潮滩滩面高程的高光谱遥感反演研究

摘要

淤泥质潮滩主要由细颗粒的淤泥组成，是苏北平原海岸典型的海岸类型。受自然条件限制，利用常规方法测量潮滩高程的成本高，数据更新周期缓慢，而遥感方法具有信息量大、同步大范围、空间多尺度、受地面条件限制少等特点，在潮滩概要地形信息获取方面有很大的优势。已有的潮滩遥感研究以多光谱遥感为主，高光谱遥感以其在可见光～近红外波段范围内的高光谱分辨能力以及信息获取能力引起越来越多研究者的重视，利用高光谱遥感技术进行潮滩特征信息提取成为潮滩遥感的重要研究方向。
　　本文以江苏大丰王港潮滩为研究区，利用星载Hyperion高光谱影像、Lidar实测高程数据、潮滩采集沉积物样品为数据源，开展了潮滩滩面高程的高光谱定量遥感反演试验研究。论文首先建立了高光谱影像像元反射率与实测高程的统计相关模型，利用“反射率法”进行了高程遥感反演尝试;其次考虑到潮滩沉积物中值粒径及含水量是影响潮滩地表反射率的重要因素，沉积物粒径大小以及含水量高低的变化与潮滩高程之间存在密切联系，因此在利用遥感方法提取中值粒径及含水量空间分布图层的基础上，分别建立了遥感中值粒径与高程、遥感含水量与高程之间的定量模型，实现了“中值粒径法”和“含水量法”的潮滩滩面高程遥感应用，为遥感方法反演得到潮滩高程寻求机理性解释;最后，在沉积物类型一致的前提下，计算三类遥感反演高程与沉积物类型之间的频率比，分析遥感反演高程与沉积物空间的分布关系，探讨三种高程反演方法各自的适用性，阐明高光谱遥感反演潮滩概要地形的可行性。本研究的主要内容及相关结论如下:
　　一、基于“反射率法”的潮滩滩面高程遥感反演研究。建立了Hyperion影像反射率与高程之间的单波段和多波段线性回归模型，进行了滩面高程遥感反演。研究结果表明:(1)短波红外波段区间的地表反射率对滩面高程变化较为敏感，1164nm、1275nm、1336nm波段是高程反演的理想波段，利用理想波段建立的单波段模型和多波段线性回归模型均可有效用于滩面高程反演，但是多波段线性回归模型在高程反演结果上没有明显改善;(2)滩面的微地形如沙波、沙纹和潮沟等地貌形态通过影响沉积物粒径大小和含水量等的空间分布，对地表反射率产生影响，需要通过空间分区的方式将潮滩分为平坦区和起伏区，分别进行高程建模与反演。对比看出，分区前潮滩整体高程建模与验证相关系数分别为-0.302和-0.473，分区后北滩、南滩建模与验证相关系数为0.559、0.526和0.762、0.699，高程反演结果有较明显的改善;(3)从整体形态对比来看，反射率法反演得到的潮滩高程与实测高程具有大致相同的由陆向海逐渐降低的变化趋势，但是对于潮沟边缘的细颗粒沉积区域高程反演较差，总体反演得到的高程比较平缓;(4)从断面高程形态对比分析来看，四条验证断面的平均实测最大高差135.5cm，平均反演高程高差76cm，北滩断面平均绝对误差MAE(Mean Absolute Error)和平均相对误差MRE(Mean Relative Error)分别为7.75cm、6.2％，南滩则高于北滩，分别为36.75cm、141％，RMSE(Root Mean Square Error)体现了反演高程同实测高程值之间的偏差，北滩断面平均小于南滩断面平均，分别为9.5cm和45.2cm，证明在起伏程度小的北滩，反演断面高程形态比南滩更接近实际。
　　二、基于“中值粒径法”的潮滩滩面高程遥感反演研究。利用实测的161个采样点的沉积物中值粒径数据，结合高光谱影像反射率，建立了潮滩中值粒径反演模型，得到潮滩中值粒径的空间分布。以此为基础，在遥感中值粒径图层上提取断面中值粒径，建立与高程的统计模型，应用于遥感中值粒径图层，实现潮滩滩面高程反演。研究结果表明:(1)利用993nm反射率的单波段模型反演潮滩中值粒径比波段组合模型简捷且相关系数相差不大，能够有效反演中值粒径的空间分布，建模与验证相关系数分别为0.891和0.842，同时对比得出粒径较粗的沉积物类型反演效果优于粒径较细的沉积物;(2)应用“中值粒径法”的潮滩滩面高程反演，北滩建模验证相关系数为0.485和0.438，南滩为0.627和0.636;(3)“中值粒径法”与“反射率法”的模型结果接近，但从反演效果来看，“中值粒径法”在潮滩起伏区沉积物颗粒细的地方更接近实际地形。
　　三、基于“含水量法”的潮滩滩面高程遥感反演研究。首先选取2282nm、1044nm及1296nm波段作为构建NEWCI指数(Normalized Enhanced WaterContent Index)的特征波段，建立含水量模型，应用于潮滩高光谱影像，得到潮滩沉积物含水量分布;然后提取断面含水量，与实测高程建模，反演得到潮滩滩面高程。研究结果表明:(1) NEWCI是反演潮滩沉积物含水量的有效因子，利用NEWCI方法反演的潮滩沉积物含水量，建模与验证相关系数分别为0.837、0.842，反演模型可靠，可以进行潮滩沉积物含水量反演;(2)“含水量法”最终的反演高程建模与验证相关系数在北滩为0.533和0.48，南滩为0.71和0.716;(3)“含水量法”的模型精度稍低于“反射率法”，高于“中值粒径法”，从反演效果上看，“含水量法”在潮滩平坦区含水量值较高的区域更接近实际地形。
　　四、遥感反演高程与沉积物空间分布分析。运用ArcGIS空间分析技术，在沉积物类型一致的前提下，计算高程与沉积物之间的频率比，探讨高程与沉积物类型的空间关系。研究结果表明:(1)三种反演高程都较好的体现了沉积物中砂、粉砂质砂类型区的部分高程数值，仅有“中值粒径法”反演高程体现了砂质粉砂类型区中位于-0.01-0.22m的实测高程;(2)三种高程反演方法都没有体现出实测高程中粉砂位于-0.01-0.22m及大于1.31m的两大区域值。究其原因认为，粉砂的颗粒相对较细，颗粒组成影响沉积物中值粒径及持水能力，因而反演结果较差;(3)实测高程中，粉砂质砂与地形的相关性最高，三类遥感高程都反演出了粉砂质砂中的一部分区域证实了这一点，三类反演高程与沉积物类型的相关性与实测高程存在差异的部分，则是各类反演高程与实测高程偏差的主要部分。
　　五、总体来看，“反射率法”、“中值粒径法”和“含水量法”，反演高程的结果接近，其中和高程建立模型的中值粒径与含水量数据本身由高光谱影像反演得到，已经存在一定程度上的误差，在接下来的建模过程中，可能会涉及误差的传递，进而影响反演结果。从空间处理与分析的结果可以看出，在潮滩高程反演时，可以结合具体的潮滩沉积物类型，挑选适宜的高程反演方法。从三种方法的反演结果可以看出，虽然在局部地势起伏较大的区域反演效果不佳，但遥感反演技术能够有效模拟出潮滩地形的平均变化趋势，得到潮滩的概要地形信息，因而可为大范围潮滩的冲淤变化分析提供可靠依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义与选题依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 潮滩地形常规测量方法研究

