廖旋芝，邱 騫，熊顯名

（1.北部灣大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；2.廣西幼兒師范高等?？茖W(xué)校 初等教育學(xué)院，廣西 南寧 530022；3.桂林電子科技大學(xué) 廣西光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541000）

0 引言

海洋在地球表面的覆蓋面積達(dá)到71%，淺海又是人類與海洋接觸最頻繁的海域，因此無論從人類發(fā)展出發(fā)，還是從軍事、國防角度來看，人們都期望利用海洋資源來解決能源短缺問題。淺海水下信息探測則是海洋資源探測中的一項(xiàng)重要內(nèi)容［1-3］。不同于傳統(tǒng)船載和機(jī)載探測水深信息方法的高成本、地域限制、不適用大規(guī)模探測等特點(diǎn)［4-6］，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有不受地理空間限制、大范圍實(shí)時同步，以及全天時、全天候多波段成像等優(yōu)勢［7-8］。高分辨率的遙感影像具有空間與時間分辨率高、信息量大的特點(diǎn)，可為淺海水深信息探測提供有效的探測手段［9］。

針對淺海遙感水深反演理論研究方面，在國外，Bierwirth 等［10］提出一種計(jì)算水體底部反射率的方法，分析衛(wèi)星圖像獲取到的輻射亮度與水深及對應(yīng)區(qū)域海底反射率的關(guān)系，得出參數(shù)關(guān)系，從而求出水深；Lyzenga 等［11］提出利用主成分分析提取水深信息的方法，建立衛(wèi)星遙感影像光譜值與對應(yīng)海域水深值之間的關(guān)系模型，計(jì)算出水深數(shù)據(jù)；Stumpf 等［12］利用波段比值與水深的線型回歸得出水深，在一定程度上消除反演區(qū)域不同海底地質(zhì)的影響。在國內(nèi)，黨福星等［13］依據(jù)海底地質(zhì)的光譜特性建立多光譜衛(wèi)星影像在海島淺海的水深反演模型，獲得了較好結(jié)果；程潔等［14］采用國產(chǎn)高分衛(wèi)星2 號多光譜影像對香港平洲島進(jìn)行水深反演，反演模型適合中等淺水區(qū)域，取得了較好的反演效果；李寧寧等［15］在對島礁周邊水深進(jìn)行反演模型分析時，得出對數(shù)波段比值模型具有效率優(yōu)勢；楚森森等［16］基于光譜分層研究淺海水深，解決了水深反演模型難以適應(yīng)不同光譜層的局限，提高了水深反演精度。

針對軟件應(yīng)用方面，近年來，國內(nèi)外水深遙感測量方面的研究越來越多，但能夠進(jìn)行淺海水深遙感反演的軟件很少。已有的軟件主要分為以下幾種類型：基于高級語言VC 的圖像處理系統(tǒng)、基于MATLAB 軟件的遙感模型和仿真系統(tǒng)，以及基于IDL 或ENVI 等可視化數(shù)據(jù)語言的遙感影像處理系統(tǒng)。但大多數(shù)遙感軟件價格昂貴，并且僅僅作為遙感影像處理的通用平臺。IDL（Interactive Data Language）作為第四代編程語言，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)與圖像處理、可視化以及交互式處理和操作的功能。其提供了大量函數(shù)和對象，可以更直觀、高效地處理遙感數(shù)據(jù)，因此得到了越來越多遙感影像處理用戶的青睞［17］。軟件系統(tǒng)依托交互式數(shù)據(jù)語言IDL 平臺開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對淺海海域水深反演的要求。本項(xiàng)目的研究將為淺海遙感影像水深探測應(yīng)用提供快速、高效的水深信息可視化處理軟件平臺。

