張華國(guó)，馬蘊(yùn)涵，厲冬玲，曹雯婷，王雋

1.自然資源部第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310000;

2.上海交通大學(xué) 海洋學(xué)院, 上海 200240

1 引 言

水深是海底地形測(cè)繪和海洋環(huán)境調(diào)查的基本要素之一（Zhang 等，2019）。淺海水深探測(cè)在海洋軍事、船舶航行安全、島嶼開(kāi)發(fā)利用和水生環(huán)境科學(xué)研究等方面扮演著越來(lái)越重要的角色（張振興和郝燕玲，2012）。船載單/多波束和機(jī)載雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)目前取得了顯著成效，均有較高的測(cè)量精度（Irish和Lillycrop，1999；Westfeld 等，2017）。然而，這些傳統(tǒng)方法成本高、耗時(shí)耗力，在遠(yuǎn)離大陸的南海島礁，由于受到潮汐和暗礁的影響，測(cè)量船舶在淺水區(qū)通常受到限制（Su 等，2014）。

與實(shí)地測(cè)量相比，衛(wèi)星遙感則是一種空間覆蓋廣、時(shí)效性強(qiáng)、成本低的方法（Eugenio 等，2015）。近幾十年來(lái)，眾多學(xué)者依靠豐富的多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，發(fā)展了很多水深反演算法，如理論模型（Lyzenga，1978；Lee 等，2007；Dekker等，2011）、半分析模型（Lee 等，1998，1999，2001）和統(tǒng)計(jì)模型（李麗，2016），極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足（Chen 等，2019）。從米級(jí)的高分辨率數(shù)據(jù)，如WorldView-2/3/4、GeoEye-1、QuickBird、GF-1/2、Planet；到10 m 級(jí)別 的中高分辨率數(shù)據(jù)，如Sentinel-2、Landsat-5/7/8 都有應(yīng)用（黃榮永 等，2019；盧剛 等，2017；王紀(jì)坤等，2018；劉嘉鎏 等，2020）。這些研究充分利用各類(lèi)模型發(fā)掘了不同傳感器在水下地形反演的潛力：探討了各波段對(duì)水深反演的敏感度（Liu 等，2021）、研究了不同底質(zhì)類(lèi)型下的水深探測(cè)范圍（Liu 等，2018）、建立了不同區(qū)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水深反演模型（王紀(jì)坤 等，2018；張振興和郝燕玲，2012；樊彥國(guó)和劉金霞，2015）。但是目前針對(duì)30 m 以下空間分辨率的半分析模型水深反演研究還鮮有涉及，尤其是中國(guó)最新組網(wǎng)觀測(cè)的HY-1C/D衛(wèi)星，填補(bǔ)了中國(guó)水色衛(wèi)星無(wú)下午觀測(cè)數(shù)據(jù)的空白，觀測(cè)能力有了極大提升，但還未有開(kāi)展其在淺海水深遙感反演及能力評(píng)估的報(bào)道。從當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，對(duì)中國(guó)南海島礁及周邊淺海地區(qū)的水下地形進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序、高頻動(dòng)態(tài)觀測(cè)是相關(guān)海洋決策部門(mén)和軍事發(fā)展的一項(xiàng)重大需求（周旻曦等，2015； 盛琳 等，2015；王燕紅 等，2018）。

考慮到HY-1C/D CZI 數(shù)據(jù)寬覆蓋、高重訪的特點(diǎn)（王利民 等，2019），基于CZI 數(shù)據(jù)能夠以更高頻率獲取島礁淺海水下信息，更適合業(yè)務(wù)化運(yùn)行。因此，為探討HY-1C/D CZI 遙感影像在南海島礁淺海水深反演工作中的適用性，本文以西沙群島的永樂(lè)環(huán)礁為研究區(qū)域，針對(duì)HY-1C/D 衛(wèi)星的CZI 多光譜遙感數(shù)據(jù)，利用L-S 模型（Xia 等，2020）開(kāi)展島礁淺海水深遙感反演與評(píng)估研究。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)南海永樂(lè)環(huán)礁及周邊淺海海域，位于中國(guó)西沙群島西部，行政上隸屬于海南省三沙市，是西沙群島面積最大的珊瑚環(huán)礁，地理坐標(biāo)介于16°25'—16°37'N，111°33'—111°48'E，包括多個(gè)礁盤(pán)并發(fā)育有13 個(gè)島嶼，淺海海底多被沙、珊瑚礁、海草等覆蓋，受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，適合開(kāi)展水深反演研究。研究區(qū)地理區(qū)位如圖1（a）。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

