卫星遥感在海岸环境地质调查中的应用

(1.广州海洋地质调查局广州510760；2.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州510760)

第一作者简介:黄文星(1985—)，硕士，助理工程师，主要从事遥感地质与构造地貌研究，邮箱:jackyhwxing @ 163.com

近几十年来，随着沿海经济的发展，环境问题日益突出，沿海环境地质问题越来越受到重视。卫星遥感以其实时、快速、高效的特点广泛应用于海岸带环境地质调查。这些应用包括海岸带分类、海岸线提取、近岸水深探测、近岸悬浮泥沙、海面温度(SST)、盐度(SSS)、叶绿素浓度反演等环境地质内容。本文简要介绍了这些应用的主要原理、方法和缺点。

关键词卫星遥感；海岸环境地质调查

1前言

海岸带是陆地和海洋相互作用的地带，也是人类生存和发展的重要区域。由于自然环境的变化和人类活动的干扰，沿海地区的环境地质问题日益突出，主要表现为海平面上升、海水入侵、地面沉降、海岸侵蚀、风暴、赤潮等。因此，开展沿海地区环境地质调查意义重大。

卫星遥感是20世纪60年代发展起来的新技术，具有宏观、快速、动态、综合的特点。目前已广泛应用于海岸地质调查——近岸水域地形探测、海岸类型识别、海岸线变迁历史、滩涂演变过程、岛礁分布、航道变迁、海面温度分布、海水盐度分布、海水悬浮物和叶绿素分布、海流和波浪条件等。[1].主要介绍了海岸带分类、海岸线提取、近岸水深探测以及近岸悬浮泥沙、海面温度、盐度和叶绿素浓度反演的原理、方法和存在的问题。

2海岸带类型调查

海岸带类型是海岸带环境地质调查的基本内容之一。不同的海岸带类型具有不同的物质组成、形态特征和空间分布特征，一般可以通过卫星影像中的色调、形状、纹理和阴影以及与相关地物的空间配置关系来识别。

沙质海岸的表层砂体干出地表时，对可见光有强烈的反射，一般呈亮白色。在水体附近，随着含水量的增加，近红外波段的反射强度迅速降低，呈现暗色调；在空间分布上，沙质海岸一般开阔平坦，多分布在沙源丰富、侵蚀相对较弱的河口、海湾附近。淤泥质海岸主要由淤泥和粉砂组成，一般含水量高，近红外波段反射弱，色调较暗，多分布于封闭海湾和滩涂。基岩海岸一般位于岬角，多为陆上山脉向海的延伸，与大海完全隔绝。纹理和色调与岩性、地形和植被有关。

实际调查表明，不同的海岸类型相互交叉。以海南文昌铜鼓岭石公园附近的海湾为例(图1)，在高潮位和中潮位之间，表层为沙土覆盖；中潮位-低潮位，大量基岩礁出露，给海岸带类型的刻画带来很大困难，进一步的精细划分对遥感影像的分辨率和时相(低潮位)提出了更高的要求。

图1海南文昌石公园附近的海湾

图1海南省石头公园附近的一个海湾

3海岸线提取

海岸线调查也是海岸环境地质调查的基本内容。通过对多期海岸线的解释，可以研究海岸线的演变历史，对分析海平面升降、港口淤积、航道淤积等具有重要作用，也可以为区域经济和环境规划提供参考。

一般来说，在遥感影像中，海水和陆地的分界线非常明显，这条线叫做水线(图1)。水线是动态的，随着潮汐的波动与图像的采集时间有关。海岸线是多年涨潮形成的海水与陆地分界线的痕迹线。

基岩海岸和人工海岸海岸线较陡，在测绘精度允许的情况下，可直接以水线作为海岸线。沙质海岸和淤泥质海岸，海岸平坦宽阔，水线与海岸线往往有较大偏差。水线一般不能直接作为海岸线。在这种情况下，海滩泥滩和陆地植被之间的分界线通常被用作海岸线(图1)。在大型河口和三角洲附近，海滩开阔，地貌复杂，因此很难确定它们与陆地植被的界限。有学者[2]提出了用潮汐模型的方法来识别海岸线。基本思路是:首先提取同一区域多期遥感影像的水线；然后，通过潮汐模型或当地实测潮汐数据，计算各阶段的水线高程值，构建研究区海岸带的地形数据。最后根据潮汐模型或潮汐数据计算出最大高潮线的位置，即海岸线。目前，潮汐模型方法面临的主要问题是地形数据缺乏、影像数据少、海岸带精度检验困难。

