基于遙感影像的福建圍填海初步研究

（1．國家海洋局東海信息中心，上海 200137；2.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092）

肖康 1，2，許惠平 2，葉娜 1

福建省是中國第三大海洋資源大省，海岸線蜿蜒漫長，總長3 324 km，約占全國的1/6，居全國第二，曲折率全國第一，全省基巖海岸占總數(shù)的一半左右（孫美仙等，2004）。近年來，隨著港口、修造船、電力、石化、機(jī)械等臨海工業(yè)的大規(guī)模建設(shè)，福建人多地少的矛盾日益突出，而原有的陸地資源和港灣面積及設(shè)施無法滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，圍填海就成為沿海省市的一個重要的土地利用來源。福建省的填海造地在給福建帶來巨大經(jīng)濟(jì)、社會效益的同時，造成了海岸線、海水動力系統(tǒng)發(fā)生急劇變化（林景亮，1990）。因此，對福建圍填海狀況進(jìn)行研究，探究圍填?；顒訉Ｑ蟓h(huán)境的影響有著重要意義。

海洋遙感技術(shù)具有實時性、大尺度、連續(xù)監(jiān)測等常規(guī)方法無法比擬的優(yōu)勢，對于海岸線的動態(tài)監(jiān)測以及反演海洋環(huán)境參數(shù)而言是一種有效的手段。孫美仙等利用遙感技術(shù)進(jìn)行海岸線信息提取的方法，提供了完整的遙感調(diào)查技術(shù)路線，確定了海岸線的遙感解譯標(biāo)志和解譯原則，完成了福建省海岸線信息解譯工作（孫美仙等，2004）；張春桂等以福建近岸海域為示范區(qū)，以MODIS遙感資料為數(shù)據(jù)源，利用多通道數(shù)據(jù)算法模型進(jìn)行近海海表溫度（SST）衛(wèi)星遙感反演試驗（張春桂等，2008a）；張春桂等在分析MODIS數(shù)據(jù)對海洋水體反射光譜特征的基礎(chǔ)上，選用合適的探測波段構(gòu)成懸浮泥沙遙感參數(shù)，并根據(jù)2003-2004年福建近岸海域海洋監(jiān)控區(qū)內(nèi)9個站點(diǎn)的海洋水色數(shù)據(jù)建立懸浮泥沙濃度（SSC）遙感定量反演模式（張春桂等，2008b）；姚月等利用TM遙感影像研究福建圍填海狀況及大陸岸線的變換，并通過MODIS影像反演福建海域海水表層溫度及葉綠素濃度等海洋參數(shù)來了解圍填海對海洋環(huán)境的影響（姚月等，2012）。

針對上述研究中存在的遙感數(shù)據(jù)跨越時間短、數(shù)量少以及SST反演模型不精確的問題，本文的研究目的是通過長時間序列、多時相的Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)計算福建省海岸線長度變化，以及根據(jù)實測資料建立SST模型、利用長時間序列的MODIS數(shù)據(jù)反演海洋環(huán)境參數(shù)SST，SSC來了解福建圍填海情況對大陸岸線和海洋環(huán)境的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

針對提取福建大陸岸線，本文采用的數(shù)據(jù)是3個時相（1994/2002/2009年）的Landsat TM/ETM+遙感影像，由于福建省海岸線較長，對同一個時相，很難找到能夠完整地拼接成含有福建省整條海岸線的遙感影像，基于海岸線短時間內(nèi)變化不大的事實，本文采用多幅鄰近時間的遙感影像鑲嵌拼接成一幅含有整條海岸線的影像。針對福清灣和興化灣兩個圍填海開發(fā)較大的區(qū)域，本文采用2000-2009年的10幅Landsat TM/ETM+影像進(jìn)行逐年監(jiān)測。所有Landsat TM/ETM+遙感影像均根據(jù)福建海域相對應(yīng)的衛(wèi)星遙感軌道的軌道號和行編號從中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心的對地觀測數(shù)據(jù)共享計劃平臺上下載。

