國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的海洋應(yīng)用

● 文 |國家海洋局第一海洋研究所 李曉敏 張杰 馬毅

國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的海洋應(yīng)用

● 文 |國家海洋局第一海洋研究所 李曉敏 張杰 馬毅

自1999年10月14日成功發(fā)射中巴地球資源（CBERS）-01衛(wèi)星以來，我國陸續(xù)發(fā)射了CBERS-02、CBERS-02B、環(huán)境（HJ）-1A/B、資源一號(hào)02C、資源三號(hào)、高分一號(hào)、高分二號(hào)、CBERS-04、高分四號(hào)等多顆陸地觀測(cè)衛(wèi)星，經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前初步形成了資源系列、環(huán)境系列、高分系列等多個(gè)衛(wèi)星系列，已在國土資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)以及測(cè)繪地理信息等行業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用[1]。

由于國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率明顯高于海洋衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星，同時(shí)兼具高重訪周期和寬幅成像能力，可滿足高精度、快速覆蓋和大范圍觀測(cè)業(yè)務(wù)需求，因此在海洋要素的精細(xì)化調(diào)查和海洋過程的高時(shí)效監(jiān)測(cè)中具有優(yōu)勢(shì)，目前這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于海洋資源調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋災(zāi)害應(yīng)急等多個(gè)領(lǐng)域。

近年來，針對(duì)國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的海洋應(yīng)用，國家海洋局第一海洋研究所（簡(jiǎn)稱海洋一所）開展了大量的研究工作，本文主要介紹國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海島海岸帶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、近岸水體環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋災(zāi)害過程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況，以期為國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用和后續(xù)衛(wèi)星的研發(fā)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

一、國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海島海岸帶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

由于國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有國土覆蓋度高、自主性強(qiáng)、重訪周期短等優(yōu)勢(shì)，已在我國海島海岸帶資源環(huán)境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)中擔(dān)當(dāng)起重任，為我國海島海岸帶資源的合理開發(fā)利用和保護(hù)以及海島海岸帶的可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)保障。然而，由于國產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射較晚，歷史上可用的國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)較少，因此在進(jìn)行海島海岸帶動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)時(shí)，多是采用聯(lián)合使用國外與國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方式，歷史上以國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)量的不斷增多和數(shù)據(jù)質(zhì)量的不斷提升，逐漸轉(zhuǎn)為以國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主。

1．國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在我國海島海岸帶區(qū)域應(yīng)用評(píng)價(jià)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用往往受制于遙感影像的定位精度和成像質(zhì)量，為了更好地將國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于海島海岸帶區(qū)域，海洋一所研究人員開展了資源一號(hào)02C、資源三號(hào)、高分一號(hào)、高分二號(hào)等國產(chǎn)高分衛(wèi)星影像在我國海島海岸帶區(qū)域的定位精度評(píng)價(jià)、成像質(zhì)量評(píng)價(jià)和地物識(shí)別能力分析。

選取典型海島海岸帶區(qū)域作為研究區(qū)，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地面控制點(diǎn)，對(duì)資源一號(hào)02C、資源三號(hào)、高分一號(hào)、高分二號(hào)等衛(wèi)星影像的定位精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)[2-4]，結(jié)果表明：這些國產(chǎn)高分衛(wèi)星影像均具有較高的定位精度，能夠滿足我國海島海岸帶遙感調(diào)查任務(wù)的需要；利用國外空間分辨率相當(dāng)、頻段設(shè)置近似的遙感影像，采用主觀和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)上述衛(wèi)星影像的成像質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)[5-7]，結(jié)果顯示：這些國產(chǎn)高分衛(wèi)星影像在海島海岸帶地物表現(xiàn)能力和地物細(xì)節(jié)信息方面相近于國外同類影像，具有較高的成像質(zhì)量，達(dá)到甚至優(yōu)于國外同等分辨率的衛(wèi)星影像成像質(zhì)量，能夠很好地應(yīng)用于海島海岸帶地物識(shí)別，在應(yīng)用推廣方面具有巨大的潛力。

2．海島動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)