2.2 數(shù)據(jù)源

海洋一號(hào)C、D 衛(wèi)星分別于2018年9月7日和2020年6月11日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，雙星均配置了海洋水色水溫掃描儀COCTS（China Ocean Color & Temperature Scanner）、海岸帶成像儀CZI（Coastal Zone Imager）、紫外成像儀UVI（Ultraviolet imager）、星上定標(biāo)光譜儀SCS（Satellite Calibration Spectrometer）和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS（Automatic Identification System）等5 大載荷。其中海岸帶成像儀CZI 為可見(jiàn)光傳感器，數(shù)據(jù)分為0級(jí)（L0）、1級(jí)（L1）、2級(jí)（L2）、3級(jí)（L3）和4級(jí)（L4），一軌L1B 級(jí)數(shù)據(jù)幅寬約950 km，成像時(shí)間約1 min，空間分辨率50 m，量化等級(jí)12 bit。但與中、高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相比，空間分辨率較低、視場(chǎng)角較大，對(duì)不同區(qū)域的信噪比造成較大影響。L1B級(jí)多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了幾何粗校正與輻射定標(biāo)。圖2 所示為L(zhǎng)1B 級(jí)HY-1C/D 衛(wèi)星的CZI 傳感器數(shù)據(jù)，圖2（a）和2（c）分別為兩顆衛(wèi)星的整景遙感影像真彩色合成圖，圖2（b）和2（d）分別對(duì)應(yīng)研究區(qū)永樂(lè)環(huán)礁HY-1C/D CZI 多光譜遙感影像圖。

圖2 原始真彩色合成遙感影像Fig.2 Original true color remote sensing imagery

GeoEye-1 衛(wèi)星于2008年9月6日從美國(guó)加州范登堡空軍基地發(fā)射，提供空間分辨率為0.5 m 的全色影像和2 m 的多光譜影像，量化等級(jí)11 bit，幅寬15 km，重訪周期2—3 d。GeoEye-1 衛(wèi)星的多光譜影像的質(zhì)量和信噪比代表當(dāng)前多光譜傳感器的國(guó)際先進(jìn)水平。本研究所用GeoEye-1 的4 個(gè)波段多光譜影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外）的成像時(shí)間為2015年7月2日，太陽(yáng)天頂角22.7°，衛(wèi)星觀測(cè)角24.9°，覆蓋范圍為永樂(lè)環(huán)礁的甘泉島地區(qū)，圖1（b）所示為原始 GeoEye-1 遙感影像的真彩色合成圖，用于與HY-1C/D CZI 數(shù)據(jù)的反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估HY-1C/D CZI 數(shù)據(jù)的水深探測(cè)能力。

本文使用俄勒岡州立大學(xué)OSU（Oregon State University）（張建良和楊曉坤，2016）開(kāi)發(fā)的潮汐模型驅(qū)動(dòng)程序分別計(jì)算了3景影像不同的成像時(shí)刻瞬時(shí)海平面相對(duì)于平均海平面的高度（表1），并對(duì)水深反演結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)修正。OSU 潮位預(yù)測(cè)模型在中國(guó)沿海的預(yù)報(bào)精度為18—20 cm 左右（范長(zhǎng)新，2019）。

表1 所用數(shù)據(jù)清單及對(duì)應(yīng)時(shí)刻潮位高度Table 1 Data list and tidal height at the time of imaging

南海甘泉島實(shí)測(cè)水深點(diǎn)來(lái)自2012年的機(jī)載LiDAR 數(shù)據(jù)，具備亞米級(jí)空間分辨率，本文選取甘泉島范圍內(nèi)抽稀后0—20 m 水下范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行水深反演結(jié)果的驗(yàn)證。