綜上所述，目前一般利用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行淺海水深反演，其衛(wèi)星影像受大氣和傳感器自身精度影響，在反演時需進(jìn)行繁瑣的參數(shù)糾正，增加了反演難度。同時，實(shí)測水深數(shù)據(jù)無法做到與反演水深數(shù)據(jù)大量匹配，無法進(jìn)行多區(qū)域的模型驗(yàn)證，反演模型存在一定的區(qū)域適用性。本研究將以衛(wèi)星圖像獲取的DN 值為基礎(chǔ)構(gòu)建水深反演模型，在以IDL 為編程語言的軟件平臺上解析影像頭文件參數(shù)，自動配置糾正參數(shù)，而無需過多的繁瑣操作。在具備少量的實(shí)測水深數(shù)據(jù)時，能依據(jù)反演模型進(jìn)行絕對水深反演。同時，在缺乏實(shí)測水深數(shù)據(jù)時能進(jìn)行相對水深反演，獲取淺海水下的相對地勢變化。軟件平臺的開發(fā)將縮短淺海水深反演周期，降低使用人員的學(xué)習(xí)成本，以快速、高效地進(jìn)行淺海水深反演。

1 遙感水深反演理論分析

1.1 水深遙感理論

水深遙感探測的原理主要基于太陽光在水體的反射過程，探測器接收到含有水深信息的反射光能量，其輻射傳輸過程如圖1 所示（彩圖掃OSID 碼可見，下同）。太陽光線照射到水面，其中一小部分光線被水面直接反射到大氣中，形成水面散射光；未被反射的光線進(jìn)入水體，以折射和透射的方式在水中傳播。其中部分光線被水分子吸收和散射，部分被水體中含有的其他懸浮物質(zhì)、水體微生物、水下動植物等吸收、反射、散射和衍射，形成后向散射光。光線到達(dá)水體底部被反射，并且由水體折射進(jìn)大氣中，探測器接受到的輻射亮度與水深信息有關(guān)。而且隨著水體所含的雜質(zhì)增多，渾濁度增加，水深與水底反射的光強(qiáng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即水體越渾濁，探測器接收到的含有水深信息的輻射亮度越低。因此，遙感測深包括太陽光在大氣和水體中的兩個輻射傳輸過程。衛(wèi)星傳感器所接收的信號主要包括水—大氣界面的反射信號、水體的后向散射信號以及水底的反射信號，其中水底的反射信號具有水深信息。

Fig.1 Radiative transfer process of sunlight in the atmosphere and water bodies圖1 太陽光在大氣與水體中的輻射傳輸過程

1.2 水深光譜特性

不同的水體由于所含物質(zhì)（葉綠素濃度、含泥沙量、浮游生物等）不同，在可見光波段范圍內(nèi)對水體的衰減程度也不同，如圖2 所示。通常水質(zhì)越混濁，衰減系數(shù)越大，即水質(zhì)越清，穿透性越好。從圖2 中還可得知對于同一水體，不同波段的衰減程度不同。但對于不同水體，衰減系數(shù)的極小值都出現(xiàn)在0.45～0.60 μm 左右的波段，說明藍(lán)綠波段對水體的穿透性最好。但隨著泥沙濃度的增大，水體的后向散射信號會增強(qiáng)，即出現(xiàn)“紅移現(xiàn)象”。若水質(zhì)為均一狀態(tài)時與水深正線性相關(guān)，則混濁度較大的沿岸水一般呈黃綠色；延伸至深海，水則呈藍(lán)綠色［18］。

Fig.2 Spectral attenuation characteristics of water圖2 水的光譜衰減特性

1.3 水深遙感模型

可見光波段在水體中的傳播傳輸過程可用經(jīng)典的輻射傳輸方程來描述［19］，則該方程可表達(dá)為：

其中，Z為水深，θ為海底反射光到海面的入射角，φ為太陽光入射到海水時的折射角，L為離水輻射亮度。

假設(shè)輻射場具有各向同性性質(zhì)，所有水體的光學(xué)參數(shù)只是水深Z的函數(shù)，大顆粒散射中的前向散射系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后向散射系數(shù)［19］，則公式（1）可轉(zhuǎn)換為［20］：