針對反演福建近岸SST，本文利用2009年的MODIS數(shù)據(jù)建立福建近岸區(qū)域反演模型，該MODIS數(shù)據(jù)集在時間序列上均勻地分布在不同月份（1-12月），共計37幅。同時，選取了另外11幅圖像驗證SST區(qū)域反演模型精度。由于建立SST區(qū)域反演模型和驗證SST反演精度的需要，本文根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)集相對應(yīng)的時間，從國家海洋局東海預(yù)報中心獲取了福建沿岸13個海洋臺站（沙埕、崇武、龍海、秦嶼、晉江、長門、平潭、三沙、廈門、翔安、東沃、北茭、東山）每小時的海水表層溫度實測數(shù)據(jù)，這13個海洋臺站的地理位置分布如圖1所示。

圖1 福建近岸13個海洋臺站地理位置分布

針對利用長時間序列MODIS影像反演福建近岸SST、SSC從而探討圍填海對海洋環(huán)境的影響，本文采用2000-2009年間每年3月和11月各一幅無云或少云影像。

此外，為了進(jìn)一步討論圍填海對福建近岸SST的影響，本文從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)平臺的中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集中，對應(yīng)反演SST的MODIS影像的時間，下載了相同日期的福建省4個基本、基準(zhǔn)地面氣象站及自動站（南平、福州、永安、廈門）的日平均氣溫數(shù)據(jù)。

1.2 方法

針對提取福建大陸岸線，本文綜合自動解譯和目視解譯，選取Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)作為信息源，在對影像進(jìn)行一系列預(yù)處理的基礎(chǔ)上，在IDL&ENVI平臺下，利用Canny邊緣檢測算子對單波段遙感影像進(jìn)行邊緣檢測，提取出海岸線。對其進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)矢量化處理后，在ArcGIS平臺下結(jié)合矢量邊界數(shù)據(jù)和多波段真彩色合成影像進(jìn)行修正，最終完成海岸線的信息解譯并計算出長度。針對反演福建近岸SST，本文利用2009年1-12月份無云或少云的MODIS影像和福建沿海海洋站實測海溫數(shù)據(jù)，通過多元線性回歸，建立了福建近岸的SST區(qū)域反演模型，并結(jié)合實測資料和SeaDAS模型對區(qū)域反演模型的精度進(jìn)行了驗證。利用時間跨度為10年的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行SST反演，選取3個開展圍填海的海灣，結(jié)合福建省4個氣象站的陸地氣溫數(shù)據(jù)，探討圍填海對福建近岸SST的影響。

針對反演福建近岸SSC，本文采用前人通過實測資料建立的福建近岸SSC反演模型，利用與反演SST相同的MODIS影像進(jìn)行福建近岸SSC反演，探討圍填海對福建近岸SSC的影響。

本文的研究路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

2 福建海岸線提取

基于福建全省海岸線蜿蜒漫長、基巖海岸占總數(shù)的一半左右的實際情況，受Landsat TM/ETM+遙感影像的時間分辨率和空間分辨率及實地勘察資料所限，本文只是從整體上研究福建省海岸線長時間范圍內(nèi)的動態(tài)變化，提取的海岸線只是水邊線，沒有考慮不同潮位、不同地貌類型對海岸線提取所產(chǎn)生的影響。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

下載的Landsat TM/ETM+影像產(chǎn)品已經(jīng)做了輻射校正、幾何精校正和正射校正，所以本次研究對Landsat TM/ETM+影像的預(yù)處理可以省略上述3個步驟，只需將所有時相的Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的投影坐標(biāo)系（UTM投影，WGS-84坐標(biāo)系）即可。在此基礎(chǔ)上，由于福建海域空間范圍大，單幅Landsat TM/ETM+影像所覆蓋的區(qū)域有限，需要將同一時相的不同軌道號、行編號的Landsat TM/ETM+遙感影像進(jìn)行鑲嵌拼接，再根據(jù)福建省所跨經(jīng)緯度（23°30′-28°22′N，115°50′-120°40′E）信息，利用 ENVI軟件中的 Resize模塊分別對3個時相的Landsat TM/ETM+影像進(jìn)行裁剪處理，從而獲得本次研究所需要區(qū)域的遙感影像。

2.2 Canny邊緣檢測算子

海岸線提取的實質(zhì)是遙感影像邊緣的提取。圖像的邊緣對應(yīng)著圖像灰度值的不連續(xù)性，邊緣檢測算法就是通過檢查每個像素與其直接鄰域的狀態(tài)，根據(jù)邊界上像素點(diǎn)鄰域的像元灰度值變化比較大的原理來判定該像素是否處于邊界上（嚴(yán)海兵等，2009）。

