本發(fā)明涉及一種高程測量方法，尤其涉及一種利用遙感含水量測量灘涂高程的方法。
背景技術(shù)：
：我國的灘涂廣泛分布于遼寧、山東、江蘇、浙江、福建、臺灣、廣東、廣西和海南的海濱地帶，總面積高達217.04萬公頃，約等于三個新加坡的國土面積。灘涂有巨大的潛在利用價值，通過圍墾開發(fā)可形成大規(guī)模的土地后備資源，能夠為沿海地區(qū)港口、航道、濱海電廠建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供廣闊的發(fā)展空間。隨著人類活動的加劇，海岸帶的地形、水動力格局、生態(tài)環(huán)境都受到不同程度的影響，因此需要依靠沖淤演變分析、水動力數(shù)值模擬和生態(tài)環(huán)境模擬等科學研究方法，及時了解海岸帶自然生態(tài)環(huán)境變化，但是灘涂高程作為制訂海岸帶資源開發(fā)規(guī)劃、環(huán)境影響評價論證、海域使用論證等科學研究的重要基礎(chǔ)資料卻較難獲得。目前，利用遙感手段獲取海岸帶高程的技術(shù)方法有激光探測和測距技術(shù)(Lidar)和水邊線法。各自的特點如下：(1)Lidar方法測量費用極其昂貴，加之灘涂區(qū)地形地貌變動異?？?，不斷地需要及時更新，顯然Lidar的使用費用，用戶難以承受。而且，由于Lidar發(fā)展歷程段，很難形成歷史數(shù)據(jù)庫，沒有數(shù)據(jù)累積，難以滿足動態(tài)演變分析的需求。(2)水邊線法：Collins和Madge于1981年創(chuàng)造性的提出利用遙感手段監(jiān)測灘涂高程的"水邊線法”。水邊線法問世后十多年間未有任何進展，直至1995年荷蘭學者Koopmans用于獲得歐洲瓦登海域的灘涂高程，之后便引起英國雷丁大學Mason的關(guān)注，Mason的研究使水邊線法逐漸為世人所知。Niedermeier、Heygster、Kim、Ryu等相繼利用不同的遙感數(shù)據(jù)源獲得灘涂高程，Ryu甚至認為水邊線法是唯一可用于監(jiān)測淤泥質(zhì)灘涂高程的遙感方法。我國有關(guān)水邊線法的研究最早始于2003年，韓震、惲才興等基于MSS、TM、ETM、SPOT四類數(shù)據(jù)源，確定了溫州地區(qū)淤泥質(zhì)灘涂岸線的變化，計算了坡度及淤積侵蝕速度。鄭宗生、周云軒等隨后考慮到水邊線非水平的特性，利用Delft3D水動力模型模擬衛(wèi)星過境時刻的潮位并賦值給多景影像提取的水邊線，生成長江口崇明東灘的高程。隨后沈芳，韓震，趙斌等學者又在長江口的不同區(qū)域進行了有益嘗試。2010年后劉永學、李滿春等將水邊線法移植于江蘇灘涂地區(qū)，并嘗試將MODIS高時間分辨率的特點融入TM等具備較高空間分辨率的圖像，解決了水邊線法影像選擇時間跨度過大的弊端。2013年唐遠彬等基于無人機航攝技術(shù)提取水邊線，獲得了浙江灘涂的高程。由此可看出水邊線法在國內(nèi)外研究較多也較為深入，然而該方法仍有其自身的局限性。首先，水邊線法需要連續(xù)的潮位資料為輔助，對于遠離海岸的灘涂，沒有長期潮位觀測站。其次，水邊線法假設(shè)不同時期的灘涂高程不變，以便選取不同時相的水邊線生成高程，但是灘涂高程并非一成不變，甚至部分區(qū)域即使在較短時間內(nèi)會發(fā)生較大變化，這將影響水邊線法的高程獲取精度。所以，水邊線法用于變化較快區(qū)域的灘涂高程測量時，誤差很大。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于遙感影像反演灘涂土壤表層含水量，從而間接獲得灘涂高程的測量方法。退潮后灘涂逐漸出露，地勢高的區(qū)域出露較早且含水量低，地勢低的區(qū)域出露較晚且含水量高，所以出露灘面的含水量與高程呈負相關(guān)關(guān)系，因此只要選取合適的遙感影像，反演獲得灘涂的表層土壤含水量，就可間接測量灘涂高程。