2.3 反演方法

本文基于Xia 等（2020）提出的無(wú)需實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)支持的L-S 模型，應(yīng)用國(guó)產(chǎn)HY-1C/D 衛(wèi)星的CZI多光譜遙感數(shù)據(jù)，在西沙群島的永樂(lè)環(huán)礁開(kāi)展淺海水深無(wú)控反演實(shí)驗(yàn)，圖3 所示為基于L-S 模型的HY-1C/D CZI數(shù)據(jù)水深反演流程。

圖3 基于L-S 模型的HY-1C/D CZI數(shù)據(jù)水深反演流程圖Fig.3 Flowchart of bathymetry inversion based on L-S model using HY-1C/D CZI imagery

首先對(duì)收集到的HY-1C/D CZI 多光譜數(shù)據(jù)的L1B級(jí)天頂輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行地理投影定義、幾何精校正、大氣層頂表觀反射率計(jì)算、耀光校正、大氣校正等一系列預(yù)處理。然后應(yīng)用L-S模型反演得到島礁淺海水深信息，最后將甘泉島區(qū)域經(jīng)過(guò)潮位校正的結(jié)果與實(shí)測(cè)水深點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)與基于GeoEye-1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果進(jìn)行交叉對(duì)比，進(jìn)而評(píng)估HY-1C/D CZI 多光譜遙感數(shù)據(jù)在島礁淺海水深反演方面的應(yīng)用潛力。

2.3.1 圖像預(yù)處理

（1）地理投影定義。對(duì)獲取到的HY-1C/D CZI 傳感器的L1B 級(jí)HDF5 格式數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為T(mén)IF，并定義為WGS_1984_UTM_Zone_49N坐標(biāo)系，以確保與GeoEye-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有一致的地理空間參考。

（2）幾何精校正。采用Image to Image 的幾何校正方法，選擇GeoEy-1 衛(wèi)星遙感影像為基準(zhǔn)影像，CZI 數(shù)據(jù)為待校正影像，均勻選取一定數(shù)量的同名點(diǎn)之后，利用ENVI 的自動(dòng)尋找控制點(diǎn)功能進(jìn)行仿射變換，實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)幾何校正。

（3）表觀反射率計(jì)算。CZI傳感器L1B數(shù)據(jù)為大氣層頂輻射亮度，根據(jù)式（1）轉(zhuǎn)換為大氣層頂表觀反射率（Markham 和Barker，1987；梁超 等，2020）。

式中，ρ為無(wú)量綱的大氣層頂表觀反射率，Lλ為各波段傳感器處入瞳輻射亮度，單位mW/(cm2·μm·sr)，D 為日地距離，F(xiàn)0為大氣層頂?shù)钠骄?yáng)輻照度，單位mW/(cm2· μm · sr)，θ為太陽(yáng)天頂角，相關(guān)參數(shù)可于HDF數(shù)據(jù)集屬性文件中查看得到。

（4）耀光校正。本文假定多光譜圖像深水區(qū)域近紅外波段海面的表面反射率極低且近紅外波段海面的輻射值僅有環(huán)境常量以及太陽(yáng)耀光的貢獻(xiàn)，然后利用太陽(yáng)耀光在近紅外波段與可見(jiàn)光波段存在良好的線性特性的性質(zhì)來(lái)消除太陽(yáng)耀光的影響（Xia 等，2020；Ma 等，2021），相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

式中，(λ)是去除耀光后的表面反射率；Rrs是耀光校正后的遙感反射率；ρTOC(λ)為原始表面反射率；ρNIR為近紅外波段原始表面反射率；MINρNIR為近紅外波段原始表面反射率最小值；bλ為擬合系數(shù)。消除耀光之后剩余的噪聲為環(huán)境常量，即大氣貢獻(xiàn)。