我國是一個(gè)海島大國，泥沙島是重要的海島類型，由于其物質(zhì)組成特點(diǎn)，在人類活動(dòng)和海洋動(dòng)力的共同作用下，島體變化速率快，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)具有大面積、同步、長時(shí)間序列、對(duì)同一區(qū)域可進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，可不依賴于海域和地表狀況進(jìn)行長期、靈活的調(diào)查，通過不同時(shí)相遙感影像的疊加，可有效監(jiān)測(cè)泥沙島的動(dòng)態(tài)變化過程。

海洋一所研究人員利用不同時(shí)相遙感影像對(duì)多個(gè)泥沙島群和典型海島進(jìn)行了動(dòng)態(tài)變化過程監(jiān)測(cè)，為海島的開發(fā)、保護(hù)與管理提供了數(shù)據(jù)支持。例如：利用2000—2013年逐年的CBERS 電荷耦合（CCD）影像和HJ-1 CCD影像，監(jiān)測(cè)了長江口北支主要沙洲的發(fā)育、消亡以及并陸等演變過程[8]；利用1973—2004年的7期Landsat影像和2008—2011年逐年的HJ-1 CCD影像，分析了廣東省羅斗沙島的動(dòng)態(tài)變化情況[9]；利用2008—2013年逐年的HJ-1 CCD影像，對(duì)河北省灤河口外泥沙島群的動(dòng)態(tài)變化開展了監(jiān)測(cè)，分析了海島數(shù)量、岸線長度和面積的變化情況及其原因[10]。

3．海岸線變遷遙感監(jiān)測(cè)

海岸帶是海洋和陸地的交匯地帶，是人類最為密集、開發(fā)活動(dòng)最為頻繁、經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的區(qū)域。隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，海岸帶區(qū)域港口建設(shè)、圍海養(yǎng)殖等活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致海岸線在不斷變化。遙感與地理信息（GIS）技術(shù)相結(jié)合，能準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測(cè)海岸線的動(dòng)態(tài)演變。

海洋一所研究人員利用歷史上的Landsat影像和國產(chǎn)的CBERS、HJ影像，定量分析了我國沿海各省的海岸線變遷情況[11-19]；同時(shí)還對(duì)鴨綠江口、遼河口、珠江口等重要河口[20-23]和萊州灣、杭州灣、海州灣等典型海灣[24-28]的海岸線類型構(gòu)成、時(shí)空變化特征及海岸開發(fā)方式等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為海岸線資源的合理開發(fā)和可持續(xù)利用提供了科學(xué)支持。

4．濱海濕地遙感監(jiān)測(cè)

濱海濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)過渡地帶，典型濱海濕地類型包括河口濕地、海灣濕地、澙湖濕地、紅樹林濕地、珊瑚礁濕地等，這些濱海濕地孕育了豐富的生物多樣性，對(duì)近海漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展和候鳥保護(hù)具有不可替代的重要作用。然而，受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，人們對(duì)濱海濕地的過度開發(fā)使其發(fā)生了普遍且嚴(yán)重的退化，大面積的圍填海是造成濱海濕地持續(xù)退化的主要原因。

河口濕地處于咸淡水生態(tài)系統(tǒng)交匯處，生態(tài)環(huán)境較脆弱，極易受到破壞。海洋一所研究人員以資源（ZY）-3、高分（GF）-1和GF-2為數(shù)據(jù)源，分別對(duì)黃河口、大沽河口、圖們江口等河口濕地狀況進(jìn)行了精細(xì)遙感調(diào)查和變化監(jiān)測(cè)分析[29-30]；利用1986、1995、2004年的Landsat影像和2012年的HJ-1影像，分析了遼寧省雙臺(tái)河口國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)自建立以來蘆葦和堿蓬濕地的退化狀況，提出了保護(hù)和管理建議[31]；利用HJ-1A 超光譜成像儀（HSI）和GF-1 寬覆蓋（WFV）影像，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)量的典型植被地物光譜、蓋度和地上生物量數(shù)據(jù)，建立了黃河口濕地主要植被類型蘆葦、堿蓬和檉柳的蓋度和生物量反演模型，為黃河口濕地生態(tài)評(píng)價(jià)、保護(hù)和利用提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[32-34]。

