本發(fā)明涉及遙感空間信息，特別是指一種基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著人類活動(dòng)的不斷擴(kuò)展，淺海區(qū)域的水深信息在海洋生態(tài)保護(hù)、資源開發(fā)、航道維護(hù)以及災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域的重要性愈發(fā)凸顯。傳統(tǒng)的水深測(cè)量技術(shù)，如多波束回聲測(cè)深儀和激光測(cè)深儀，雖然能夠提供高精度的水深數(shù)據(jù)，但存在設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、測(cè)量效率較低以及受天氣和作業(yè)條件限制的局限性，難以滿足對(duì)大面積淺海區(qū)域?qū)崟r(shí)、快速、經(jīng)濟(jì)的水深信息獲取需求。因此，基于遙感影像的淺海水深反演技術(shù)因其覆蓋范圍廣、成本較低、效率高等優(yōu)勢(shì)，成為研究的熱點(diǎn)之一。

2、遙感水深反演的核心是將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為水深信息。淺海區(qū)域的遙感反射信號(hào)不僅受到水體吸收和散射特性的影響，還受到水底反射和水深的共同作用，因此具有顯著的復(fù)雜性。當(dāng)前，基于遙感的水深反演方法面臨諸多挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜海底地形導(dǎo)致的光信號(hào)非線性變化、懸浮物濃度和水色變化引起的光學(xué)信號(hào)混雜、以及淺水區(qū)域水底反射對(duì)水體光學(xué)特性疊加影響的準(zhǔn)確分離等問(wèn)題。這些技術(shù)瓶頸限制了現(xiàn)有反演模型在不同水體條件下的適用性和推廣性。

3、目前國(guó)內(nèi)外基于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水深反演，主要利用的是landsat?tm/etm+、ikonos、gf系列等多光譜影像，根據(jù)太陽(yáng)光可穿透水體的性質(zhì)，逐步形成了以輻射傳輸方程為基礎(chǔ)的理論模型，用經(jīng)驗(yàn)和假設(shè)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以及將理論模型和?jīng)驗(yàn)參數(shù)相結(jié)合的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

4、總結(jié)現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)遙感水深反演方法僅利用衛(wèi)星或航空平臺(tái)上單一角度獲取的光學(xué)影像數(shù)據(jù)。例如，僅使用天頂觀測(cè)角度的光譜信息進(jìn)行水深反演。這種方法忽略了光在水體中多角度傳輸時(shí)的不同散射和反射特性，無(wú)法充分利用水體與海底相互作用產(chǎn)生的多角度光學(xué)信號(hào)差異。在淺海區(qū)域，海底地形復(fù)雜，不同坡度和粗糙度的海底對(duì)光的反射方向和強(qiáng)度在多角度下有明顯變化，單一角度數(shù)據(jù)難以全面捕捉這些信息，從而限制了水深反演的精度和可靠性，尤其在地形起伏較大的淺海區(qū)域效果不佳。

5、此外，現(xiàn)有多數(shù)方法依賴于高水底反射率和清澈水體等理想環(huán)境，未能充分考慮光在水體中多角度傳輸過(guò)程中與水體成分、海底地形等復(fù)雜因素的全面相互作用，導(dǎo)致對(duì)淺海水深的反演不夠準(zhǔn)確，應(yīng)用受到較大限制。綜上所述，現(xiàn)有淺海水深反演技術(shù)還存在諸多局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法及系統(tǒng)，通過(guò)更全面地考慮多角度光學(xué)輻射傳輸過(guò)程中的各種因素，提高淺海水深反演的精度、可靠性和通用性。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一方面，提供了一種基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，所述方法包括以下步驟：

4、s1、以水體生物光學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合水體和水底的光輻射傳輸過(guò)程，構(gòu)建淺海水深反演模型；

5、s2、根據(jù)獲取的多角度衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用所述淺海水深反演模型計(jì)算得到淺海水深信息。

6、可選地，所述步驟s1中，構(gòu)建的淺海水深反演模型如下：

7、

8、其中，h為最終計(jì)算的淺海水深信息；kwat為光學(xué)淺水的海表層反射信號(hào)；r為光學(xué)深水的遙感反射率；α為第一水質(zhì)參數(shù)，由水體總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)決定；a0和a1為模型擬合參數(shù)；t1和t2分別為與上行輻照度和下行輻照度相關(guān)的平均漫散射衰減系數(shù)；ρ為水底反射率。

9、可選地，所述光學(xué)淺水的海表層反射信號(hào)kwat，由海表層上表面的遙感反射比r計(jì)算獲得：

10、

11、其中，ζ為水氣交界因子；τ為水氣界面內(nèi)反射系數(shù)，上述兩個(gè)參數(shù)基于hydrolight水體光學(xué)輻射傳輸模型導(dǎo)出。