本文在IDL平臺下進(jìn)行編程實現(xiàn)了常用的邊緣檢測算子 Soble，Prewitt，Roberts，Marr和Canny算子，并將實現(xiàn)的算法對截取的部分福建海域的影像進(jìn)行海岸線提取，比較其水陸分界線的效果，可以明顯看出Canny邊緣檢測算子提取的圖像邊緣最清晰，連續(xù)性好，基本沒有斷點(diǎn)出現(xiàn)。Canny邊緣檢測算子是高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，是對信噪比與定位精度之乘積的最優(yōu)化逼近算子。其處理過程可以分為圖像平滑、計算梯度的幅度和方向、對梯度幅度進(jìn)行非極大值抑制、邊緣檢測和斷線連接4步（王忠蕾等，2009）。

2.3 影像分塊技術(shù)

本次研究中3個不同時相的Landsat TM/ETM+影像分別由相鄰時間的6幅影像鑲嵌拼接而成，拼接所需時間長，鑲嵌后的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量大，往往不便于處理。以2009年的TM影像為例，鑲嵌裁剪后的影像為16 820×17 436（Byte），采用一般的程序處理這種影像往往超出內(nèi)存，導(dǎo)致程序無法運(yùn)行。本次研究采用了IDL結(jié)合ENVI的影像分塊技術(shù)來對整幅影像進(jìn)行Canny邊緣提取。

ENVI分塊處理將輸入的數(shù)據(jù)分成同樣大小的單元，以空間方式劃分，以保證所有大小的影像都能被處理，一個空間分塊的大小為nlinessample。本次研究中，分別對3個時相的鑲嵌裁剪后的大質(zhì)量的Landsat TM/ETM+影像進(jìn)行分塊處理，然后利用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測，最后將處理結(jié)果存入文件，得到Canny算子邊緣檢測結(jié)果。

2.4 海岸線提取結(jié)果及分析

經(jīng)過自動檢測和目視解譯，最終得到福建海域海岸線遙感矢量疊加圖（圖3）。根據(jù)20世紀(jì)80年代初至中期為期6年的福建省海岸帶和灘涂資源綜合調(diào)查結(jié)果，福建省海岸線長度為3 351 km（林景亮，1990）；福建省可查證的海岸線長度數(shù)據(jù)有一個習(xí)慣沿用的是1990年的3 324 km（符衛(wèi)國，2002）；現(xiàn)用Landsat TM/ETM+圖像提取海岸線測得1994年福建大陸海岸線長3 304.7 km，2002年福建大陸海岸線長3 218.2 km，2009年福建大陸海岸線長3 167.4 km，本文利用Landsat TM/ETM+影像提取的福建海岸線長度與前人較為相符，提取精度滿足要求。從計算結(jié)果可以看出，福建全省大陸岸線總體變化趨勢為變短。

圖3 福建海岸線遙感測繪矢量圖（a.第4波段；b.真彩色）

根據(jù)熊鵬、馬志遠(yuǎn)所提及的福建福清灣、興化灣兩個海灣的圍填海情況，本文利用2000-2009年的10幅Landsat TM/ETM+影像分別對福建省圍填海開發(fā)程度較大的兩個海灣進(jìn)行海岸線提?。?008年海岸線的提取結(jié)果如圖4所示），在ArcGIS平臺下計算長度并進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖4 2008年福建局部海灣遙感測繪矢量圖（a.福清灣；b.興化灣）

圖5 2000-2009年福建福清灣和興化灣海岸線長度統(tǒng)計

福清灣自1950年以來，共進(jìn)行了15處圍填海工程，圍填?？偯嬖囘_(dá)98.32 km2。大面積的圍填海工程造成了水動力條件顯著惡化的后果，削弱了海水的自凈能力，造成海灣淤積加重、污染物的快速累積和赤潮的頻繁發(fā)生（熊鵬等，2007）。興化灣圍填海開發(fā)程度較大，幾乎整個海岸線都分布著不同規(guī)模的圍填海工程，其中從50年代開始圍填海的總面積達(dá)122.08 km2，約占整個海灣的19.62%，萬畝以上的圍填海占總數(shù)的65.84%（俞煒煒等，2008；馬志遠(yuǎn)等，2009）。