（5）大氣校正。本研究以MODIS 數(shù)據(jù)深海區(qū)域的遙感反射率產(chǎn)品Rrs作為基準(zhǔn)，假定研究區(qū)域的大氣狀況均勻，并將研究區(qū)深水區(qū)域的遙感反射率光譜Rrs1校正到與MODIS一致，再根據(jù)深水區(qū)的校正量完成整個(gè)研究區(qū)影像的大氣校正（Xia 等，2020；Ma 等，2021）。圖4（a）、4（b）和4（c）分別為GeoEye-1、HY-1C/CZI 和HY-1D/CZI 影像預(yù)處理后的遙感反射率結(jié)果。

為保證水深反演結(jié)果的可靠性，在圖4（a）中選取了一條斷面AB，將HY-1C/D CZI 和GeoEye-1 衛(wèi)星影像大氣校正之后的光譜進(jìn)行了對(duì)比；圖5（a）為斷面AB 的光譜曲線在3 景影像上的變化情況，圖5（b）為3景遙感影像的A點(diǎn)處大氣校正前后不同波長(zhǎng)的反射率變化情況。圖5（a）表明，由于傳感器的信噪比差異，HY-1C/D 衛(wèi)星CZI傳感器對(duì)水深及底質(zhì)變化的敏感程度稍差，導(dǎo)致深水區(qū)與淺水區(qū)的光譜對(duì)比度也稍微弱一些。整體來(lái)看，HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 傳感器在可見(jiàn)光波段與GeoEye-1 的光譜變化趨勢(shì)基本一致，具備水深反演的潛力。圖5b 表明大氣校正對(duì)不同衛(wèi)星傳感器均有效，深水區(qū)在校正之前，HY-1C/D 與GeoEye-1 的光譜存在較大差異，校正之后基本趨于一致，另一方面說(shuō)明了暗像元法大氣校正的穩(wěn)健性和通用性，適用于HY-1C/D CZI 多光譜遙感數(shù)據(jù)的大氣校正。

圖4 遙感影像預(yù)處理結(jié)果（黃色剖面用于3.3節(jié)反演結(jié)果的交叉對(duì)比）Fig.4 Preprocessing results of the remote sensing imagery（Yellow profiles are used for cross-comparison of inversion results in Section 3.3）

圖5 大氣校正前后光譜對(duì)比結(jié)果Fig.5 Spectral results before and after atmospheric correction

2.3.2 L-S模型原理

L-S 模型將對(duì)數(shù)比值模型（Log-ratio Model）和半分析模型（Semi-analytical Model）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)的大洋島礁淺海水深多光譜遙感反演，在GeoEye-1、WorldView-2、Sentinel-2、Gaofen-1 和Landsat 8 等衛(wèi)星多光譜遙感數(shù)據(jù)中取得了較好應(yīng)用結(jié)果（Xia 等，2020；Ma 等，2021）。接下來(lái)簡(jiǎn)要介紹L-S模型。

（1）半分析模型。半分析模型中的水深H、底質(zhì)B與水體光學(xué)參數(shù)等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（Lee 等，1998 和1999）可唯一確定海面遙感反射率光譜曲線Rrs，算法核心如式（4）：

式中，f表示非線性方程，P、G、X、B、H的物理意義如表2所示。

表2 水體生物光學(xué)模型參數(shù)及物理意義（張靚 等，2011）Table 2 Parameters and physical meanings of water bio-optical model

相對(duì)于水深、底質(zhì)和光譜自身特性，不同像元間的水體特性變化可被視作是低頻信號(hào)，因此半分析模型假設(shè)在同一幅遙感影像中，水體性質(zhì)是恒定不變的，即P、G、X為常數(shù)。當(dāng)給定P、G、X的初始值及迭代范圍后，基于BFGS（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno）非線性最優(yōu)化算法，當(dāng)式（4）的模擬光譜與傳感器測(cè)量光譜最接近時(shí)，可得到不同P、G、X下的底質(zhì)反射率B和水深H的反演結(jié)果。

（2）對(duì)數(shù)比值模型。由于藍(lán)綠光在水體中的穿透能力較強(qiáng)，因此對(duì)數(shù)比值模型常采用藍(lán)綠波段數(shù)據(jù)，模型如式（5）（Stumpf 等，2003）：