式中，Ed(Z)為水中向下的輻亮度，ɑ為吸收系數(shù)，bb為背向散射系數(shù)。此公式說明向下輻亮度Ed(Z)隨著深度Z按指數(shù)衰減，衰減系數(shù)是ɑ+bb。一般背向散射系數(shù)bb較小，所以Ed(Z)近似按e-ɑZ的規(guī)律衰減。當(dāng)水體足夠清澈，底質(zhì)較均一，大氣條件較好時，可根據(jù)遙感影像灰度值與可見光水體衰減系數(shù)之間的線性關(guān)系，依據(jù)式（2）推算出水深值。

（1）單波段模型。假設(shè)光進(jìn)入水體后衰減系數(shù)和底質(zhì)反射率為常量，其理論基礎(chǔ)是布格定理［21］，如式（3）所示［22］。

式中，Lsi為深水區(qū)輻亮度，τi為與太陽輻亮度、大氣和水面透過率、水面折射率等有關(guān)的常數(shù)，γBi為水體底質(zhì)反射率，ki為水體衰減系數(shù)，f為水體路徑長度［18］，Z為水深［23］。式（3）通過變形可得：

式中，Xi=ln(Li-Lsi)，令ɑ=-1/fki，b=(lnτiγBi)/fki。

（2）雙波段比值模型。水體的衰減系數(shù)和底質(zhì)反射率隨著水體與底質(zhì)類型的不同表現(xiàn)出較大差異，但不同波段的底質(zhì)反射率之比卻保持不變，且兩波段衰減系數(shù)的差值也基本保持不變［24］。由式（3）可得第1 個波段的輻亮度L1和第2個波段的輻亮度L2：

由于不同波段的底質(zhì)反射率之比保持不變，即γA1/γA2=γB1/γB2…，且對于不同水體，兩波段衰減系數(shù)差值(k1-k2)基本保持不變。因此，有：

其中，ɑ=-1/(k1-k2)f，b=(lnτ1γB1/lnτ2γB2)/f(k1-k2)。

（3）線性多波段模型。線性多波段模型是由雙波段模型擴(kuò)展到n 個不同波段和n 種不同底質(zhì)類型而得到的［21］。

式中，Xi=ln(Li-Lsi)，ω1、ω2為兩個波段的權(quán)重因子，且滿足ω1+ω2=1。將雙波段模型中的波段擴(kuò)展至n 個不同波段，底質(zhì)類型擴(kuò)展至n種不同類型，則有：

其中，有：

依據(jù)式（10）最后得到：

其中，ɑ0，ɑ1，······ɑn為待定系數(shù)。在實(shí)際計(jì)算中，選擇n+1 個點(diǎn)，由實(shí)測獲取n+1 組Z 值，回歸計(jì)算出ɑ0，ɑ1，······ɑn的值。

上述模型在水深反演的應(yīng)用中，采用衛(wèi)星遙感影像的DN 值，結(jié)合衛(wèi)星自身的糾正參數(shù)，可快速獲取反演水深。同時，經(jīng)過前人學(xué)者的研究和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，上述模型的精確度也普遍較高，能夠達(dá)到對淺海遙感水深反演軟件快速、準(zhǔn)確性的要求。

2 淺海遙感水深反演軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

本文研究的淺海遙感水深反演軟件系統(tǒng)作為水深反演的專用平臺，主要包含四大基本功能模塊：輸入顯示、水深反演、輸出保存、其他輔助功能模塊。每個基本功能模塊可分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，同時模塊之間相互聯(lián)系，后者建立在前者之上。模塊的基本功能如下：