從圖5可以看出，福清灣和興化灣的海岸線長度在10年間均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，而興化灣的海岸線變化幅度相對于福清灣較小，這與興化灣屬淤積性構(gòu)造基巖海灣有一定的關(guān)系。

可見，由于圍墾開發(fā)利用，直接改變了海岸線的長度和形態(tài)，使一部分海灣岸線又自然演化形態(tài)變化為人工修筑堤壩形態(tài)，同時為了節(jié)約圍填海成本，對自然岸線的截彎取直、人工改造，都造成了福建省海岸線變短的趨勢。

3 福建近岸SST反演

3.1 SeaDAS反演模型

SeaDAS是美國NASA提供的海洋遙感專門處理軟件，具有利用IDL語言進(jìn)行用戶模塊開發(fā)的功能，可對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成MODIS的NASA標(biāo)準(zhǔn)海洋產(chǎn)品（鄭嘉淦等，2006）。SeaDAS所使用的分裂窗Pathfinder算法，形式如下：

式中：Ti是波段i的亮溫，θ是衛(wèi)星的天頂角，c1，c2，c3，c4是回歸系數(shù)（Minnett et al，2004），見表1。

表1 SeaDAS SST反演回歸系數(shù)

3.2 區(qū)域反演模型

SeaDAS模型針對的是全球大范圍區(qū)域的SST反演，模型建立所依據(jù)的實測資料范圍廣，但難以精確到局部地區(qū)，并且針對的大多是一類水體區(qū)域。針對這種情況，本次研究采用了福建近岸13個海洋站的2009年1-12月的實測海溫資料，對模型參數(shù)重新進(jìn)行回歸統(tǒng)計，試圖通過建立福建近岸的SST區(qū)域模型來提高福建海域的SST反演精度。

MOIDS數(shù)據(jù)的多波段特性為充分使用遙感觀測數(shù)據(jù)提供了便利，對模型參數(shù)重新進(jìn)行回歸統(tǒng)計時，應(yīng)同時考慮大氣透過率和衛(wèi)星傳感器的瞬時天頂角，通過大氣通過率和衛(wèi)星傳感器的瞬時天頂角來分別實現(xiàn)對大氣影響和對熱紅外輻射傳輸路徑的訂正（張春桂等，2009）。大氣透過率定義為衛(wèi)星傳感器接收到的光譜輻射率與地表真實光譜輻射率的比值，可以通過計算MODIS數(shù)據(jù)中水汽吸收波段與非吸收波段的差異得到。由于MODIS數(shù)據(jù)的第19和第2波段分別對應(yīng)著水汽強(qiáng)吸收波段和水汽窗口波段，所以可以通過這兩個波段的反射率的比值來獲取大氣透過率：

結(jié)合Kaufman提出的計算大氣中水汽含量的經(jīng)驗公式（Kaufman et al，1992），

采用毛克彪等提出的經(jīng)驗公式可以分別估算出MODIS第31、32這兩個熱紅外波段的大氣透過率（毛克彪等，2005），

由于光譜輻射率與亮度溫度稱正比關(guān)系，所以可以采用τ31T31和τ32T32分別來實現(xiàn)對MODIS第31、32波段的大氣透過率訂正。

根據(jù)張春桂等利用SST數(shù)據(jù)樣本與相應(yīng)MODIS遙感參數(shù)的相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計分析（張春桂等，2009），本次研究選擇 T31、T31-T32、τ31T31-τ32T32和（secθ-1）×（T31-T32）共4個遙感參數(shù)與2009年1-12月共309個實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸統(tǒng)計。統(tǒng)計過程中，應(yīng)注意兩點(diǎn)：

（1）從去云的MODIS影像上根據(jù)海洋站經(jīng)緯度坐標(biāo)選取相應(yīng)的匹配點(diǎn)，分別計算T31、T31-T32、τ31、τ31T31-τ32T32和（secθ-1）×（T31-T32）4個遙感參數(shù)的值。由于單個像素點(diǎn)的數(shù)值不具有代表性和實際意義，所以匹配點(diǎn)取其周圍33窗口內(nèi)像素點(diǎn)的平均值作為該匹配點(diǎn)的值；