為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種利用遙感含水量測量灘涂高程的方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)土壤樣品采集：選取灘涂區(qū)為待測區(qū)域，在待測區(qū)域中選取多個采集點，并在各采集點采集土壤樣品，測量土壤樣品的地表光譜數(shù)據(jù)；(2)含水量測量：同步測量步驟(1)中各土壤樣品的含水量，即土壤樣品中水與土壤的質(zhì)量百分比；(3)根據(jù)光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建含水量反演模型：利用統(tǒng)計回歸分析步驟(1)所得地表光譜數(shù)據(jù)和步驟(2)所得含水量數(shù)據(jù)，構(gòu)建光譜與含水量關(guān)系模型；(4)將步驟(3)所得含水量反演模型應(yīng)用于遙感影像，基于遙感光譜數(shù)據(jù)獲取灘涂表層含水量的空間分布圖；(5)由步驟(4)所得的灘涂表層含水量空間分布圖中提取出步驟(1)采集點處的含水量值，測量各個采集點的高程數(shù)據(jù)，并回歸分析各采集點的高程和含水量值，構(gòu)建含水量與高程關(guān)系模型；(6)根據(jù)步驟(3)中"光譜與含水量”模型和步驟(5)中"含水量與高程”模型，含水量作為共有變量用之于模型耦合，構(gòu)建灘涂高程的反演模型；(7)將待測位置的遙感影像光譜數(shù)據(jù)輸入到步驟(6)的反演模型中，即實現(xiàn)灘涂高程的遙感測量。作為本發(fā)明對上述方案的進一步優(yōu)選，所述步驟(1)中采集點至少選擇30處。作為本發(fā)明對上述方案的進一步優(yōu)選，所述土壤樣品采用地物光譜輻射儀進行光譜測量。作為本發(fā)明對上述方案的進一步優(yōu)選，所述步驟(2)中含水量的測量方法為：將剛進行光譜測量的土壤樣品立即進行105℃烘干直至質(zhì)量無變化，計算烘干蒸發(fā)的水質(zhì)量和烘干土質(zhì)量的百分比，即為土壤樣品的含水量。作為本發(fā)明對上述方案的進一步優(yōu)選，所述回歸分析過程采用SPSS軟件進行。本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明利用遙感含水量作為橋梁，連接光譜和高程之間的關(guān)系，讓原本無法聯(lián)系的事物，有了一個具有物理意義媒介，從而簡化了灘涂高程的測量過程；本發(fā)明使用的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以免費下載，因此僅需要一幅衛(wèi)星影像圖，就能夠利用本發(fā)明所述的遙感含水量方法測量灘涂高程，大大降低了灘涂高程的測量成本；此外，本發(fā)明的測量精度還高于現(xiàn)有技術(shù)中的水邊線法和Lidar技術(shù)。附圖說明圖1為本發(fā)明的技術(shù)路線圖；圖2為本發(fā)明實施例所得灘涂高程的反演模型中驗證剖面的位置分布圖；圖3為圖2中灘涂高程的反演模型各剖面的高程與實測高程的對比圖；圖4為本發(fā)明實施例中灘涂高程的反演模型各剖面的高程與實測高程散點圖。具體實施方式為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。以江蘇省某灘涂為例選取裸露灘涂，本發(fā)明結(jié)合實地調(diào)查、測定、采樣及室內(nèi)樣本分析，由此構(gòu)建灘涂高程的反演模型，實現(xiàn)灘涂的低成本快速獲取。本發(fā)明實現(xiàn)流程如下：(1)構(gòu)建含水量反演模型光譜數(shù)據(jù)：在待測區(qū)域內(nèi)，利用地物光譜儀測量裸露灘涂的地表光譜數(shù)據(jù)，采集點選取30個點以上；含水量數(shù)據(jù)：利用土壤學領(lǐng)域中規(guī)定使用的標準小鋁盒(直徑9cm，高3cm)，與上述光譜測量同步，將采集剛測完光譜的土壤樣本，帶回實驗室后利用烘干法測定每個點的含水量；含水量測定過程為：土壤樣品經(jīng)105℃烘干12小時，確保其恒定質(zhì)量，拿出后放干燥器備用，通過計算土樣損失質(zhì)量(即烘干蒸發(fā)的水分質(zhì)量)與烘干土質(zhì)量的百分比，可得到土壤的質(zhì)量含水量θ；反演模型：利用SPSS軟件統(tǒng)計回歸分析光譜與含水量的關(guān)系，構(gòu)建光譜與含水量關(guān)系模型。