（1）輸入顯示模塊。系統(tǒng)可以靈活地載入多種衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地提取影像頭文件中所包含的地理信息、坐標(biāo)系、分辨率、投影方式等信息，并將影像默認(rèn)為1：1的顯示，也可對影像進(jìn)行縮放和漫游，以便用戶查看。

（2）水深反演模塊。由于遙感影像獲取途徑特殊，為保證反演結(jié)果的精度，在參與反演之前，首先要經(jīng)過預(yù)處理。不同影像需要做的預(yù)處理工作可能不同，但大都要經(jīng)過輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)和圖像融合。此處理一般由衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)商完成，也可獲取相關(guān)參數(shù)，在ENVI 軟件中完成。在該軟件中，經(jīng)過預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行水陸分割、模型參數(shù)獲取、水深計(jì)算和等深線繪制等處理，最終獲得影像的水深反演結(jié)果。

（3）輸出保存模塊。通過對水深反演生成的等深線進(jìn)行編輯修正，獲取最終的水深反演專題圖，為海上作業(yè)提供水深參考。該模塊包含等深線編輯、水深反演圖輸出、數(shù)據(jù)保存等。

（4）其他輔助功能模塊。為了使軟件功能更加豐富、實(shí)用，軟件還包含一些輔助工具，如深度剖面分析、水深點(diǎn)提取、影像裁剪等。

根據(jù)軟件的總體布局及其功能分析，淺海遙感水深反演軟件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 Software system composition structure圖3 軟件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.2 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.2.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

淺海水深反演軟件是一個能連接各大功能模塊的完整系統(tǒng)，軟件的主界面是用戶與計(jì)算機(jī)交流的主要平臺，直接地體現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)水平。因此，簡潔、清晰、合理的布局是主界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可使人機(jī)交互簡單、方便。本系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)采用基于過程的GUI 設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)建基本容器（base 組件），然后在該容器內(nèi)創(chuàng)建其他基本容器組件，從而形成一個完整、自上而下的頂層結(jié)構(gòu)。

2.2.2 輸入顯示模塊設(shè)計(jì)

輸入顯示模塊的功能主要是將數(shù)據(jù)輸入軟件系統(tǒng)，之后進(jìn)行影像顯示方面的參數(shù)設(shè)置。主要包括是否顯示經(jīng)緯度網(wǎng)、使用何種定標(biāo)方式、確定圖像顯示的拉伸系數(shù)等，最后在圖像顯示區(qū)將圖像顯示出來。在本軟件中，可輸入的軟件數(shù)據(jù)分為以下5 種：高分辨率的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)（*.tif 格式）、水陸分割數(shù)據(jù)（*.dat 格式）、參數(shù)標(biāo)定數(shù)據(jù)（*，txt）、水深數(shù)據(jù)（*.tif 格式）和矢量等深線數(shù)據(jù)（*.shp 格式）。在載入影像時，自動解析影像頭文件，如xx_metadata.txt 文件，解析獲得各波段的定標(biāo)系數(shù)。調(diào)用IDL 具備的大氣校正函數(shù)庫，消除大氣散射、吸收、反射對衛(wèi)星實(shí)際接受到的輻射亮度的影響。軟件自動進(jìn)行上述操作。

2.2.3 水深反演模塊設(shè)計(jì)

水深反演模塊是本系統(tǒng)的核心部分，包括水陸分割、模型參數(shù)獲取、水深計(jì)算和等深線繪制四大功能。

（1）水陸分割。該功能可將影像分成兩部分，實(shí)現(xiàn)水體白色和陸地黑色的二值化圖，并且在進(jìn)行水深計(jì)算時會將陸地部分剔除，降低計(jì)算量，提高程序的運(yùn)行速度。

（2）模型參數(shù)獲取。在有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，選取適合本研究區(qū)域的水深反演理論模型，結(jié)合實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，讀取水深反演因子的灰度值，并進(jìn)行最小二乘法回歸計(jì)算，以確定反演模型參數(shù)。之后建立水深反演模型，把該模型代入到其他水深點(diǎn)可以得到相應(yīng)的實(shí)際水深值。