（2）由于采用的實測海溫資料基本上是每小時數(shù)據(jù)，所以根據(jù)Terra和Auqa的過境時間，選取最靠近該過境時刻的整時數(shù)據(jù)；如遇到極個別海洋站出現(xiàn)的每6 h一次的實測數(shù)據(jù)，由于Terra和Auqa的過境時間分別為10-11時和13-14時，所以一般選取當(dāng)天14時的數(shù)據(jù)；如遇到海洋站當(dāng)天無實測數(shù)據(jù)，考慮到SST是一個緩慢變化量，因此取時間跨度不超過24 h的實測數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上兩條匹配點(diǎn)選取原則，最終得到的區(qū)域統(tǒng)計模型為：

式中：T31和T32分別為MODIS第31、32波段的亮度溫度，τ31和τ32分別為MODIS第31、32波段的大氣透過率，θ是衛(wèi)星傳感器的瞬時天頂角。

回歸方程（6）的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.946，R2為0.896，樣本方差統(tǒng)計量Fc=650.021，兩個自由度為f1=3，f2=303，給定信度α=0.05，根據(jù)F-分布可以查得回歸方程的方差Fα小于2.409 3，由于樣本方差統(tǒng)計量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方差閾值Fα，證明統(tǒng)計模型（6）具有實際意義。

3.3 福建近岸SST反演具體流程

本次研究中使用MODIS遙感影像對福建近岸的SST進(jìn)行反演，共包括HDF數(shù)據(jù)的讀取、輻射和反射定標(biāo)處理、太陽天頂角訂正、計算亮度溫度、根據(jù)不同模型反演SST、去云處理、寫入HDF文件、幾何校正和去蝴蝶結(jié)效應(yīng)、陸地掩膜處理、反演結(jié)果出圖等步驟，這些處理均是在IDL&ENVI平臺下完成，處理流程如圖6所示。

圖6 福建海域SST反演詳細(xì)技術(shù)路線

3.4 區(qū)域SST反演模型精度驗證

反演精度是衡量反演模式性能的重要指標(biāo)，直接影響到反演產(chǎn)品的應(yīng)用質(zhì)量，因此精度驗證與分析是遙感定量監(jiān)測中重要的一步。本次研究針對建立的回歸反演模型（6），利用實測數(shù)據(jù)和MODIS影像數(shù)據(jù)集，按照上文中提到的匹配點(diǎn)選取原則，選取了78個點(diǎn)（時間覆蓋2009年1，3-12月份，由于2月份找不到合適的無云或少云的MODIS遙感數(shù)據(jù)，所以沒有選取2月份的驗證點(diǎn)）進(jìn)行反演模型精度驗證，并且與SeaDAS模型反演結(jié)果進(jìn)行比較。

通過回歸統(tǒng)計，區(qū)域反演模型與實測數(shù)據(jù)的線性回歸以及SeaDAS反演模型與實測數(shù)據(jù)的線性回歸結(jié)果如圖7所示。通過對比可以明顯看出，區(qū)域反演模型與實測數(shù)據(jù)的線性回歸的確定系數(shù)R2=0.908，SeaDAS反演模型與實測數(shù)據(jù)的線性回歸的確定系數(shù)R2=0.6442，本次研究建立的區(qū)域模型的反演精度要明顯優(yōu)于SeaDAS模型。

圖7 反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)線性回歸（a.區(qū)域反演模型；b.SeaDAS模型）

3.5 福建圍填?；顒訉ST的影響

根據(jù)2.4中提到的福清灣、興化灣兩個海灣的圍填海情況，對相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行SST反演，選取SST反演結(jié)果中對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)周圍3×3個像素的平均值作為該點(diǎn)的值，時間跨度為2000-2009年，具體日期為每年的3月和11月。

對應(yīng)于福清灣、興化灣兩個圍填海區(qū)域，對SST反演結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示（個別日期缺少SST值是由去云處理造成的）。從圖中可以看出，2000-2009年期間，福清灣圍填海區(qū)域的SST波動變化較大，其中在2003年11月和2006年11月分別出現(xiàn)極大值，在2005年3月和2007年3月分別出現(xiàn)極小值，同樣的情況出現(xiàn)在興化灣圍填海區(qū)域中。