为了提高遥感图像的解译效率，近年来，一些研究者尝试自动识别海岸线。识别算法主要有阈值法、边缘检测算子法、活动轮廓模型法、面向对象法、马尔可夫场法等[3]。目前，海岸线自动识别技术仍处于探索阶段。

4近海水深测量

传统上，水深测量主要依靠声纳回波测量。而海岸带附近水深较浅，波浪和潮汐较强，很难使用船舶进行声纳水深测量。遥感是一个很好的辅助手段。

目前，卫星遥感调查水深主要有两种方法:微波遥感和光学遥感。

微波对海水的穿透能力非常有限，只能达到厘米级，无法直接探测海底地形。但是洋流和水下地形的相互作用会引起海面波动(波浪)，而微波遥感对波形的测量有很好的效果，即微波遥感可以通过测量波形来反演海底地形。这种方法在实际应用中明显受洋流和海风方向和速度的影响[4]，探测深度有限[5]。

可见光对水体有一定的穿透力(10 ~ 30m)。如果水体足够清澈，太阳辐射可以到达浅水区的底部并反射回传感器。传感器接收的亮度信息包括水深信息。目前利用光学遥感进行水深反演的方法主要有三种[6，7]:一种是纯理论模型，主要是根据遥感水深的原理和水体的光谱特征进行理论计算。这种方法的主要问题是水体光学参数获取困难，计算过程复杂，目前难以推广使用；二是数学统计模型，对实测水深数据和遥感图像灰度值进行统计分析，拟合方程曲线，然后外推计算水深值。这种方法简单易行，但不能保证图像灰度值与水深的相关性，计算结果往往不理想；三是半经验半理论模型，主要通过简化理论模型，结合统计数据进行模拟。这种方法综合了前两种方法的优点，目前使用较多。

目前，光学遥感在水深调查中的应用在清水水体中取得了一定的进展，但对于沿海浑浊水体仍处于探索阶段。关键技术问题在于如何减少悬浮物和沉积物(泥沙)颜色对水深反演模型的影响[6]。

5近岸水环境调查

近年来，随着沿海社会经济的发展，沿海地区的环境问题越来越突出，沿海地区地质调查相应增加了近岸水环境调查的内容[1]，如近海悬浮泥沙调查、海面温度(SST)、盐度(SSS)、叶绿素浓度等。卫星遥感在这些项目的调查中也发挥了重要作用。

5.1沿海海水悬浮泥沙遥感

水中悬浮泥沙含量的时空分布是分析河口海岸冲淤变化、估算河流入海物质通量和研究海洋沉积速率的重要参数。因此，研究海水中的悬浮泥沙具有重要的意义。

目前卫星遥感定量反演悬浮泥沙最常用的经验模型是建立野外实测数据与遥感反射率或归一化水体发射率之间的关系。常见的关系有:线性关系、对数关系、戈登关系、负指数关系等等。主要依据是悬沙水体的光谱反射曲线具有以下特点:一般情况下，悬沙水体的反射率随着悬沙浓度的增加而增加；悬浮泥沙的光谱曲线在黄光波段和近红外波段有两个反射峰[8]。当悬沙浓度较低时，第一个峰值高于第二个峰值，随着悬沙浓度的增加，第二个峰值增大，最终略高于第一个峰值[9]。

然而，悬浮泥沙的反射不仅与悬浮泥沙的浓度有关，还与悬浮泥沙的粒径、种类和形状有关。因此，上述关系模型在推广应用上往往有很大的局限性。为了研究更具可操作性和普适性的水体悬浮泥沙遥感算法，需要更多的校正、检验和分析模型的开发。

5.2沿海海水表面温度的反演

目前，AVHRR和MODIS是全球海表温度(SST)调查中常用的数据源，但这两种数据的空间分辨率都是千米级，不能满足大范围沿海SST调查的要求。TM和ETM+的热红外波段具有较高的空间分辨率(分别为120m和90m)，已广泛应用于近海海域的海表温度调查，取得了良好的效果[10-13]。