式中，m1，m0和n均為回歸系數(shù)；L(λi)表示第i個(gè)波段對(duì)應(yīng)的水體輻射能量。

（3）L-S模型。由于多光譜影像波段數(shù)量的限制，無(wú)法直接得到半分析模型式（4）的最優(yōu)解，因此將半分析模型和對(duì)數(shù)比值模型結(jié)合，用式（5）對(duì)式（4）進(jìn)行約束，對(duì)于選擇的每個(gè)像元的水深都可表示為式（6）：

在不斷迭代P、G、X的過(guò)程中，當(dāng)半分析模型反演水深和之間的相關(guān)系數(shù)最大時(shí)，B、H可認(rèn)為是最優(yōu)結(jié)果，P、G、X也可以正確代表當(dāng)時(shí)的水體特性，最后利用擬合的對(duì)數(shù)比值模型計(jì)算得到整個(gè)研究區(qū)域的水深信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 水深反演結(jié)果

利用L-S模型分別對(duì)HY-1C/D衛(wèi)星CZI數(shù)據(jù)預(yù)處理之后的遙感圖像進(jìn)行水深反演，圖6（a）和6（b）顯示了最終永樂(lè)環(huán)礁0—20 m 的計(jì)算結(jié)果，其中白色掩膜代表陸地、云或者浪花覆蓋的異常區(qū)域，黑色掩膜代表超出20 m 探測(cè)范圍的海域。從圖6（a）和6（b）在甘泉島的放大結(jié)果圖6（d）和6（e）來(lái)看，礁盤(pán)向外，水深逐漸增加，變化趨勢(shì)一致；整體來(lái)看，圖6（a）和6（b）中永樂(lè)環(huán)礁各島礁的礁盤(pán)及水下地形特征都較為明顯，兩顆衛(wèi)星的水深反演結(jié)果從礁盤(pán)向外都呈現(xiàn)“淺水—深水”的變化趨勢(shì)，表明HY-1C 和HY-1D 兩顆衛(wèi)星的CZI傳感器具備同樣的淺海水深探測(cè)能力。

為了進(jìn)一步證明HY-1C/D CZI 多光譜遙感數(shù)據(jù)水深探測(cè)的可靠性，本文基于GeoEye-1 數(shù)據(jù)在甘泉島進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)流程，結(jié)果如圖6（c）所示。圖6（d）、6（e）與圖6（c）的反演結(jié)果相比，由于HY-1C/D 衛(wèi)星的空間分辨率遠(yuǎn)低于GeoEye-1 衛(wèi)星，信噪比也略差，所以圖6（d）、6（e）基于HY-1C/D衛(wèi)星CZI數(shù)據(jù)的反演結(jié)果未能像GeoEye-1 數(shù)據(jù)一樣精細(xì)地表現(xiàn)甘泉島的水下地形特征。但是圖6（c）、6（d）、6（e）的水深變化趨勢(shì)基本一致，礁盤(pán)內(nèi)部較淺，向外水深增加。表明HY-1C/D CZI 多光譜遙感數(shù)據(jù)基本具備了島礁淺海水深反演能力，反演結(jié)果穩(wěn)定。

圖6 不同衛(wèi)星傳感器的水深反演結(jié)果Fig.6 Inversion results of bathymetry based on different satellite sensors

3.2 水深反演結(jié)果定量驗(yàn)證

在有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的甘泉島區(qū)域，對(duì)HY-1C/D CZI 和GeoEye-1 數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀，重采樣到50 m、2 m 空間分辨率的水深點(diǎn)分別用于HY-1C/D CZI 數(shù)據(jù)和GeoEye-1反演結(jié)果的驗(yàn)證。

圖7（a）、7（b）和7（c）分別為GeoEye-1和HY-1C/D CZI 反演結(jié)果的驗(yàn)證散點(diǎn)圖，MAE（Mean Absolute Error）代表平均絕對(duì)誤差，MRE（Mean Relative Error）代表平均相對(duì)誤差。

