本研究由 Isabel Caballero 与 Richard P. Stumpf 完成，两位作者均来自美国国家海洋与大气管理局（NOAA）下属的国家海岸海洋科学中心（National Centers for Coastal Ocean Science）。该论文发表于 Estuarine, Coastal and Shelf Science 期刊第 226 卷（2019 年），文章编号 106277，于 2019 年 6 月 28 日在线发表。研究属于卫星遥感水深反演（satellite-derived bathymetry, SDB）领域，旨在评估 Sentinel-2A 与 Sentinel-2B 卫星上搭载的多光谱成像仪（multispectral instrument, MSI）在南佛罗里达近岸水域生成水深图的性能。

本研究的学术背景源于近岸水深信息在航海、疏浚规划、环境管理与底栖生境制图中的重要性，同时水深数据对于理解气候变化影响、海岸侵蚀、海平面上升亦至关重要。传统的船载多波束声呐与机载激光雷达测深（airborne lidar bathymetry, ALB）虽然精度高，但受制于浅水作业效率、成本与可达性。卫星水深反演方法具有覆盖范围广、成本低、可重复观测且可进入偏远地区的优势。早期研究多依赖线性变换方法，而 Stumpf 等人在 2003 年提出的比值变换模型（ratio transform model）能够在标定数据极为有限的区域开展常规制图。Sentinel-2 双星任务提供了 5 天重访周期与 10 米空间分辨率，较 Landsat-8 具有更多红边波段，本研究的核心目的是检验该模型结合 ACOLITE 大气校正软件，在具有不同水体透明度条件的三个研究地点中反演近岸水深的表现与重复性。

研究的整体工作流程包括研究区域选择、卫星影像获取与预处理、激光雷达参考数据准备、比值模型构建与垂直标定、水深反演产品验证以及 Sentinel-2A 与 2B 一致性比较。研究选取了南佛罗里达三个地点：西棕榈滩（West Palm Beach）、基韦斯特（Key West）与干龟群岛（Dry Tortugas），三者具有从低到中等浊度的不同水体条件。Sentinel-2 影像下载自 Sentinel 科学数据中心，为 L1C 级大气顶层（top of atmosphere, TOA）产品，然后使用比利时皇家自然科学研究所开发的 ACOLITE 处理器进行大气校正，生成所有可见光与近红外波段的遥感反射率（remote sensing reflectance, Rrs），并重采样至 10 米像元。由于研究区域存在中等浊度，大气校正中使用了近红外与短波红外波段组合的气溶胶校正策略。ACOLITE 输出结果存在斑点噪声，因此对波段进行了 3×3 中值滤波处理。参考数据来自国家大地测量局（National Geodetic Survey, NGS）在 2016 至 2017 年间采集的机载激光雷达测深数据，空间分辨率为 1 米，并被重采样至 10 米以与 MSI 影像匹配。所有激光雷达数据均参照平均低低潮面（mean lower low water, MLLW）并用于验证。

水深反演采用 Stumpf 等人提出的比值变换模型，其核心公式为：SDB = m1 × psdb + m0，其中 psdb 为“伪深度”，定义为 psdb = ln(n × Rrs(λi)) / ln(n × Rrs(λj))，n 固定为 1000 以保证对数项为正。本研究分别测试了以 445 nm（海岸蓝波段）或 490 nm（标准蓝波段）作为分子，以 560 nm（绿波段）或 664 nm（红波段）作为分母的两种模型，分别称为 SDBgreen 与 SDBred。垂直标定使用从 NOAA 海图提取的 5 至 10 个深度控制点，这些控制点独立于用于验证的激光雷达数据。每个场景与每个算法分别进行标定，并得到决定系数（r²）作为质量指标。此外，研究还测试了使用单一通用标定系数应用于多景影像的递归制图能力，并针对 2016 年 12 月影像中的残余气溶胶信号进行了两种表面反射校正测试。