1．2．2 潮滩高程的遥感反演方法研究

1．2．3 影响潮滩高程反演因素的遥感获取方法研究

1．3 研究目标与内容

1．4 技术路线

第2章 研究数据获取与处理

2．1 研究区介绍

2．2 实验资料及数据

2．2．1 Hyperion影像数据获取与处理

2．2．2 高程数据获取与处理

2．2．3 沉积物数据获取与处理

2．2．4 数据提取断面设计

2．3 研究方法

2．3．1 建模方法

2．3．2 精度评价方法

第3章 基于高光谱影像反射率的潮滩滩面高程反演研究

3．1 高程反演单波段模型

3．1．1 整体模型

3．1．2 分区域模型

3．2 高程反演多波段线性回归模型

3．3 潮滩滩面高程反演及精度分析

3．3．1 高程反演结果

3．3．2 整体形态对比分析

3．3．3 断面高程形态对比分析

3．4 小结

第4章 基于中值粒径的潮滩滩面高程反演研究

4．1 潮滩中值粒径遥感反演研究

4．1．1 中值粒径反演单波段模型

4．1．2 中值粒径反演波段组合模型

4．1．3 潮滩中值粒径的遥感反演

4．2 基于遥感中值粒径的滩面高程反演

4．2．1 整体模型

4．2．2 分区域模型

4．3 潮滩滩面高程反演及精度分析

4．3．1 高程反演结果

4．3．2 整体形态对比分析

4．3．3 断面高程形态对比分析

4．4 小结

第5章 基于沉积物含水量的潮滩滩面高程反演研究

5．1 基于NEWCI方法的沉积物含水量反演模型

5．2 基于遥感沉积物含水量的滩面高程反演

5．2．1 整体模型

5．2．2 分区域模型

5．3 潮滩滩面高程反演及精度分析

5．3．1 高程反演结果

5．3．2 整体形态对比分析

5．3．3 断面高程形态对比分析

5．4 小结

第6章 遥感反演高程与沉积物空间分布分析

6．1 频率比方法

6．2 实测高程与沉积物类型频率比分析

6．3 反射率反演高程与沉积物类型频率比分析

6．4 中值粒径反演高程与沉积物类型频率比分析

6．5 沉积物含水量反演高程与沉积物类型频率比分析

6．6 小结

第7章 结论与展望

7．1 研究结论

7．2 展望

参考文献

致谢