澙湖是海岸帶上由濱外壩、沙壩或沙嘴與海洋隔開，或圍欄河口或包絡(luò)海灣的封閉、半封閉淺海水域，是一種特殊類型的濱海濕地。海洋一所研究人員使用1979、1990、2000年的Landsat影像和2010年的HJ-1影像，利用遙感和GIS技術(shù)對(duì)我國大陸海岸澙湖進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)，首次調(diào)查統(tǒng)計(jì)了我國大陸海岸澙湖的名稱、數(shù)量、分布、岸線長度和面積信息，并對(duì)近31年來我國大陸海岸澙湖的變遷狀況進(jìn)行了分析[35-36]。

紅樹林是自然分布于熱帶和亞熱帶海岸潮間帶的木本植物群落，具有御風(fēng)消浪、護(hù)堤護(hù)岸、護(hù)灘促淤和保護(hù)生物多樣性等作用。我國的紅樹林自然分布介于海南的榆林港至福建福鼎的沙埕灣之間，人工種植北至浙江省樂清灣。海洋一所研究人員利用1990、2000年的Landsat影像和2010年的HJ-1影像，采用衛(wèi)星遙感和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)合的方法，對(duì)我國的紅樹林資源狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并分析了其時(shí)空變化情況[37-38]。

5．海域使用遙感監(jiān)測(cè)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人地矛盾突出，圍填海已經(jīng)成為緩解矛盾的主要方式。近30年來，沿海各省的圍填海十分劇烈。海洋一所研究人員利用1990、2000年的Landsat影像、2008年的CBERS CCD影像，采用衛(wèi)星遙感與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)合的方法，獲取了廣東省近20年來圍填海的類型、面積、地理分布情況，并對(duì)不同時(shí)段的圍填海結(jié)構(gòu)組成、圍填速度、圍填海熱點(diǎn)地區(qū)和驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析[39]。

《海洋功能區(qū)劃管理規(guī)定》指出：海洋功能區(qū)劃批準(zhǔn)實(shí)施兩年后，縣級(jí)以上海洋行政主管部門對(duì)本級(jí)海洋功能區(qū)劃可以開展一次區(qū)劃實(shí)施情況評(píng)估；遙感已成為海洋功能區(qū)劃實(shí)施情況監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段，所獲得的區(qū)劃實(shí)施情況監(jiān)測(cè)結(jié)果可為海洋功能區(qū)劃修編提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為合理開發(fā)利用海域提供決策支持。海洋一所研究人員以山東省青島市海域?yàn)槔?，利用CBERS-02B CCD影像，提取海域使用現(xiàn)狀，與海洋功能區(qū)劃圖件對(duì)比，分析了開發(fā)利用現(xiàn)狀與功能區(qū)劃的符合情況，對(duì)青島市海洋功能區(qū)劃實(shí)施情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[40-41]；海洋一所研究人員以廣東省6個(gè)主要海島為例，利用CBERS-02B CCD影像，分析了海島開發(fā)利用現(xiàn)狀與功能區(qū)劃的符合情況，進(jìn)而監(jiān)測(cè)了海島功能區(qū)劃的實(shí)施情況[42]。

二、國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在近岸水體環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

目前常用的水色衛(wèi)星時(shí)間分辨率較高但空間分辨率較低，不利于近岸水體環(huán)境的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)，而國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星正朝著高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率和立體觀測(cè)的趨勢(shì)發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)近岸海域?qū)崟r(shí)、長時(shí)間序列、大范圍的監(jiān)測(cè)，滿足近岸水體環(huán)境高動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)的需求，已成為近岸水體環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效技術(shù)手段。

1．葉綠素a濃度遙感反演

我國于2008年9月6日發(fā)射的HJ-1A/B CCD具有30m的空間分辨率，A、B兩星組網(wǎng)后的重訪周期可達(dá)到2天，能夠?yàn)樗|(zhì)業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)源保障。海洋一所研究人員利用HJ-1 CCD數(shù)據(jù)，發(fā)展了適用于膠州灣海域的大氣校正模型和葉綠素a濃度反演模型，并在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了能夠用于業(yè)務(wù)應(yīng)用的膠州灣葉綠素a濃度反演系統(tǒng)[43]；海洋一所研究人員基于該系統(tǒng)，利用HJ-1 CCD數(shù)據(jù)，揭示了2011年膠州灣葉綠素a濃度的空間分布格局和季節(jié)性變化特征，并就近岸水體水質(zhì)業(yè)務(wù)化衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程進(jìn)行了探討[44]。