（3）水深計(jì)算。除采用雙波段比值模型外，本軟件擬設(shè)計(jì)模型包含單波段模型、雙波段減法比值模型和多波段自定義模型，這些模型的設(shè)計(jì)可為軟件的數(shù)據(jù)處理提供多樣化的選擇。

（4）等深線繪制。采用矩形網(wǎng)格法繪制等深線，先將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后計(jì)算各條等值線與網(wǎng)格邊的交點(diǎn)，按一定規(guī)律追蹤并有序排列所有等值點(diǎn)，最后平滑繪制等值線。

2.2.4 輸出保存模塊設(shè)計(jì)

輸出保存模塊包括等深線編輯、反演圖輸出和數(shù)據(jù)保存功能。其中，等深線編輯主要對生成的等深線進(jìn)行修正，以達(dá)到最佳的水深反演效果；反演圖輸出包含等深線圖輸出、水深灰度圖輸出；數(shù)據(jù)保存包含水陸分割圖保存、等深線保存和水深反演數(shù)據(jù)保存。

2.2.5 其他輔助模塊設(shè)計(jì)

軟件還包含一些輔助工具，如深度剖面分析、水深點(diǎn)提取、影像裁剪等。深度剖面圖分析的開發(fā)是為了讓用戶更好地分析感興趣的水域，從而了解水域的深度走勢；水深點(diǎn)提取即用戶輸入興趣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，獲取該點(diǎn)的水深值，方便評測人員將反演水深值與海圖或?qū)崪y數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；影像剪裁不僅可減少計(jì)算量，提升軟件運(yùn)行速度，而且可讓感興趣區(qū)域的顯示更加醒目，方便用戶觀察。

3 淺海遙感水深反演軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 IDL開發(fā)語言選擇

交互式數(shù)據(jù)語言IDL 是美國Exelis VIS 公司開發(fā)并投向市場的用于數(shù)據(jù)可視化研究與應(yīng)用開發(fā)的第四代計(jì)算機(jī)語言。IDL 語言的最大特點(diǎn)是面向矩陣，對于數(shù)組的操作可以不通過循環(huán)而直接對數(shù)組進(jìn)行運(yùn)算。此外，基于IDL 語言開發(fā)的遙感圖像處理平臺ENVI 與IDL 語言能夠方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和函數(shù)調(diào)用，極大地提高了IDL 語言處理遙感圖像的能力［17，25］。因此，淺海遙感水深反演軟件采用IDL 語言開發(fā)，可方便調(diào)用圖像處理函數(shù)庫，且可視化的開發(fā)環(huán)境能大大縮短開發(fā)周期。

3.2 軟件系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)

軟件主界面分為軟件菜單欄、影像屬性欄、地理信息欄、系統(tǒng)狀態(tài)顯示欄以及影像顯示區(qū)、鷹眼顯示區(qū)等部分。軟件菜單欄負(fù)責(zé)功能界面的激活，包括影像載入、參數(shù)設(shè)置、水陸分割、反演參數(shù)獲取、水深反演及各種輔助功能等；影像屬性欄用于顯示被加載影像的信息，包括影像路徑、影像的波段數(shù)和衛(wèi)星影像基本信息；地理信息欄用于顯示影像的地理信息，包括投影方式、影像4 個頂點(diǎn)和中心的經(jīng)緯度、分辨率和坐標(biāo)系；系統(tǒng)狀態(tài)顯示欄用于記錄當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，顯示當(dāng)前鼠標(biāo)位置的經(jīng)緯度、DN 值和水深值；影像顯示區(qū)用于顯示當(dāng)前加載的衛(wèi)星影像；鷹眼顯示區(qū)用于存放影像的縮略圖，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊確定鷹眼區(qū)圖像，并在影像顯示區(qū)顯示影像的具體位置。軟件系統(tǒng)界面如圖4所示。

