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基于HJ-1衛(wèi)星數(shù)據的曹妃甸龍島面積計算

2014-09-29 02:36:52孟艷靜
地理空間信息 2014年1期
關鍵詞:小潮海霧大潮

龍 強,王 鋒,孟艷靜

(1.唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局,河北 唐山 063015)

隨著衛(wèi)星遙感技術的飛速發(fā)展,遙感已經成為大面積作物統(tǒng)計[1]、地域利用[2]、氣象監(jiān)測[3]等信息提取的有力工具。中等分辨率的MODIS等資料難以滿足較小區(qū)域精細化分類的要求。HJ-1 CCD數(shù)據分辨率為30 m,2 d過境一次,滿足了一些領域研究和應用的需求[4-6]。為探求曹妃甸龍島在潮汐條件下陸地面積的最大、最小值,本文利用HJ-1 CCD數(shù)據進行了遙感調查,以期用低成本為其開發(fā)、建設提供客觀、及時、科學的信息。

1 資料和方法

1.1 龍島概況

曹妃甸龍島位于東經 118°41'~118°45'、北緯 39°00'~39°43'之間,距曹妃甸工業(yè)區(qū)東邊界3海里,居唐山灣三島和曹妃甸之間,地勢平坦,沙灘因海浪、潮汐作用時寬時窄,優(yōu)越的地理位置和自然條件使其具有廣闊的開發(fā)前景。該島呈數(shù)字“7”狀,西南-東北走向,為古灤河入海沖積而成。

1.2 資料選取及其處理

1.2.1 衛(wèi)星遙感數(shù)據的選取

龍島面積不大,對衛(wèi)星資料的分辨率有較高的要求。環(huán)境一號衛(wèi)星(簡稱HJ-1衛(wèi)星)目前包括A星和B星,軌道高度為650 km,CCD相機每4 d對全球覆蓋一次,波譜范圍覆蓋藍光(0.43~0.52 μm)、綠光(0.52~0.60 μm)、紅光(0.63~0.69 μm)和近紅外(0.76~0.90 μm),星下點分辨率為30 m,可滿足要求。衛(wèi)星的觀測原理決定了其會受大氣影響,特別是多云天氣形勢,其對地表輻射的阻礙以及自身輻射的干擾都須加考慮,故選取圖像質量≥8的圖像進行處理。

根據潮汐形成原理,一般在每月的農歷初一以及十五、十六的潮汐為大潮,農歷初七、初八或二十二、二十三為小潮。實際上,大、小潮時間并無此嚴格規(guī)律,一般會延后一段時間,是海水在流動過程中受到本身粘滯性和海底地形因素的影響造成的。表1列出的潮汐信息出自國家海洋局發(fā)布的潮汐表,因其存在一定的誤差以及大、小潮時間的不確定,故在此對大、小潮時間各選取4個時刻,通過對比得到較為準確的結果。

表1 HJ-1衛(wèi)星數(shù)據選取表

1.2.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據處理

1)圖像的合成與裁剪。HJ-1衛(wèi)星CCD影像共4個波段,用ENVI 4.5軟件的合成工具即可得到所需要的彩色圖像。曹妃甸龍島因其面積相對不大,且恰好處于一景內,故無需鑲嵌處理。為了分析方便并減少不確定點對結果的影響,需對影像進行裁剪。

2)分類與修正。曹妃甸龍島處于開發(fā)階段,地形種類較為簡單,在監(jiān)督分類中分為陸地、淺灘、海浪、海水、海霧等5類。監(jiān)督分類可能存在一定量的偏差,可對照影像圖,采用人工剔除修正。

1.2.3 地面觀測數(shù)據

地面觀測數(shù)據包括對曹妃甸龍島的地面測繪數(shù)據以及歷史資料。

1.3 龍島面積計算

龍島面積即投影圖像中監(jiān)測區(qū)域內被判識為陸地、淺灘(理論上大潮時不存在)所有單個像素面積的總和,本文圖像投影為經緯度投影,先求出單個像元面積?S,即

式中,Lp為緯度方向的距離;Ll為經度方向的距離。經過分類統(tǒng)計可得到陸地、淺灘的像元總數(shù)n,于是龍島面積S為:

