浅海水深高分辨率卫星多光谱立体探测研究

摘要

水深是海洋的重要参数，是海洋探测、舰艇航行等活动的必要参考指标，常用的海洋水深探测方式是利用声学仪器进行现场测量，但在部分海区，受环境条件限制，难以开展船载水深测量工作。随着遥感技术的发展，利用遥感手段建立水深和影像信息的关系模型成为了一种新的水深探测方式。
　　目前常用的几种水深遥感反演模型测深精度可达80%，但也存在单一反演模型在浅水区反演精度不高、依赖已知水深数据才可以开展反演两个问题。针对单一模型在浅水区反演精度不高的问题，本文选用多个不同的核函数，利用支持向量回归方法进行水深反演模型的构建，并以模糊隶属度为标准，对多个单模型的反演结果进行融合，来提高水深反演尤其是浅水区的精度；针对传统反演依赖已知水深数据的问题，本文提出了一种无先验数据的水深探测方法，该方法利用立体像对提取影像可见的水下地物点DEM，根据提取的水边线位置选定参考海平面，而后对水下部分进行折射改正，获取水下点距离海平面的深度值，经潮汐校正，获得水下点在深度基准面上的高程值。实验结果如下：
　　1.本文提出了基于模糊隶属度的多核SVR水深融合模型，并在西沙群岛的北岛开展实验。结果表明，在25m以浅的水域，该模型平均绝对误差0.99m，平均相对误差8.2%；其平均相对误差分别比以RBF、Sigmoid、多项式、线性为核函数的四种单核SVR模型降低了1.7%、4%、4.4%、4.8%，比经典的对数线性模型降低了5.5%；对于不同水深段，多核SVR水深融合模型在0~15m的3个水深段内平均相对误差比四种单核SVR模型降低了0.7%至54.9%不等，在0~25m的5个水深段内比对数线性模型降低了1.1%至20.4%不等，在一定程度上克服了单一模型在浅水区反演精度较差的问题。
　　2.本文发展了无先验数据的光学立体浅海水深探测模型，并利用立体像对在西沙群岛的盘石屿和北岛开展了探测实验。结果表明，在20m以浅的水域，未进行折射改正的水深探测误差分别为42.94%、31.13%，根据双介质原理进行折射改正后的误差降低至31.80%、23.51%，精度分别提升了11.14%、7.7%；盘石屿实验区立体像对平均入射角分别为26.6°、0.7°时，单片改正与双片改正在全部验证点和不同水深段的精度相差不高于0.01%，即当立体像对中一景影像的入射角极小时，单片改正模型可以替代双片模型进行水深值改正；北岛实验区立体像对平均入射角分别为17.3°、11.4°时，单片改正与双片改正在全部验证点和不同水深段的精度相差约0.2%。对比两个区域的实验结果，当立体像对两景影像的平均入射角差值不同时，利用单片改正模型获得的水深精度略低于双片改正模型的精度，精度降低与立体像对两景影像的入射角度差值大小相关，即单片改正模型的适用与否取决于立体像对两景影像入射角的差值。无先验数据的光学立体浅海水深探测模型可摆脱水深遥感反演对已知水深信息的依赖。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 引言

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3论文篇章结构

2 研究区与数据

2.1研究区概况

2. 2实验数据

2.2.1遥感影像

2.2.2辅助水深数据

2. 3数据预处理

3 基于模糊隶属度的多核SVR遥感水深融合探测

3.1单核支持向量回归水深遥感模型

3.1.1支持向量回归

3.1.2核函数类型

3.1.3单核SVR水深模型

3.2基于模糊隶属度的多核SVR水深融合模型

3.2.1模糊隶属度

3.2.2融合规则

3.3水深反演结果与分析

3.3.1对照实验

3.3.2精度评价标准

3.3.3整体反演结果与分析

3.3.4分段结果与分析

3.4本章小结

4 无先验数据的光学立体浅海水深探测

4.1水体折射引起的水下点高程改正模型

4.2基于影像入射角度的自适应单片改正模型

4.3无控情况下相对高程的转换方法

4.3.1陆上已知点高程传递法

4.3.2指定瞬时海面法

4.3.3最小值法

4.4水深探测模型误差分析

4.4.1折射率误差分析

4.4.2入射角度误差分析

4.4.3折射作用引起的水下点在影像平面坐标中的位置偏移分析

4.5探测结果与分析

4.5.1水深提取结果

4.5.2相对DEM的高程转换

4.5.3水下点水深值折射改正

4.5.4结果与分析

4.5.5误差分析

4.6本章小结

5 结论与讨论

5.1结论

5.2讨论

参考文献

致谢

攻读硕士期间参加的科研项目

攻读硕士期间发表论文情况