基于HJ-1卫星数据的曹妃甸龙岛面积计算

龙 强，王 锋，孟艳静

（1．唐山市曹妃甸工业区气象局，河北 唐山 063015）

随着卫星遥感技术的飞速发展，遥感已经成为大面积作物统计[1]、地域利用[2]、气象监测[3]等信息提取的有力工具。中等分辨率的MODIS等资料难以满足较小区域精细化分类的要求。HJ-1 CCD数据分辨率为30 m，2 d过境一次，满足了一些领域研究和应用的需求[4-6]。为探求曹妃甸龙岛在潮汐条件下陆地面积的最大、最小值，本文利用HJ-1 CCD数据进行了遥感调查，以期用低成本为其开发、建设提供客观、及时、科学的信息。

1 资料和方法

1.1 龙岛概况

曹妃甸龙岛位于东经 118°41'～118°45'、北纬 39°00'～39°43'之间，距曹妃甸工业区东边界3海里，居唐山湾三岛和曹妃甸之间，地势平坦，沙滩因海浪、潮汐作用时宽时窄，优越的地理位置和自然条件使其具有广阔的开发前景。该岛呈数字“7”状，西南-东北走向，为古滦河入海冲积而成。

1.2 资料选取及其处理

1.2.1 卫星遥感数据的选取

龙岛面积不大，对卫星资料的分辨率有较高的要求。环境一号卫星（简称HJ-1卫星）目前包括A星和B星，轨道高度为650 km，CCD相机每4 d对全球覆盖一次，波谱范围覆盖蓝光（0.43～0.52 μm）、绿光（0.52～0.60 μm）、红光（0.63～0.69 μm）和近红外（0.76～0.90 μm），星下点分辨率为30 m，可满足要求。卫星的观测原理决定了其会受大气影响，特别是多云天气形势，其对地表辐射的阻碍以及自身辐射的干扰都须加考虑，故选取图像质量≥8的图像进行处理。

根据潮汐形成原理，一般在每月的农历初一以及十五、十六的潮汐为大潮，农历初七、初八或二十二、二十三为小潮。实际上，大、小潮时间并无此严格规律，一般会延后一段时间，是海水在流动过程中受到本身粘滞性和海底地形因素的影响造成的。表1列出的潮汐信息出自国家海洋局发布的潮汐表，因其存在一定的误差以及大、小潮时间的不确定，故在此对大、小潮时间各选取4个时刻，通过对比得到较为准确的结果。

表1 HJ-1卫星数据选取表

1.2.2 卫星遥感数据处理

1）图像的合成与裁剪。HJ-1卫星CCD影像共4个波段，用ENVI 4.5软件的合成工具即可得到所需要的彩色图像。曹妃甸龙岛因其面积相对不大，且恰好处于一景内，故无需镶嵌处理。为了分析方便并减少不确定点对结果的影响，需对影像进行裁剪。

2）分类与修正。曹妃甸龙岛处于开发阶段，地形种类较为简单，在监督分类中分为陆地、浅滩、海浪、海水、海雾等5类。监督分类可能存在一定量的偏差，可对照影像图，采用人工剔除修正。

1.2.3 地面观测数据

地面观测数据包括对曹妃甸龙岛的地面测绘数据以及历史资料。

1.3 龙岛面积计算

龙岛面积即投影图像中监测区域内被判识为陆地、浅滩（理论上大潮时不存在）所有单个像素面积的总和，本文图像投影为经纬度投影，先求出单个像元面积∆S，即

式中，Lp为纬度方向的距离；Ll为经度方向的距离。经过分类统计可得到陆地、浅滩的像元总数n，于是龙岛面积S为：

式中，i为像元的序号。

2 结果与分析

2.1 监督分类可分离性检验

以2012-09-30的卫星资料为例进行监督分类，并做可分离性检验。理想情况下，大潮时没有浅滩存在，观察该天的卫星影像图发现浅滩区域较小，且其颜色与海雾十分接近，如图1所示。可分离性检验结果为：海雾 [Yellow]2 872 points and 浅滩 [Cyan]1 338 points- 0.442 771 13（该值小于1即要合并），可将二者合并为一类。此外，图1影像中红色箭头所指的西北-东南方向部分为人工堤坝，在计算时不计其面积，光谱分析可知其与海浪十分相近，故将其归类为海浪，并作适当的人为修正。

2012-09-30卫星影像可分离性检验结果如下（Jeffries-Matusita, Transformed Divergence参数最小值）：①海浪 [Blue]269 points and 陆地 [Red]927 points- 1.973 733 08；②海雾 [Yellow]2 995 points and 陆地 [Red]927 points - 1.998 554 00；③海雾 [Yellow]2 995 points and 海水 [Cyan]616 points - 1.999 929 07 ；④陆地 [Red]927 points and 海水 [Cyan]616 points -1.999 989 06；⑤海浪 [Blue]269 points and 海雾 [Yellow]2 995 points-2.000 000 00；⑥海浪 [Blue]269 points and海水 [Cyan]616 points - 2.000 000 00。

按照标准，Jeffries-Matusita, Transformed Divergence参数大于1.9表示分离性较好，越接近2越理想，可见该分离是比较理想的。

2.2 遥感面积估算

按照表1所列数据计算潮汐条件下的龙岛面积，以期求得龙岛在大潮时的最小面积和小潮时的最大面积。

1）大潮时龙岛面积。按照表1的大潮时卫星数据，进行分类、分析统计，可得龙岛在涨潮时的最小面积。表2是在接近大潮时计算所得到的龙岛面积。由表2可知，龙岛在大潮条件下的陆地面积为2.790 9 km2（几个时相对应面积的最小值）。

表2 大潮时龙岛的陆地面积表

2）小潮时龙岛面积。由表3可知，龙岛在小潮条件下的陆地面积为7.688 7 km2（几个时相对应面积的最大值）。

表3 小潮时龙岛的陆地面积表

2.3 与实际测绘面积的对比

将相关部门提供的地面测绘结果与遥感估算值对比分析表明，地面测绘的大潮龙岛面积比遥感估计值小，统计误差百分率为7.43%；小潮时龙岛的地面测绘面积也比遥感面积小，统计误差百分率为11.64%。可见，卫星遥感对龙岛的监测在大潮条件下精度较高，在小潮时因海雾与露出水面海滩的光谱相近，难以精确分离，造成误差较大。

3 结 语

本文利用多时相HJ-1 CCD数据，以孤立龙岛不同区域光谱特征的差异，经过监督分类，提取了龙岛在大潮、小潮条件下的陆地面积。经验证，大潮条件下遥感监测精度较高，小潮条件下误差较大，总体结果较为理想。

本文所采用方法的不足为：①数据获取难度较大。虽然曹妃甸龙岛地处华北，进入秋冬季，卫星数据受云量影响很小，但因为加入了潮汐时间（大小潮特点）以及卫星定时扫过该区域的时间限制，导致理想的数据难以获取；②监督分类在区分海雾与露出水面浅滩方面优势不明显，这也是直接导致小潮条件下误差较大的原因之一；③HJ-1 CCD数据本身缺陷也带来了一定的误差，其只有4个通道，光谱分辨率较低，也会导致异物同谱[7]。龙岛地域简单，可以通过手动区分、剔除，但如果应用于复杂地区，则会带来比较大的误差。

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