圖8 圍填海區(qū)域2000-2009年3月、11月SST反演統(tǒng)計

圖 9是福建省 4個氣象站南平（26°39′N，118°10′E）、福州（26°05′N，119°17′E）、永安（25°58′N，117°21′E）、廈門（24°29′N，118°4′E）2000-2009年3月和11月對應(yīng)日期的日平均氣溫統(tǒng)計。從圖中可以看出，在2005年3月出現(xiàn)氣溫極小值，這個結(jié)果與圖8中的3月份海溫極小值對應(yīng)；在2007年3月出現(xiàn)極大值，與圖8中的3月份的海溫極大值有些出入；在2008年11月出現(xiàn)極小值，與圖8中的11月份的海溫極小值稍有出入；在2006年11月出現(xiàn)極大值，與圖8中的11月份的海溫極大值較為吻合。可見，兩個海灣內(nèi)的水溫受到太陽輻射以及全球氣候變化所帶來的普遍溫度升高的影響。

圖9 福建省4個氣象站氣溫統(tǒng)計

但是海溫與氣溫的變化趨勢并不完全一致，是由于兩個海灣內(nèi)的水溫海流、陸地徑流的影響，特別是圍填海等人類活動的加劇，會產(chǎn)生更多的溫室氣體，城市熱島效應(yīng)也隨之?dāng)U大，使得沿海區(qū)域陸地溫度有所升高，通過空氣對流也將一部分熱量通過傳導(dǎo)等方式帶入海域，會在一定程度上促使福建海域的SST升高。

在非圍填海區(qū)域選取任一點(diǎn)，對SST反演結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。與福清灣、興化灣兩個圍填海區(qū)域的SST變化相似，其中在2003年11月和2006年11月分別出現(xiàn)極大值，在2005年3月出現(xiàn)極小值。但是，非圍填海區(qū)域的SST年際間的變化幅度要明顯小于圍填海區(qū)域，這表明，圍填海活動在一定程度上引起SST發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致海洋環(huán)境的紊亂。

圖10 非圍填海區(qū)域2000-2009年3月、11月SST反演統(tǒng)計

4 福建近岸SSC反演

4.1 經(jīng)過適當(dāng)大氣校正后的離水輻射率公式

大氣輻射傳輸過程中，由于大氣的存在，從而對傳感器獲取的遙感信息產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響，造成來自水體的輻射量較為微弱，同時為了對不同時相遙感影像進(jìn)行比較分析，對遙感影像進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇髿庑Ｕ鞘直匾?，也是進(jìn)行海洋水色遙感應(yīng)用的前提?，F(xiàn)階段的各種大氣校正算法較為復(fù)雜，需要較多的大氣實測參數(shù)，如SeaDAS軟件所采用的大氣校正算法、6S大氣校正算法以及MODTRAN大氣校正算法，但是這些大氣參數(shù)往往難以獲取。

海洋水色遙感是根據(jù)水色的光譜特征和信號的大小，從而探測水體中所含物質(zhì)的類型和含量。在衛(wèi)星傳感器所接收到的信號中，包括水色要素反演所需要的有用信息（水色信號）和大氣散射產(chǎn)生的噪聲。其中，水色信號又包含純水、水中有機(jī)物、無機(jī)懸浮顆粒物和溶解物質(zhì)的吸收和散射。水體到達(dá)衛(wèi)星傳感器的輻射量由（7）式表示：

式中：Lt（λ）為傳感器接收到的輻射總量；Lr（λ）為大氣的瑞利散射；La（λ）為大氣的氣溶膠散射；Lr（λ）為太陽耀斑；T（λ，θ）和 t（λ，θ）分別表示大氣直接透射率和大氣漫射透射率；Lw（λ）表示離水輻射率；θ是衛(wèi)星天頂角；△L為水面對太陽光的鏡面直射引起的太陽耀光，由于海洋水色傳感器具有側(cè)視掃描裝置，只要觀測時太陽天頂角不是特別小，就不會接收到太陽耀光，所以一般情況下可以忽略不計（劉志國，2007）。

對遙感影像的大氣校正通常采用基于大氣輻射傳輸方程的算法，根據(jù)張春桂提出的算法（張春桂，2008b），（7）式可以近似地由下式來表示：

式中，Lr_a（λ）表示大氣瑞利散射和氣溶膠散射，Rw（λ）為水體的遙感反射率。

由于水體對近紅外波段有強(qiáng)烈的吸收作用，衛(wèi)星傳感器接收到的近紅外輻射基本上是由空氣產(chǎn)生的，所以可以得到下式：

式中，Rt（λNIR）為近紅外波段的遙感反射率，C為常數(shù)，不同的氣溶膠類型對應(yīng)著不同的C值。當(dāng)C的值取1時，能夠消除大部分的大氣瑞利散射和氣溶膠散射（Stumpf et al，1989），所以由（8）和（9）式得到下式：

