HJ-1 CCD數據在海島面積監(jiān)測中的應用

龍 強，王 暢，孟艷靜，王 鋒,2，項青霞

（1.唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000）

HJ-1 CCD數據在海島面積監(jiān)測中的應用

龍 強1，王 暢1，孟艷靜1，王 鋒1,2，項青霞1

（1.唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000）

針對一些海島面積受潮汐、海流影響較大的情況，提出了利用環(huán)境減災衛(wèi)星HJ-1的CCD數據進行海島面積監(jiān)測，并以唐山曹妃甸龍島監(jiān)測作為實驗，計算了其潮汐條件下的最大、最小面積，分析了過去5 a中該島的面積變化。實驗結果表明，環(huán)境減災衛(wèi)星數據對于海島測繪尤其是跟蹤監(jiān)測的效果良好。

HJ-1 CCD數據；潮汐；海島；遙感監(jiān)測

海島獨特的地理位置決定了其面積的衛(wèi)星遙感監(jiān)測存在一些特別之處，特別是具有大面積淺灘的小島，在高潮和低潮條件下海島的水上面積差異較大，測繪海島在潮汐條件下的最大、最小面積對于島嶼的開發(fā)建設具有重要的意義。然而，島嶼的地面測繪對人力、物力、財力有著較高要求，而且潮高的變化還會影響測繪結果的準確度。

環(huán)境減災衛(wèi)星是多星組網模式，具備覆蓋周期短、數據豐富、分辨率高、成本低的特點，在諸多方面的應用顯示了其獨特的優(yōu)勢，除例行的山火、焚燒等監(jiān)測任務外[1-2]，在地面道路交通信息提取、湖泊信息提取、植被和農作物面積遙感以及氣象災害監(jiān)測上都起到了很大作用[3-7]。相比其他資源衛(wèi)星，具有成本低、易獲取的優(yōu)勢。在土地測繪上，一些學者進行了大量的實驗分析[8-9]，且獲得了較為滿意的結果，但對于受潮汐條件影響頗大的海島監(jiān)測研究較少。筆者分析了海島監(jiān)測所存在的問題和環(huán)境減災衛(wèi)星所具備的優(yōu)勢，提出了利用環(huán)境減災衛(wèi)星進行海島監(jiān)測的完整思路，并利用實例進行了驗證，結果表明，環(huán)境減災衛(wèi)星對于受潮汐影響頗大的海島監(jiān)測效果良好。

1 HJ-1 CCD數據簡介及海島監(jiān)測的特殊性分析

1.1 HJ-1影像數據簡介

環(huán)境減災衛(wèi)星星座是由多衛(wèi)星、多傳感器組成的遙感衛(wèi)星星座系統(tǒng)，目前已建成由兩顆光學星（HJ-1A/ B）和一顆雷達星（HJ-1C）組成的“2+1”星座，A、B星于2008年9月在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用一箭雙星方式發(fā)射成功，隨后順利通過在軌測試并投入使用，C星也于2012-11-19發(fā)射成功。

A、B星均搭載了2臺多光譜CCD相機，并分別有一臺超光譜成像儀和紅外相機，能夠探測近/短波、中波、長波和紅外譜段。本項目實驗主要利用了CCD多光譜數據。采用多顆衛(wèi)星組網飛行模式，每2 d即可實現一次全球覆蓋，數據豐富是環(huán)境減災衛(wèi)星的一大優(yōu)勢。 HJ-1 CCD數據的星下點分辨率為30 m，相對于Modis等中分數據，分辨率有了很大提升；幅寬711 km，同星、兩星CCD數據可實現理想鑲嵌，為大面積監(jiān)測提供了前提；CCD多光譜數據通道1為藍波段，通道2為綠波段，這兩個波段多用于區(qū)分林型、樹種等方面，通道3為紅波段，多用于道路等信息的提取，通道4為近紅外波段，水體吸收程度最大，主要用于跨水橋段、人工堤壩等信息的提取。

1.2 海島監(jiān)測的特殊性

影響海島測繪的最大因素就是潮汐，尤其是一些淺灘面積較大、由沙石沖積而成的小島，在高、低潮條件下其面積有很大的差異，高潮時淺灘為海水所淹沒，遙感監(jiān)測到的面積較小，低潮時大片淺灘裸露海面，遙感監(jiān)測到的面積就會變大。此外，海島淺灘邊界的確定對波段的組合也提出了要求。

海島尤其是沙質小島的面積隨著海水沖刷或沖積，面積會隨時間變化而變化，對其進行面積變化的監(jiān)測客觀上要求衛(wèi)星遙感的連續(xù)性，不同海域不同季節(jié)海面情況各不相同，為求監(jiān)測的精度，對遙感數據也有進一步的要求。

2 研究方法分析

根據HJ-1數據的特點和海島監(jiān)測的特殊性，HJ-1數據在海島監(jiān)測中應該能夠發(fā)揮出自身的優(yōu)勢，在這個前提下，對研究方法作了如下分析。

2.1 最佳波段組合研究

本次研究采用最佳指數法（OIF）來確定波段的選取[10]，以區(qū)分淺灘、海水、海霧、林木、沙石以及道路等，該方法的公式如下：

式中，Si為第i個波段的標準差；Rij為i、j這 2個波段的相關系數。波段標準差越大，所包含的信息量就越大，各波段間的相關系數越小，各波段圖像數據的獨立性就越高?？梢?，OIF越大波段的組合就越理想。