圖7 甘泉島水深反演結(jié)果定量驗(yàn)證Fig.7 Quantitative validation of water depth inversion results in Ganquan Island

結(jié)果表明：HY-1C/D CZI 影像在甘泉島地區(qū)開(kāi)展水深反演的平均絕對(duì)誤差分別為1.60 m 和1.85 m，相對(duì)誤差分別為22.48%和26.23%，反演效果較好。GeoEye-1 的平均絕對(duì)誤差在亞米級(jí)，為0.78 m，相對(duì)誤差為10.86%，精度最高。說(shuō)明遙感影像的空間分辨率、信噪比等因素都會(huì)在一定程度上影響L-S 模型在島礁淺海的水深反演精度。此外，幅寬是由衛(wèi)星高度和視場(chǎng)角共同決定的，如式（7）所示：

式中，w代表幅寬，Z代表衛(wèi)星高度，α代表視場(chǎng)角。HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 傳感器與GeoEye-1 衛(wèi)星的幅寬差異很大，分別為950 km 和15 km，說(shuō)明HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 傳感器的視場(chǎng)角大，拍攝一軌影像的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)成像時(shí)間的變化更為敏感，不同時(shí)間的太陽(yáng)角等環(huán)境因素的改變對(duì)傳感器接收的信號(hào)影響更顯著。因此，HY-1C/D 衛(wèi)星CZI傳感器的大視場(chǎng)角特性也是水深反演誤差的主要來(lái)源。

3.3 水深反演結(jié)果交叉驗(yàn)證

將GeoEye-1反演得到的水深柵格圖重采樣到與HY-1C/D CZI空間分辨率一致（50 m），在永樂(lè)環(huán)礁不同島礁選取了AB、CD 等6 條剖面（圖4（b））進(jìn)行不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果的交叉對(duì)比，如圖8 所示。結(jié)果表明，從剖面AB 的3 次反演結(jié)果的斷面來(lái)看，HY-1C/D 與GeoEye-1 的反演結(jié)果相比基本重合，HY-1C/D 兩顆衛(wèi)星CZI 傳感器水深反演結(jié)果的變化趨勢(shì)也基本一致，有些剖面由于幾何校正誤差存在微小偏移。說(shuō)明兩顆衛(wèi)星雖然經(jīng)過(guò)了統(tǒng)一的幾何校準(zhǔn)與圖像預(yù)處理，但是上午星HY-1C 和下午星HY-1D 由于成像時(shí)間不一致，太陽(yáng)角和衛(wèi)星觀測(cè)角存在較大差異，幾何變形程度不一致，在光譜特征和空間配準(zhǔn)等方面還是不可避免地會(huì)存在較小偏差。另一方面，HY-1C/D CZI空間分辨率只有50 m，幅寬950 km，永樂(lè)環(huán)礁在影像上所占比例極小，1 個(gè)像元的偏移則會(huì)產(chǎn)生50 m的校正誤差。

圖8 圖4（b）中 6條剖面水深反演結(jié)果變化圖Fig.8 Changing curves of the water depth for the six profiles shown in Fig.4（b）

為進(jìn)一步對(duì)比HY-1C/D CZI 與GeoEye-1 衛(wèi)星的島礁淺海水深探測(cè)能力，逐像元提取了HY-1C和HY-1D 衛(wèi)星在甘泉島區(qū)域的水深反演結(jié)果，并與相應(yīng)位置處的GeoEye-1 水深（重采樣為空間分辨率50 m）進(jìn)行交叉對(duì)比，圖9（a）、（b）所示分別為GeoEye-1 與HY-1C 和GeoEye-1 與HY-1D 之間定量對(duì)比的散點(diǎn)密度圖。

圖9 甘泉島水深反演結(jié)果的逐像素交叉對(duì)比散點(diǎn)密度圖Fig.9 Scatter density maps of the inversion water depth in Ganquan island pixel by pixel