研究的主要结果显示，西棕榈滩区域的四景清晰影像（2016 年 3 月 2 日、11 月 27 日、12 月 7 日及 2017 年 1 月 6 日）中，SDBgreen_445 能够一致地反演至激光雷达调查极限的 18 米深度，其中中位数绝对误差（median absolute error, MedAE）小于 1 米，在 2016 年 11 月 27 日场景中更低于 0.5 米。按照深度区间分析，10 至 18 米深度段的 MedAE 最小（小于 0.3 米），而 0 至 5 米段误差较高（约 1 米），这与 SDBgreen 对深水更敏感的特性一致。使用 445 nm 波段的结果略优于 490 nm 波段，但两者差异不大。SDBred 在 0 至 6 米深度范围内表现良好，MedAE 在 0.36 至 0.51 米之间，可提供浅水高反射区域的可靠估算。在基韦斯特，2017 年 2 月 8 日影像使用 SDBred 反演水深，使用 445 nm 波段的 MedAE 为 0.42 米，490 nm 波段为 0.39 米。该区域水深范围为 0 至 6 米，算法成功捕捉了潮汐通道与陡坡等地貌特征，且在具有海草、珊瑚礁与砂质底质等多种底质类型的水域中保持了深度反演的一致性。在干龟群岛，SDBred 的 MedAE 达到 0.22 米，偏差为 −0.15 米，为三个研究地点中误差最低者，这与其水体清晰度最高相一致。

关于递归检索能力，使用 2017 年 1 月 6 日的标定系数应用于其他三景影像时，0 至 18 米整体 MedAE 仍约为 1 米，较逐景独立标定的约 0.5 米只有适度增加，表明该方法具有稳健性。此外，针对 2016 年 12 月影像的表面反射校正实验表明，校正后标定系数与其他场景更为一致，且误差与逐景标定相当。在 Sentinel-2A 与 2B 的一致性比较中，西棕榈滩的 SDBgreen 在两颗卫星之间 MedAE 为 0.64 米，干龟群岛的 SDBred 为 0.26 米，散点均接近 1:1 线，证明了两颗卫星可作为相互替代的数据源用于水深制图。

研究的结论是，Sentinel-2 双星任务具备在南佛罗里达三个不同地点生成 10 米空间分辨率关键水深信息的能力。ACOLITE 大气校正与比值模型的结合能够在低浊度条件下实现至少 18 米深度的优良底质制图，误差约 0.5 米。SDBred 适用于 5 至 6 米以浅的水域，而 SDBgreen 在深于 3 米的水域表现更佳，二者在 3 至 5 米深度区间存在重叠，可通过切换方法实现全深度覆盖。由于仅需 5 至 10 个海图控制点即可完成标定，该方法特别适用于偏远或缺乏实测水深数据的区域。研究建议，对于无任何水深资料的区域，可进一步研究将已有标定系数推广至新地点的可行性。MSI 的 10 米分辨率能够捕捉潮汐通道、海峡及陡坡等小尺度地形特征，这是相较 Landsat-8 30 米分辨率的重要优势。

本研究的学术价值在于首次系统验证了 Sentinel-2A 与 2B 在南佛罗里达多种水体条件下反演水深的精度与重复性，并证明两颗卫星可作为相互替代的数据源，这对于未来多传感器融合与常规监测至关重要。应用价值方面，该研究为 NOAA 海图更新、航海安全、海岸带管理以及发展中国家和偏远地区的水深制图提供了一种快速、灵活且经济高效的解决方案。研究亮点包括：使用独立于验证数据的海图水深进行标定，体现了方法在数据匮乏地区的应用潜力；系统比较了 445 nm 与 490 nm 蓝波段以及蓝绿与蓝红比值模型的性能，并给出了浅水与深水模型切换的建议；通过表面反射校正实验展示了提高多时相标定一致性的可行途径。此外，研究还指出，由于 SDBred 与 SDBgreen 在 3 至 5 米深度重叠，通过合并两种模型可实现更完整的近岸水深覆盖。整体而言，该研究为利用 Sentinel-2 星座进行业务化卫星水深制图提供了扎实的理论与实证基础。