水深遙感反演研究獲進展
近日，中國科學院南海海洋研究所劉永明博士和唐丹玲研究員與中山大學趙俊教授和鄧孺孺教授，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。相關研究“耦合多時相Landsat-8數據和高空間分辨率衛星遙感數據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”近日發表于ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing（《ISPRS國際攝影測量和遙感期刊》）。
珊瑚礁是海洋生態系統的重要組成部分。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。隨著光學衛星遙感技術的發展，基于高空間分辨率衛星遙感數據反演光學淺水的水深逐漸體現其大面積同步觀測和多時相觀測的優勢。
然而，目前大部分星載高空間分辨率衛星數據（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。當實測水深數據缺失時，難以從清潔水體或者渾濁水體提取水深信息，主要體現在三個方面：一是可見光波段數量較少，尤其是缺少深藍波段，難以使用光譜匹配模型反演深水區域的水深；二是缺少短波紅外波段，難以開展渾濁水體的大氣校正；三是渾濁水體的固有光學屬性并不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驗模型。雖然耦合星載激光雷達ICESat-2數據和高空間分辨率衛星數據是目前解決實測水深數據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域。
研究人員利用Landsat-8（空間分辨率等于30 m）的波段設置優勢和高空間分辨率衛星數據空間分辨率高的優勢，建立了一個降尺度水深反演模型downscaled bathymetric mapping approach （DBMA）。該模型首先使用耦合優化反演模型和經驗模型的思路從多時相Landsat-8數據中反演出水深，然后使用Landsat-8反演的水深對基于高分辨率衛星數據（國產高分1/2、國產資源3、Sentinel-2A/B和Worldview-2）的經驗模型進行定標，從而實現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，水深反演值的均方根誤差小于2 m，并且在4~12 m的范圍內的精度優于實測水深數據定標的經驗模型；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的范圍內的精度優于實測水深數據定標的經驗模型。
尺度差異效應的研究表明，Landsat-8像元和高分辨率衛星數據的像元之間的尺度差異對模型反演精度影響有限。但是，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。
該研究成果可充分利用國產高分衛星數據的優勢，提取南海典型島礁光學淺水區域的高空間分辨率水深信息，研究島礁水下地形。
該研究由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、廣東省創新創業團隊項目、廣東省會議遙感重點實驗室和國家自然科學基金等項目共同資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2021.07.015
圖 1 DBMA的技術路線圖
圖 2 歐胡島和西沙群島部分區域的水深反演圖
圖 3 鹿回頭半島部分區域的水深反演圖