根據(jù)NASA提供的關(guān)于海洋水色遙感的相關(guān)技術(shù)文檔，水體的歸一化離水輻射率與遙感反射率之間存在如下關(guān)系：

式中，Lw（λ）為水體的歸一化離水輻射率，F(xiàn)0（λ）是衛(wèi)星傳感器標(biāo)稱頻寬對應(yīng)的太陽照度，相應(yīng)波段的F0（λ）可以在NASA提供的技術(shù)文檔中查到，其中第2、4、9波段的F0（λ）見表2。

表2 MODIS第2、4、9波段對應(yīng)的太陽照度

由（10）和（11）式可以得到經(jīng)過適當(dāng)大氣校正的水體歸一化離水輻射率（12），其中對于MODIS數(shù)據(jù)Rt（λNIR）可采用波長范圍為0.841～0.876 μm的反射率數(shù)據(jù)，即為第二波段的反射率數(shù)據(jù)。

4.2 福建近岸海域SSC定量反演模型

由于實測資料所限，本文采用張春桂等提出的基于負(fù)指數(shù)關(guān)系模式的福建近岸海域SSC反演模型（張春桂，2008b），對福建近岸海域的SSC進(jìn)行反演。該局部反演模型如下：

式中：X為MODIS第9波段（藍(lán)光波段）與第4波段（綠光波段）的歸一化離水輻射率之比，SSC為懸浮泥沙濃度（mg/L）。

4.3 福建圍填?；顒訉SC的影響

利用區(qū)域模型反演福建近岸海域的SSC，試圖從宏觀上尋求圍填?；顒优cSSC之間的關(guān)系，所選取的MODIS影像、采樣點(diǎn)和采樣方法與3.5中所述相同，統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。

圖11 2000-2009年3月和11月份福清灣和興化灣SSC統(tǒng)計

從圖11可以看出，2000-2009年期間，福清灣和興化灣圍填海區(qū)域的SSC波動變化較大，福清灣和興化灣圍填海區(qū)域的SSC在2004年3月和2005年11月均出現(xiàn)了極小值，在2003年11月和2005年3月均出現(xiàn)了極大值。在經(jīng)歷了多年的波動變化后，福清灣和興化灣圍填海區(qū)域的SSC均在2009年開始迅速升高，可以說從一定程度上受到了近年來大量圍填海工程的影響。

在非圍填海區(qū)域選取任一點(diǎn)，對SSC反演結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖12所示。與福清灣、興化灣兩個圍填海區(qū)域的SSC變化相似，但是，非圍填海區(qū)的SSC年際間的變化幅度要明顯小于圍填海區(qū)域，這表明，圍填?；顒釉谝欢ǔ潭壬弦餝SC發(fā)生劇烈變化，造成河口、海灣的潮流動力減弱，這主要是由于大規(guī)模的圍填海活動影響附近海域的潮汐等水動力條件，導(dǎo)致水動力和泥沙運(yùn)移狀況發(fā)生變化。

圖12 非圍填海區(qū)域2000-2009年3月、11月SST反演統(tǒng)計

5 綜合分析

針對福清灣、興化灣兩個福建省圍填海開發(fā)程度較大的海灣，本文分別選取2000-2009年間的10幅Landsat TM/ETM+影像和20幅MODIS影像對海灣大陸岸線和海洋環(huán)境因子（SST、SSC）進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果表明兩個海灣的海岸線長度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但是興化灣的海岸線變化幅度相對于福清灣較小，這對應(yīng)于興化灣圍填海區(qū)域的SST和SSC的變化幅度小于福清灣圍填海區(qū)域，雖然圍填海區(qū)域的SST和SSC的變化趨勢沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，但是相對于非未填海區(qū)域，對應(yīng)時間范圍內(nèi)SST和SSC的變化幅度較大。

福清灣和興化灣的大陸海岸線和海洋環(huán)境因子的變化趨勢雖然難以定量地進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，但是經(jīng)過初步的定性分析統(tǒng)計，在一定程度上可以說明，圍填?；顒釉谟绊懘箨懓毒€和海洋環(huán)境的程度方面具有一致性，即分別對大陸海岸線和海洋環(huán)境因子產(chǎn)生了負(fù)面影響。