Fig.4 Software system interface圖4 軟件系統(tǒng)界面

3.2.2 輸入顯示模塊實(shí)現(xiàn)

IDL 提供了直接輸入和間接輸入兩種數(shù)據(jù)輸入方式。直接輸入是指在GUI 界面采用鍵盤輸入的方式，該方式能滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)交互需求。間接輸入是指讀取格式文件的操作方式，該方式無需通過鍵盤輸入，可直接讀取內(nèi)存中已有的數(shù)據(jù)。該方式能夠以任意格式，用文件的形式進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的輸入，操作簡潔、方便。在系統(tǒng)內(nèi)，多數(shù)的數(shù)據(jù)輸入都是應(yīng)用該方法。影像顯示包括影像屬性顯示、地理信息顯示、影像鷹眼區(qū)域顯示、影像原比例顯示、彩色合成顯示和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)欄顯示。

3.2.3 水深反演模塊實(shí)現(xiàn)

水深反演模塊主要分為4 部分：水陸分割、模型參數(shù)獲取、水深計(jì)算和等深線繪制。水陸分割是指把影像按水域和陸地分為兩部分，生成二值圖；模型參數(shù)獲取是指通過影像的實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法獲得模型參數(shù)用于水深計(jì)算；水深計(jì)算是指在水陸分割的前提下，把影像陸地部分屏蔽，按照一定的算法模型和反演參數(shù)計(jì)算出水體深度；等深線繪制是指在已得到水深值的情況下，將水深值相等的點(diǎn)用等深線連接起來，便于理解和觀察。重點(diǎn)說明以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）水陸分割。軟件進(jìn)行水陸分割的目的是在水深反演時將陸地信息屏蔽，從而減少計(jì)算量，降低內(nèi)存占用以提高軟件的運(yùn)行速度。在軟件的菜單欄中設(shè)置了“水陸分割”欄，單擊后可生成兩個下級菜單：RGBN 四波段水陸分割和近紅外波段水陸分割。

（2）水深計(jì)算。軟件為水深計(jì)算設(shè)計(jì)了單獨(dú)的功能界面，用戶可選擇任意模型計(jì)算影像水深。選擇的模型不同，操作界面也有所不同，包括雙波段比值水深模型、單波段模型、雙波段比值減法模型以及多波段自定義模型，使得軟件具備更強(qiáng)的應(yīng)用性。

現(xiàn)階段主要采用雙波段比值模型反演水深信息。圖5為雙波段比值模型界面，用戶通過界面的下拉列表選取分子波段和分母波段。由前面介紹的遙感水深理論可知，藍(lán)光和綠光在水中吸收和衰減較小，反演結(jié)果也證實(shí)了藍(lán)綠光的反演效果較好。所以一般把藍(lán)光作為分子波段，綠光作為分母波段計(jì)算水深值。在沒有水域?qū)嶋H深度值的情況下，系統(tǒng)會給出默認(rèn)值（a=-30，b=0）。按此計(jì)算出來的水深為相對水域深度，在顯示上不影響等深線繪制和對水體深度變化走勢的觀察。

Fig.5 Interface of dual band ratio model parameter setting圖5 雙波段比值模型參數(shù)設(shè)置界面

（3）等深線繪制。采用基于格網(wǎng)序列法的矩形格網(wǎng)法生成等深線圖，等深線的條數(shù)及每條線的深度值根據(jù)不同區(qū)域和用戶的不同要求由用戶輸入。等深線繪制的功能界面如圖6 所示。界面上方為水深統(tǒng)計(jì)直方圖，中間標(biāo)注了水深的范圍，通過“編輯深度值”“添加等深線”“刪除等深線”按鈕可以對深度值信息進(jìn)行編輯。在編輯等深線子界面中可以對等深線的值、標(biāo)號、顏色進(jìn)行設(shè)置。