12、可選地，所述光學(xué)深水的遙感反射率r，計(jì)算如下：

13、

14、其中，g0和g1為與海水各組分的相位函數(shù)相關(guān)的參數(shù)，由水體類型和觀測(cè)幾何決定；a和bb分別為水體總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)，由衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)提供。

15、可選地，所述第一水質(zhì)參數(shù)α，由水體總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)bb決定，具體計(jì)算如下：

16、α＝a+bb?(4)

17、其中，a為水體總吸收系數(shù)，bb為后向散射系數(shù)。

18、可選地，所述上行輻照度和下行輻照度相關(guān)的平均漫散射衰減系數(shù)t1和t2的計(jì)算如下：

19、

20、其中，θs為太陽(yáng)天頂角；d0、d1、d2、d3為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到；μ為第二水質(zhì)參數(shù)，由水體總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)決定，具體計(jì)算如下：

21、

22、其中，a為水體總吸收系數(shù)，bb為后向散射系數(shù)。

23、可選地，所述水底反射率ρ采用hapke模型計(jì)算，公式如下：

24、

25、其中，函數(shù)b表征后向散射效應(yīng)，函數(shù)phg表示土壤顆粒的平均散射相函數(shù)，函數(shù)h表示多次散射現(xiàn)象，sh為后向散射的熱點(diǎn)峰值，ω為平均單次散射反照率，g為不對(duì)稱因子，h為熱點(diǎn)寬度，ω、g基于mie散射理論計(jì)算獲??；h由熱點(diǎn)峰值一半處的半角寬度決定；φ為散射角，由衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)中的太陽(yáng)天頂角θs，觀測(cè)天頂角θv，相對(duì)方位角計(jì)算獲取，如下所示：

26、

27、函數(shù)b表示如下：

28、

29、函數(shù)phg表示如下：

30、

31、函數(shù)h表示如下：

32、

33、另一方面，提供了一種基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)所述的方法，所述系統(tǒng)包括：

34、模型構(gòu)建模塊，用于以水體生物光學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合水體和水底的光輻射傳輸過(guò)程，構(gòu)建淺海水深反演模型；

35、計(jì)算模塊，用于根據(jù)獲取的多角度衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用所述淺海水深反演模型計(jì)算得到淺海水深信息。

36、另一方面，提供了一種電子設(shè)備，所述電子設(shè)備包括：

37、處理器；

38、存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀指令，所述計(jì)算機(jī)可讀指令被所述處理器加載并執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)如上述基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法的步驟。

39、另一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有程序代碼，所述程序代碼可被處理器調(diào)用執(zhí)行如上述基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法的步驟。

40、本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果至少包括：

41、本發(fā)明通過(guò)融合多角度衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)與物理模型，綜合考慮水體吸收、散射和底部反射特性，構(gòu)建了一種高魯棒性、高精度的淺海水深反演方法及系統(tǒng)。該方法具有對(duì)淺水區(qū)域復(fù)雜光學(xué)環(huán)境的適應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、高精度的水深反演，為淺海水深測(cè)量提供了新的技術(shù)手段，具備廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，其特征在于，所述步驟s1中，構(gòu)建的淺海水深反演模型如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，其特征在于，所述光學(xué)淺水的海表層反射信號(hào)kwat，由海表層上表面的遙感反射比r計(jì)算獲得：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，其特征在于，所述光學(xué)深水的遙感反射率r，計(jì)算如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，其特征在于，所述第一水質(zhì)參數(shù)α，由水體總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)bb決定，具體計(jì)算如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，其特征在于，所述上行輻照度和下行輻照度相關(guān)的平均漫散射衰減系數(shù)t1和t2的計(jì)算如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法，其特征在于，所述水底反射率ρ采用hapke模型計(jì)算，公式如下：

8.一種基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

9.一種電子設(shè)備，其特征在于，所述電子設(shè)備包括：

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有程序代碼，所述程序代碼可被處理器調(diào)用執(zhí)行如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于多角度光學(xué)輻射傳輸模型的淺海水深反演方法及系統(tǒng)，涉及遙感空間信息技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括：以水體生物光學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合水體和水底的光輻射傳輸過(guò)程，構(gòu)建淺海水深反演模型；根據(jù)獲取的多角度衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用所述淺海水深反演模型計(jì)算得到淺海水深信息。本發(fā)明通過(guò)融合多角度衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)與物理模型，綜合考慮水體吸收、散射和底部反射特性，構(gòu)建了一種高魯棒性、高精度的淺海水深反演方法及系統(tǒng)。該方法具有對(duì)淺水區(qū)域復(fù)雜光學(xué)環(huán)境的適應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、高精度的水深反演，為淺海水深測(cè)量提供了新的技術(shù)手段，具備廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：崔磊,韋增沛,索永峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：集美大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15