LandsatTM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)，TM7波段最適宜反演灘涂土壤含水量，由于TM7波段處的中心波長為2220nm，因此以該波段的光譜反射率R2220為自變量，土壤含水量θ為因變量，構(gòu)建含水量反演模型θ＝-106.27×R2220+39.197。(2)將含水量反演模型用于衛(wèi)星影像，反演灘涂含水量遙感數(shù)據(jù)：可以從www.usgs.gov免費下載，可用的數(shù)據(jù)有LandsatTM、ETM+、OLI三種傳感器獲取的衛(wèi)星影像。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理：遙感數(shù)據(jù)與處理屬于常規(guī)手段，包括利用ENVI遙感處理軟件中的FLAASH模塊大氣校正、Registration模塊幾何校正、Supervisedclassification模塊從衛(wèi)星影像中提取灘涂區(qū)，經(jīng)上述步驟處理后獲得灘涂區(qū)的光譜反射率圖像，選擇中心波長為2220nm的光譜反射率圖像備用以獲得能夠代入反演模型的光譜反射率。含水量反演：利用ENVI遙感處理軟件中的BandMath模塊，將含水量反演模型，應(yīng)用于中心波長為2220nm處的灘涂光譜反射率圖像，得到灘涂圖像中每個像素的含水量值，進而獲得了灘涂區(qū)的含水量空間分布圖。(3)構(gòu)建含水量與高程的回歸模型實測高程數(shù)據(jù)：利用RTK-GPS在灘涂區(qū)內(nèi)測量少量離散的點，通常情況30個測點需均勻分布于待測區(qū)內(nèi)。含水量與高程的回歸分析：上述30個測點位置處的含水量值從含水量空間分布圖中提取出，統(tǒng)計分析位置處的高程值和含水量的關(guān)系，構(gòu)建含水量和高程的關(guān)系模型。以該灘涂為例，高程和含水量的關(guān)系模型為H＝-0.16θ2+0.8766×θ-11.159,其中H為高程，θ為含水量。(4)構(gòu)建高程反演模型，應(yīng)用于灘涂影像反演高程?；谶b感反演的灘涂含水量模型、灘涂土壤含水量與高程的統(tǒng)計模型，以含水量θ為橋梁，可推算出光譜與高程的數(shù)學模型，從而構(gòu)建灘涂高程的反演模型H＝-180.693×(R2220)2+40.139×R2220-1.381。利用ENVI遙感處理軟件中的模塊，輸入高程反演模型，應(yīng)用于中心波長為2220nm處的灘涂光譜反射率圖像，得到灘涂圖像中每個像素的高度值，實現(xiàn)灘涂高程的快速遙測。對上述方法所得的高程反演模型進行驗證，具體過程如下：分別在實測高程圖和反演高程圖中取6條剖面如圖2所示，并得出實測和反演模型中各剖面位置的高程對比圖如圖3所示，從圖中可以看出，反演高程與實測高程基本趨勢一致，模型具有較好的反演效果。表1遙感反演高程精度檢驗平均絕對誤差MAE(cm)平均相對誤差A(yù)RE(％)剖面18.27剖面210.08剖面39.48剖面49.18剖面526.333剖面630.245整體19.224利用平均絕對誤差和平均相對誤差對反演結(jié)果評價，從表1可看出：(1)剖面1至剖面4屬于地形平坦區(qū)?？煽闯龇囱菥瓤刂圃诹溯^高的水準，遙感測得的高程絕對誤差MAE都小于10cm，相對誤差A(yù)RE也較低，僅為8％左右，這表明高程的反演精度高達92％；(2)剖面5、6兩處屬于地形起伏較大區(qū)，反演精度略低，誤差相對平坦區(qū)略大，但也控制在了30cm精度水平。(3)整體精度分析，利用遙感含水量法得到的高程誤差控制在了20公分以內(nèi)，明顯優(yōu)于Lidar測量的精度水準。以上是通過剖面的對比，還有另外一種方法也可以驗證反演精度。即通過繪制反演高程值和實測高程值的散點圖，并計算復(fù)相關(guān)系數(shù)，用之評價反演精度。圖4所示，散點基本分布在對角線附近，而且散點擬合度較高，復(fù)相關(guān)系數(shù)達到0.86。驗證結(jié)果表明，利用遙感含水量法反演的灘涂高程精度較高，能夠滿足動態(tài)分析海岸帶地形的需要。本
技術(shù)領(lǐng)域：
中的普通技術(shù)人員應(yīng)當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。當前第1頁1 2 3