广东省海洋遥感重点实验室LORS与南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）GML“南海生态环境权益综合研究团队”在卫星遥感水深反演方面研究取得进展。刘永明博士（第一作者）和唐丹玲研究员（通讯作者）与中山大学赵俊教授和邓孺孺教授等合作，研究成果“耦合多时相Landsat-8数据和高空间分辨率卫星遥感数据的降尺度水深反演模型：从清洁水体到浑浊水体的应用验证”刚刚在遥感顶级期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing（IF：8.979）发表。

 

   高空间分辨率的岛礁水深信息可以精细的展示岛礁水下地形。但是传统声呐测量技术和机载激光雷达测深技术费时费力，难以开展大面积离散分布区域的水深测量。随着光学卫星遥感技术的发展，基于高空间分辨率卫星遥感数据反演水深逐渐体现其大面积同步观测和多时相观测的优势。然而，目前大部分星载高空间分辨率卫星数据只有一个近红外波段和三个可见光波段。当实测水深数据缺失时，难以从清洁水体或者浑浊水体提取水深信息。困难主要体现在三个方面：第一是可见光波段数量较少，尤其是缺少深蓝波段，难以使用光谱匹配模型反演深水区域的水深；第二是没有配置短波红外波段，难以开展浑浊水体的大气校正；第三是浑浊水体的固有光学属性并不不完全取决于叶绿素，难以使用基于水体叶绿素的模型。虽然耦合星载激光雷达ICESat-2数据和高空间分辨率卫星数据是目前解决实测水深数据缺失的主要方法，但是星载激光雷达扫描线之间有3.3 km的间隔，会遗漏面积较小的区域。

   该研究建立了一个降尺度水深反演模型downscaled bathymetric mapping approach (DBMA)。该模型发挥Landsat-8波段设置的优势和高空间分辨率卫星数据高空间分辨率的优势，首先利用耦合优化反演模型和经验模型的思路从多时相Landsat-8数据中反演出水深，然后对高分辨率卫星数据（国产高分1/2、国产资源3、Sentinel-2A/B和Worldview-2）的经验模型进行定标，从而实现高空间分辨率水深数据的获取。

   应用结果表明当水体分别为清洁水体时（以中国西沙群岛和美国欧胡岛为例），在0~12 m范围内，水深反演值的均方根误差小于2 m，并且在4~12 m的范围内的精度优于实测水深数据定标的经验模型。当水体为浑浊水体时（以鹿回头半岛为例），水深反演值的均方根误差小于2 m，并在3~5 m的范围内的精度优于实测水深数据定标的经验模型。尺度差异效应的研究表明，Landsat-8像元和高分辨率卫星数据的像元之间的尺度差异对模型反演精度影响较小。但是由于随着水深的增加，离水反射率对深水变化的敏感性降低，当水深大于一定的值后，DBMA会低估水深，未来需要针对该问题进一步开展研究。

   该研究成果可充分利用国产高分卫星数据的优势，提取南海典型岛礁光学浅水区域的高空间分辨率水深信息，研究岛礁水下地形。

   刘永明博士目前在中科院南海海洋研究所唐丹玲教授团队合作博士后工作。该研究的合作单位还包括自然资源部海岛研究中心和自然资源部南海局。研究由科技基础资源调查专项(2018FY100100)、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）引进人才项目（GML2019ZD0602）、广东省创新创业团队U项目（2019BT02H594）、广东省海洋遥感重点实验室（ 2017B030301005）和国家自然科学基金(41876136, 42076190, 41901352)等项目共同资助。

 

Y. Liu; J. Zhao; R. Deng; Y. Liang; Y. Gao; Q. Chen; L. Xiong; Y. Liu; Y. Tang; D. Tang*; 2021. A downscaled bathymetric mapping approach combining multitemporal Landsat-8 and high spatial resolution imagery: Demonstrations from clear to turbid waters, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2021, 180: 65-81. (https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2021.07.015)

 

文章链接（open access）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271621002008

PDF：请点击# 169 on http://www.lingzis.com/journal%20article.htm

 

图 1 DBMA的技术路线图

 

图 2 欧胡岛和西沙群岛部分区域的水深反演图

 

图 3 鹿回头半岛部分区域的水深反演图

 

论文第一作者：刘永明博士