Fig.6 Interface of contour drawing圖6 等深線繪制界面

3.2.4 輸出保存模塊實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過等深線編輯的影像會生成SHP 文件格式的矢量數(shù)據(jù)，配上原始影像即可做成影像等深線圖。在軟件重新啟動時，無需進(jìn)行參數(shù)配置，此等深線圖能被直接加載顯示，可展示水深反演效果，方便閱覽。

3.2.5 其他輔助模塊實(shí)現(xiàn)

軟件包含了一些方便用戶操作和觀察影像的輔助工具。

（1）深度剖面圖分析。深度剖面圖分析工具是為了觀察直線水深段的具體水深變化而設(shè)計(jì)的，深度剖面圖界面如圖7 所示。圖中的斜直紫線表示觀察區(qū)域，在實(shí)際操作中，先點(diǎn)擊紫線的右下方，然后點(diǎn)擊左上方，最后會彈出深度剖面圖功能界面?？梢钥闯觯w深度曲線有明顯的逐漸下滑趨勢，與實(shí)際情況類似。

Fig.7 Interface of depth profile圖7 深度剖面圖界面

（2）水深點(diǎn)提取。用戶輸入測試點(diǎn)的經(jīng)緯度，點(diǎn)擊確認(rèn)后，在不超過影像范圍的情況下，深度值一欄返回測試點(diǎn)的水深值。

（3）影像裁剪。利用影像裁剪工具可以在保留影像地理信息的基礎(chǔ)上提取目標(biāo)海域。

4 軟件數(shù)據(jù)處理

在有實(shí)測水深數(shù)據(jù)時，軟件可以水深反演計(jì)算出絕對水深。在缺失實(shí)測水深數(shù)據(jù)時，軟件可以計(jì)算出相對水深，以此反映水深變化。

4.1 反演區(qū)域數(shù)據(jù)說明

絕對水深反演區(qū)域?yàn)樾轮袷心襄几浇８?，截取范圍?4° 49′40.74″N-24° 51′49.42″N，120° 53′45.11″E-120°56′50.90″E 的淺海區(qū)域。采用IKONOS 衛(wèi)星于2005 年6 月4 日拍攝的高分辨率多光譜遙感影像，多光譜共含有4 個波段，分別為0.45-0.53μm（藍(lán)）、0.52-0.61μm（綠）、0.64-0.72μm（紅）、0.76-0.86 μm（近紅外），分辨率為4 m。全色譜段為450-900 nm，分辨率為1 m。本研究采用同時期獲取的電子海圖數(shù)據(jù)，以電子海圖上的水深信息作為實(shí)測數(shù)據(jù)。在電子海圖上提取水深樣點(diǎn)45處，水深在31 m 以內(nèi)。

相對水深反演區(qū)域?yàn)槟仙橙簫u鄭和群礁南部邊緣的鴻庥島，截取范圍為10°10′19.39″N-10°11′1.89″-N，114°21′52.71″E-114°22′53.68″。采用GeoEye-1 衛(wèi)星于2009 年4 月8 日拍攝的高分辨率多光譜遙感影像，多光譜有4 個波段，分別是0.45-0.51μm、0.52-0.58μm、0.655-0.69μm 和0.78-0.92μm，分辨率為1.64 m。全色譜段為450-900 nm，分辨率為0.41 m。因相對水深反演沒有實(shí)測水深數(shù)據(jù)，本研究采用逐步逼近法，假定反演模型參數(shù)值，運(yùn)用水深反演模型獲取反演水深，在此基礎(chǔ)上通過線性回歸獲取反演模型參數(shù)值，再通過同一水深反演模型二次獲得反演水深。將前后兩次反演水深進(jìn)行對比分析，計(jì)算軟件反演效果。