2.2 面積計算

海島面積即投影在圖像監(jiān)測區(qū)域內被判識為陸地、淺灘、林木、沙石等所有單個像素面積的總和，圖像投影為經緯度投影，先求出單個像元面積ΔS，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、淺灘等像元的總數為n，于是海島面積S即為：

式中，i為像元的序號。

2.3 潮汐條件下海島監(jiān)測分析

在遙感數據的選擇上添加潮汐條件，一般在農歷每月的初一以及十五、十六的潮汐為大潮，農歷初七、初八和二十二、二十三時為小潮，但實際上大、小潮時間并無此嚴格規(guī)律，一般會延后一段時間，故采用綜合多年潮汐實測數據，潮高最大（或接近最大）時定為大潮時，潮高最?。ɑ蚪咏钚。r定為小潮時，依此再選擇衛(wèi)星數據。為了力求精確，采取多組數據對比，選擇面積遙感的最大、最小值作為海島潮汐條件下的最大、最小面積。

2.4 海島面積變化的監(jiān)測

海島面積變化監(jiān)測對遙感數據的連續(xù)性有較高要求，雖然目的在于得到一個絕對的差值，不必考慮大小潮的影響，但仍需要設置潮高相同的外部條件，這樣得到結果才更加準確。此外，受淺灘邊界界定誤差以及海島開發(fā)建筑等因素制約，一般選擇較大潮高時的數據。

3 算例實驗

本實驗以唐山曹妃甸龍島為例。作為國家經濟開發(fā)區(qū)的曹妃甸，打造高端旅游經濟是其重要組成部分。龍島地勢平坦，為古灤河沖積而成，有大面積的沙質淺灘，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。龍島多年來受海浪影響，尤其是吹沙造地后一定程度上改變了周圍海流方向，其面積也受到了一定的影響，以往的測繪結果不再適用。根據實地考察，島上無大面積樹木，主要由沙石（包括少量海貝等）、淺灘以及人工修筑的堤壩等組成。

3.1 最佳波段選擇

在ENVI軟件的支持下，對唐山沿岸影像進行圖像統(tǒng)計，得到各波段的光譜特征（波段光譜的最大值、最小值、平均值和標準差），見表1。從表1中可以看出Band3最大和最小光譜值的差最大，雖然最小值和平均值非4個波段中最小的，但標準差最大，可見單波段信息量最大的是Band3，Band4的波段信息量緊隨其后。

表1 唐山沿岸HJ-1數據光譜特征統(tǒng)計表

利用ENVI軟件的Statistics功能計算各波段間的相關系數，結果如表2所示，可見Band4與其他波段間的相關性較低。

表2 唐山沿岸HJ-1數據相關系數

綜上所述，最佳波段組合應該包含Band3和Band4，共存在2種可能的最佳組合，利用公式（1）可得到2種組合的OIF值，見表3。

表3 波段組合的OIF值

綜合考慮OIF值和實際組合情況，得到Band2、3、4為最佳組合波段。最后確定賦色方案，不同方案疊置效果顯示，最佳組合方式為Band3、4、2，分別對應R、G、B。

3.2 潮汐條件下龍島面積監(jiān)測

在做大潮的面積遙感分析時，可直接采用Band4單通道，其對區(qū)分海上人工堤壩、陸地效果良好，可避免相關冗余工作。對影像進行判讀，作監(jiān)督分析、分離性檢驗及逐步剔除等處理，所得統(tǒng)計結果見表4。

從表4可以看出，2011～2012年龍島面積在大潮時約為3．79 km2，小潮時約為7．69 km2。地面測繪結果為大潮時龍島面積約為4．00 km2，衛(wèi)星遙感誤差為5．2%，效果比較理想。

表4 遙感分析所得陸地面積

4 龍島面積變化監(jiān)測

表5 近年龍島面積變化衛(wèi)星數據選擇

利用上述5 a數據對龍島面積進行遙感分析，所得趨勢如圖1所示。

圖1 龍島面積逐年變化趨勢圖

上述分析結果說明了龍島面積近年來略有減小，2008～2009年變化最不明顯，但2010年減小的程度最大。從圖2的衛(wèi)星圖中可以看出，在2008～2010年期間，龍島的西南端明顯消失了一部分，是面積減小的主要部分。這與南京水利科學研究院所出具的水深圖對比結果相吻合，即水下從基面起，西邊1 m高程面積減小顯著。

圖2 2008年和2012年衛(wèi)星影像對比圖

5 結 語

本文針對海島監(jiān)測中所存在的一些問題，提出利用HJ-1 CCD數據測繪潮汐條件下海島的最大、最小面積以及連續(xù)監(jiān)測海島面積的可能性，結果表明HJ-1衛(wèi)星CCD數據所具備的數據豐富、重訪周期短、分辨率高等特點能夠較好滿足該項監(jiān)測的要求，算例結果也表明該方法可行，效果比較理想。

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P237

B

1672-4623（2016）12-0055-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.018

龍強，工程師，研究方向為衛(wèi)星數據分析處理。

2015-09-18。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（61375030）。