結(jié)果表明，甘泉島水深集中在7—12 m，兩幅圖紅色的高密度區(qū)圍繞1∶1 線分布，遠(yuǎn)離1∶1 線的位置有少量離散點(diǎn)分布，平均絕對(duì)偏差分別為1.65 m 和1.81 m，相對(duì)偏差分別為22.33% 和23.83%。雖然HY-1C/D 衛(wèi)星的水深驗(yàn)證精度略差于GeoEye-1，但HY-1C/D 衛(wèi)星反演結(jié)果的絕對(duì)誤差均在2 m 以內(nèi)，并且與基于高空間分辨率GeoEye-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果較為一致，說(shuō)明HY-1C/D 兩顆衛(wèi)星具備淺海水深探測(cè)能力，可用于島礁淺海水深探測(cè)，具有較高的參考價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文基于HY-1C/D 衛(wèi)星CZI傳感器的4個(gè)波段多光譜數(shù)據(jù)，以西沙群島永樂(lè)環(huán)礁為研究區(qū)，利用Xia 等（2020）發(fā)展的L-S 模型，實(shí)現(xiàn)了較大范圍內(nèi)無(wú)需實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)支持的島礁淺海水深信息反演。研究結(jié)果表明，與甘泉島實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)相比，HY-1C/D 衛(wèi)星水深反演的平均絕對(duì)誤差分別為1.60 m 和1.85 m，相對(duì)誤差分別為22.48%和26.23%，反演效果較好。GeoEye-1 的平均絕對(duì)誤差為0.78 m，相對(duì)誤差為10.86%，精度最高。HY-1C/D CZI 數(shù)據(jù)反演結(jié)果的平均絕對(duì)誤差可控制在2 m以內(nèi)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，較好地解決了缺乏實(shí)測(cè)水深條件下的大范圍淺海水深反演難題。

雖然HY-1C/D 衛(wèi)星的整體反演精度低于高空間分辨率衛(wèi)星影像GeoEye-1，但三顆衛(wèi)星在甘泉島的水深反演柵格圖中（圖6（c）、（d）、（e））的水深變化趨勢(shì)一致，礁盤(pán)內(nèi)部較淺，向外水深增加；在剖面AB（圖4）的水深變化趨勢(shì)交叉對(duì)比結(jié)果（圖8（a））也基本一致；GeoEye-1數(shù)據(jù)的反演結(jié)果分別與HY-1C/D 兩顆衛(wèi)星的逐像元對(duì)比結(jié)果表明，兩者的平均絕對(duì)偏差分別為1.65 m 和1.81 m，在2 m 以內(nèi)，平均相對(duì)偏差分別為22.33%和23.83%，表明HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 多光譜遙感數(shù)據(jù)的水深反演結(jié)果可靠性強(qiáng)，具備較高的參考價(jià)值。此外，HY-1C 和HY-1D 在永樂(lè)環(huán)礁各島礁的水深剖面變化的交叉對(duì)比表明，本方法應(yīng)用于HY-1C/CZI 傳感器和HY-1D/CZI 傳感器穩(wěn)健性強(qiáng)，兩顆衛(wèi)星的CZI多光譜遙感數(shù)據(jù)均具備淺海水深探測(cè)能力，反演結(jié)果穩(wěn)定。

HY-1C/D CZI 傳感器可快速重復(fù)獲取海洋大范圍的光學(xué)影像數(shù)據(jù)，可以充分發(fā)揮其重訪周期短、幅寬大的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展島礁淺海水深制圖工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高頻率監(jiān)測(cè)水下地形的變化情況，與高空間分辨率衛(wèi)星影像互為補(bǔ)充，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水深測(cè)量的不足，也填補(bǔ)了中國(guó)水色衛(wèi)星無(wú)下午數(shù)據(jù)的空白。因此，HY-1C/D CZI 數(shù)據(jù)可以發(fā)揮其成像能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，有效地用于南海、太平洋和印度洋等全球大范圍島礁區(qū)域的淺海水深反演與珊瑚礁探測(cè)，應(yīng)用潛力較大。

志 謝此次研究所用的HY-1C/D衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，同時(shí)得到了廈門(mén)大學(xué)李炎教授的幫助，在此表示衷心的感謝！