利用Landsat反演海水表面温度的主要困难是大气校正，因为TM和ETM+数据只有一个热红外波段，无法通过不同波段大气吸收和发射率的差异来构建大气校正方程，往往缺乏同步实测的大气等值线数据和辐射传输模型。

5.3海岸叶绿素浓度的反演

叶绿素浓度可以用来估算浮游植物的生物量和生产力，也是反映水体富营养化程度的重要参数[14]。在外海，蓝绿比法取得了较好的效果，应用也比较成熟，但这种方法不适用于浑浊的近岸二类水体。目前，二类水体叶绿素浓度的调查多采用荧光法。荧光法的原理是[15]:在波长为400 ~ 700 nm的太阳光激发下，浮游植物可产生683nm波段附近的红色辐射，辐射强度与叶绿素浓度有很强的相关性，大气辐射和海水中的黄色物质、悬浮泥沙对辐射峰值影响不大。通过测量680nm和660nm之间的辐射，可以反演得到叶绿素浓度。

目前荧光方法[15]主要存在三个问题:一是叶绿素荧光过程复杂多变，需要在生物学和生态学上进一步研究；二是叶绿素发出的荧光只占叶绿素吸收能量的5%，叶绿素浓度低时传感器很难探测到；第三，随着叶绿素浓度的增加，叶绿素的荧光峰会“红移”，传感器的通道是固定的，这会影响荧光峰辐射计算的准确性。

5.4沿海海水表层盐度的反演

监测海岸盐度的变化是我们了解河口海岸生态环境和物理过程的重要手段[16]。传统上，海水盐度主要通过取水样或使用CTD进行测量，但这种方法野外工作量大，无法同时获得大面积的海水表层盐度数据。

目前，微波遥感主要用于反演海水表层盐度。原理是海水盐度的变化会改变海水的介电常数，进而改变微波辐射特性。通过用微波辐射计测量海面的微波发射率，可以从辐射计的亮温反演海水的表面盐度。目前常用的反演海面盐度的电磁波是以1.413GHz为中心的一个宽度为20MHz的波段。这个波段的主要优势是属于受国际条约保护的、用于射电天文研究的波段，没有人为信号干扰，除暴雨外几乎全天都可以观测[17]。问题是卫星携带的传感器空间分辨率极低，无法满足近岸观测的要求。

6结论和讨论

遥感海岸带环境地质调查具有效率高、成本低的特点，目前已得到广泛应用。在一些领域，如海岸类型调查和海岸线调查，它是成熟的。难点在于近岸水体，如水深测量、悬浮泥沙测量、温度、盐度、叶绿素浓度反演等，目前还处于探索阶段。最重要的技术瓶颈是传感器。遥感海岸带环境地质调查对传感器提出了苛刻的“三高”要求(高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率)。首先，海岸环境地质调查以海岸线外20公里的海域和海岸线内5公里的陆域为核心调查区域。因此，高空间分辨率尤为重要。传统的水色卫星分辨率多为千米级，难以满足1: 10000和更大尺度海岸调查的测绘精度要求。其次，海岸带环境地质调查内容复杂多样，包括陆地和水体，水体涉及表层温盐、悬浮泥沙和水下地形地貌。为了满足这些要求，需要有足够高的光谱分辨率，以有效去除干扰信息，获得准确的光谱传导模型。最后，海岸带是岩石圈、生物圈、水圈和大气圈强烈相互作用的区域，同时也是人类的集中居住区，受到人类的强烈改造，环境变化迅速。没有高的时间分辨率，传感器无法准确掌握沿海地区环境地质变化的规律。就目前的技术而言，利用低轨道高分辨率(空间分辨率和光谱分辨率)传感器构建小卫星星座是最有效的解决方案。

参考

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卫星遥感在海岸带地质环境中的应用

黄文兴1，2万荣申1，2

(1.广州海洋地质调查局，广州，510760；2.海洋矿产资源国家重点实验室，广州，510760)

摘要:近几十年来，随着我国沿海经济的发展，沿海环境地质问题日益受到关注。卫星遥感具有快速、实时、高效的特点，这使得它在沿海地区得到了广泛的应用。环境调查。这些应用包括海岸带类型分类、海岸线提取、水？海岸带深度测量、悬浮泥沙探测、海面温度(SST)、海面盐度(SSS)、叶绿素浓度探测等环境地质。本文介绍了这些方法的原理和缺点。关键词:卫星遥感；沿海地区；Geo？环境调查