為進(jìn)行潮汐校正，本研究通過衛(wèi)星過境同期潮汐表獲取該時刻的潮位值。衛(wèi)星遙感影像獲取的瞬時水深為實(shí)測水深與該時刻的潮位值之和。因用電子海圖水深作為實(shí)測水深，則此瞬時水深為電子海圖水深與該時刻潮位值相加后的水深。

4.2 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過淺海區(qū)域水質(zhì)的光學(xué)特性分析后，發(fā)現(xiàn)藍(lán)綠波段比值模型適合當(dāng)前水深反演。因此，在對反演區(qū)域進(jìn)行絕對和相對水深反演時，均采用藍(lán)綠波段比值模型，即Z=ɑ*ln(藍(lán)/綠)+b。經(jīng)軟件計(jì)算，獲取反演模型參數(shù)值后，在絕對水深反演下，所得公式為Z=-168.094*ln(藍(lán)/綠)-1.074 14；在相對水深反演下，所得公式為Z=-53.178 8*ln(藍(lán)/綠)-13.569 6。在絕對水深反演下，將電子海圖水深數(shù)據(jù)與絕對水深反演數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并進(jìn)行評價參數(shù)計(jì)算。評價參數(shù)包括決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE（m）、平均相對誤差MRE（%）和平均絕對誤差MAE（m）。同理，在相對水深反演下，將兩次回歸前后的水深反演數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖8、圖9 所示，并進(jìn)行評價參數(shù)計(jì)算，如表1所示。

Table 1 Inversion fitting and evaluation parameters表1 反演擬合及評價參數(shù)

Fig.8 Fitting of absolute water depth inversion data圖8 絕對水深反演數(shù)據(jù)擬合

4.3 數(shù)據(jù)分析

由表1 可知，在兩種情況下的水深反演，決定系數(shù)R2均在0.98 以上，擬合效果好。RMSE、MRE 和MAE 在絕對水深反演與相對水深反演下，分別為0.572 6m、6.659 3%、0.479 2m 和1.076 1m、5.496 2%、0.659 2m，反演效果良好。在有實(shí)測水深數(shù)據(jù)時，軟件能較好地反演真實(shí)水深，誤差偏差較小。在無實(shí)測水深數(shù)據(jù)時，軟件能較好地反映水深相對變化，回歸前后的數(shù)據(jù)擬合度好，誤差變化小，說明軟件的穩(wěn)定性較好。在軟件中繪制出等深線和深度剖面圖，效果如圖10、圖11所示。

Fig.10 Effect of absolute water depth inversion圖10 絕對水深反演效果

Fig.11 Effect of relative water depth inversion圖11 相對水深反演效果

從圖中可以看出，軟件繪制的等深線和深度剖面圖能較好地反映水深變化，達(dá)到了研究的預(yù)期效果。

5 結(jié)論

本文以水深遙感理論為基礎(chǔ)，利用遙感技術(shù)進(jìn)行水深反演，使用IDL 語言開發(fā)出了淺海遙感水深反演軟件系統(tǒng)，得出以下結(jié)論：

（1）在開發(fā)語言的選擇上，IDL 在圖像處理方面具備大量的函數(shù)庫，極大地簡化了軟件開發(fā)，并且其具有交互性的特點(diǎn)，使水深反演模型流程的開發(fā)更加便捷。

（2）本文對遙感水深反演理論進(jìn)行了分析與總結(jié)，軟件在遙感水深反演的理論基礎(chǔ)上，嵌入了包含單波段模型、雙波段比值模型和多波段模型的多種水深反演模型，能夠滿足多種條件下的水深反演，反演參數(shù)可依據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）作為專門進(jìn)行淺海遙感水深反演的軟件，該軟件反演水深效果良好，能夠?yàn)闇\海區(qū)域相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支撐，具備一定的推廣價值。

本文軟件還存在不足之處，后續(xù)研究會針對不同水質(zhì)進(jìn)行分類，將海底地質(zhì)及水質(zhì)分類加入軟件模塊中，以提高反演精度。