式中,i為像元的序號。

2 結果與分析

2.1 監(jiān)督分類可分離性檢驗

以2012-09-30的衛(wèi)星資料為例進行監(jiān)督分類,并做可分離性檢驗。理想情況下,大潮時沒有淺灘存在,觀察該天的衛(wèi)星影像圖發(fā)現(xiàn)淺灘區(qū)域較小,且其顏色與海霧十分接近,如圖1所示??煞蛛x性檢驗結果為:海霧 [Yellow]2 872 points and 淺灘 [Cyan]1 338 points- 0.442 771 13(該值小于1即要合并),可將二者合并為一類。此外,圖1影像中紅色箭頭所指的西北-東南方向部分為人工堤壩,在計算時不計其面積,光譜分析可知其與海浪十分相近,故將其歸類為海浪,并作適當?shù)娜藶樾拚?/p>

2012-09-30衛(wèi)星影像可分離性檢驗結果如下(Jeffries-Matusita, Transformed Divergence參數(shù)最小值):①海浪 [Blue]269 points and 陸地 [Red]927 points- 1.973 733 08;②海霧 [Yellow]2 995 points and 陸地 [Red]927 points - 1.998 554 00;③海霧 [Yellow]2 995 points and 海水 [Cyan]616 points - 1.999 929 07 ;④陸地 [Red]927 points and 海水 [Cyan]616 points -1.999 989 06;⑤海浪 [Blue]269 points and 海霧 [Yellow]2 995 points-2.000 000 00;⑥海浪 [Blue]269 points and海水 [Cyan]616 points - 2.000 000 00。

按照標準,Jeffries-Matusita, Transformed Divergence參數(shù)大于1.9表示分離性較好,越接近2越理想,可見該分離是比較理想的。

2.2 遙感面積估算

按照表1所列數(shù)據計算潮汐條件下的龍島面積,以期求得龍島在大潮時的最小面積和小潮時的最大面積。

1)大潮時龍島面積。按照表1的大潮時衛(wèi)星數(shù)據,進行分類、分析統(tǒng)計,可得龍島在漲潮時的最小面積。表2是在接近大潮時計算所得到的龍島面積。由表2可知,龍島在大潮條件下的陸地面積為2.790 9 km2(幾個時相對應面積的最小值)。

表2 大潮時龍島的陸地面積表

2)小潮時龍島面積。由表3可知,龍島在小潮條件下的陸地面積為7.688 7 km2(幾個時相對應面積的最大值)。

表3 小潮時龍島的陸地面積表

2.3 與實際測繪面積的對比

將相關部門提供的地面測繪結果與遙感估算值對比分析表明,地面測繪的大潮龍島面積比遙感估計值小,統(tǒng)計誤差百分率為7.43%;小潮時龍島的地面測繪面積也比遙感面積小,統(tǒng)計誤差百分率為11.64%??梢?,衛(wèi)星遙感對龍島的監(jiān)測在大潮條件下精度較高,在小潮時因海霧與露出水面海灘的光譜相近,難以精確分離,造成誤差較大。

3 結 語

本文利用多時相HJ-1 CCD數(shù)據,以孤立龍島不同區(qū)域光譜特征的差異,經過監(jiān)督分類,提取了龍島在大潮、小潮條件下的陸地面積。經驗證,大潮條件下遙感監(jiān)測精度較高,小潮條件下誤差較大,總體結果較為理想。

本文所采用方法的不足為:①數(shù)據獲取難度較大。雖然曹妃甸龍島地處華北,進入秋冬季,衛(wèi)星數(shù)據受云量影響很小,但因為加入了潮汐時間(大小潮特點)以及衛(wèi)星定時掃過該區(qū)域的時間限制,導致理想的數(shù)據難以獲??;②監(jiān)督分類在區(qū)分海霧與露出水面淺灘方面優(yōu)勢不明顯,這也是直接導致小潮條件下誤差較大的原因之一;③HJ-1 CCD數(shù)據本身缺陷也帶來了一定的誤差,其只有4個通道,光譜分辨率較低,也會導致異物同譜[7]。龍島地域簡單,可以通過手動區(qū)分、剔除,但如果應用于復雜地區(qū),則會帶來比較大的誤差。

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