发明提取的浅海地形信息精度较高，具备实用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于其包括以下步骤：

（2）测量远岸深水区海浪波长；

（3）计算工作区的海浪频率；

（4）选定一定数量的测量点；

（5）计算每一个测量点的海浪波长；

（6）计算每一个测量点的水深；

2.如权利要求1所述的一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（2）中以遥感图像上离海岸最远的位置为起点，沿尽可能垂直于海岸的参考线，以50-100个像素为步长（r）依次截取8—12个系列子图，子图的大小为N×N像素，其中N为例如64、128、256、512 的2的指数，采用二维快速傅里叶变换（FFT）计算每个子图的频率谱，选定频率谱中频率最高处，确定其相对中心点的位置（u，v），计算该子图的海浪波长，计算公式如下：

3.如权利要求1所述的一种利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（3）中根据步骤（2）计算获得的远岸深水区的海浪波长，计算海浪频率，根据线性波理论，在满足水深的深水区，海浪频率仅与海浪波长相关，海浪频率的计算方法如下：

4.如权利要求1所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（4）中根据光学遥感图像上海面波浪信息分布特征，在海浪信息清晰的区域选择测量点，测量点的位置尽可能均匀地分布于工作区域内，且测量点的数量尽可能多。

5.如权利要求1所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（5）中根据步骤（4）确定的每一个测量点计算海浪波长，计算操作步骤如下：1）在基本垂直于海浪条纹的方向上，通过测量点绘制一条辅助线，使其跨越2-5个连续分布的海浪条纹；2）依辅助线位置提取遥感图像的灰度剖面线，对于海浪清晰的区域，剖面线呈现波浪形；3）依次计算连续两个波峰之间的距离，作算术平均后作为该测量点的海浪波长。

6.如权利要求1所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（6）中根据步骤（5）中计算获得的测量点的海浪波长和步骤（3）中计算获得的工作区海浪频率，计算测量点的水深，计算方法如下：

7.如权利要求1所述的利用单景高分辨率光学遥感图像提取浅海地形的方法，其特征在于步骤（7）中将通过步骤（6）完成水深计算的所有测量点进行水深数据空间插值计算，构建连续的栅格化浅海地形数字高程模型（DEM），提取等深线。