6 小結(jié)

本文利用Landsat TM/ETM+進(jìn)行福建大陸岸線的提取，雖然沒有考慮不同潮位、不同地貌類型對海岸線提取所造成的影響，但是滿足從整體上研究大陸岸線長度變化的需要。此外，通過建立區(qū)域反演模型，有效地反演了福建近岸長時間序列的SST和SSC，并且結(jié)合圍填海區(qū)域討論了圍填海對海洋環(huán)境的影響。通過討論可知，福建圍填海在一定程度上縮短了大陸岸線，并且對海洋環(huán)境因子（SST、SSC）造成了一定的影響。

誠然，影響海岸線長度、SST、SSC變化的因素有很多，例如SSC還受到海徑流量、潮汐、環(huán)流、風(fēng)浪、降水量等多方面的影響，本文的研究結(jié)果只是從一定程度上反映了圍填海對這3種因子影響的趨勢，并不能單一地、定量地確定影響的大小。因此，今后應(yīng)長時間、連續(xù)地對研究區(qū)域進(jìn)行遙感觀測，并結(jié)合實測資料來確定圍填海的影響。

致謝：國家海洋局東海信息中心提供SST實測數(shù)據(jù)，在此一并致謝。

Kaufman Y J，Gao B C，1992.Remote sensing of water vapor in the near IR from EOS/MODIS.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，5（30）：871-884.

Minnett P J，Browen O B，Key E L，et al，2004.Sea-surface temperature measurements from the Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer on Aqua and Terra[EB]，（7）：4576-4579.

Stumpf R P，Pennock J R，1989.Calibration of a general optical equation for remote sensing of suspended sediments in a moderately turbid estuary.Journal of Geophysical Research，（94）：14363-14371.

符衛(wèi)國，2002.福建省大比例尺海洋功能區(qū)劃研究.北京：海洋出版社：10-11.

林景亮，1990.福建省海岸帶和灘涂資源綜合調(diào)查報告.北京：海洋出版社：3-4.

劉修德，2009.福建省海灣數(shù)模與環(huán)境研究.海洋出版社.

劉志國，2007.長江口水體表層泥沙濃度的遙感反演與分析.上海：華東師范大學(xué).

馬志遠(yuǎn)，陳彬，俞煒煒，等，2009.福建興化灣圍填海濕地景觀生態(tài)影響研究.臺灣海峽，28（2）：169-176.

毛克彪，覃志豪，王建明，等，2005.針對MODIS數(shù)據(jù)的大氣水汽含量反演及31和32波段透過率計算.國土資源遙感，（1）：26-29.

孫美仙，張偉，2004.福建省海岸線遙感調(diào)查方法及其應(yīng)用研究.臺灣海峽，23（2）：213-219.

王忠蕾，張訓(xùn)華，2009.基于RS的海岸線動態(tài)監(jiān)測研究進(jìn)展.海洋地質(zhì)動態(tài)，25（4）：1-7.

熊鵬，陳偉琪，王萱，等，2007.福清灣圍填海規(guī)劃方案的費(fèi)用效益分析.廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），46（1）：214-217.

嚴(yán)海兵，李秉柏，陳敏東，2009.遙感技術(shù)提取海岸線的研究進(jìn)展.地域研究與開發(fā)，28（1）：101-105.

俞煒煒，陳彬，張珞平，2008.海灣圍填海對灘涂濕地生態(tài)服務(wù)累積影響研究-以福建興化灣為例.海洋通報，27（1）：88-94.

張春桂，陳家金，謝怡芳，等，2008a.利用多通道數(shù)據(jù)反演近海海表溫度.氣象，34（3）.

張春桂，任雍，蔡義勇，等，2009.基于MODIS數(shù)據(jù)的臺灣海峽SST區(qū)域遙感監(jiān)測模型研究.熱帶氣象學(xué)報，25（1）.

張春桂，張星，陳敏艷，等，2008b.福建近岸海域懸浮泥沙濃度遙感定量監(jiān)測研究.自然資源學(xué)報，23（1）：150-160.

鄭嘉淦，李繼龍，楊文波，2006.利用MODIS遙感數(shù)據(jù)反演東海海域海表溫度的研究.海洋漁業(yè)，28（2）.