2．懸浮物濃度遙感反演

海水中的懸浮物是重要的水質(zhì)參數(shù)之一，利用遙感影像能獲得大面積海域懸浮物濃度的資料，可以反映懸浮物濃度的空間分布態(tài)勢(shì)和變化趨勢(shì)，能夠有效地在大尺度、長時(shí)間范圍監(jiān)測(cè)海域中懸浮物濃度的分布和動(dòng)態(tài)變化。海洋一所研究人員基于CBERS-02BCCD影像頻段設(shè)置情況，利用黃河口實(shí)測(cè)光譜及懸浮物濃度數(shù)據(jù)，建立了黃河口懸浮物濃度遙感反演模型，以期為河口附近海域的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供服務(wù)[45]。

3．淺海水深遙感反演

水深是保障船舶航行、進(jìn)行海洋工程建設(shè)、制定近海相關(guān)規(guī)劃的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用多光譜遙感影像進(jìn)行水深反演一直以來都是傳統(tǒng)水深測(cè)圖的有效替代手段，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量手段相比，遙感反演具有大面積、低成本、快速成圖的特點(diǎn)，特別是對(duì)于測(cè)量船只無法抵達(dá)的區(qū)域，遙感反演甚至可能是獲取水深資料的唯一可行手段。海洋一所研究人員使用2013年的ZY-3衛(wèi)星多光譜影像、全色和多光譜融合影像，開展了西沙永興島周邊水深遙感反演對(duì)比實(shí)驗(yàn)（見圖1），結(jié)果表明，融合影像的水深反演精度較多光譜影像反演結(jié)果略有下降，但由于融合影像的空間分辨率比多光譜影像更高，因此融合影像的反演結(jié)果仍可用于大比例尺水深制圖。

三、國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋災(zāi)害過程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

我國現(xiàn)有的陸地衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)，可以滿足不同需求條件下的時(shí)間分辨率、成像覆蓋能力要求[46]，例如：HJ-1A/B星組網(wǎng)，能滿足災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要；資源衛(wèi)星與環(huán)境衛(wèi)星配合，能滿足日常業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)的需要。

1．綠潮災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)

2008年5月，青島沿海及臨近海域大范圍、高密度聚集爆發(fā)了迄今為止我國近海面積最大、危害最為嚴(yán)重的一次綠潮災(zāi)害。綠潮災(zāi)害的大規(guī)模爆發(fā)破壞了濱海景觀，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境可能產(chǎn)生不良的影響。同時(shí)，對(duì)2008年青島奧帆賽的正常舉行也構(gòu)成了威脅，引起了社會(huì)各界的廣泛反響和密切關(guān)注[47]。

自2008年以來，在每年的青島綠潮爆發(fā)期間，海洋一所遙感室都對(duì)青島沿海及臨近海域的綠潮災(zāi)害過程進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)。HJ-1 CCD影像，因其空間分辨率較高（30m）且重訪周期短（2天），能夠精確地估算綠潮災(zāi)害面積，是進(jìn)行綠潮災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)源。利用HJ-1 CCD數(shù)據(jù)，采用歸一化差值植被指數(shù)方法提取綠潮信息，在ArcGIS中制作綠潮遙感監(jiān)測(cè)專題圖，完成綠潮遙感監(jiān)測(cè)報(bào)告，進(jìn)行綠潮影響范圍和影響面積的評(píng)估，進(jìn)而評(píng)價(jià)綠潮災(zāi)害程度，為管理部門開展綠潮治理工作提供了數(shù)據(jù)支持。

以2010年青島近海爆發(fā)綠潮為例，應(yīng)用2010年5月12日—7月29日的HJ-1 CCD影像開展了青島近海綠潮災(zāi)害過程遙感監(jiān)測(cè)。通過影像解譯：5月12日綠潮在青島附近海域還未出現(xiàn)，6月20日的影像顯示青島南部海域分布有大面積的綠潮，其在6月下旬持續(xù)存在，7月9—29日的影像顯示綠潮面積在逐漸減小。

2．海冰冰情遙感監(jiān)測(cè)

每年冬季，我國渤海海區(qū)都會(huì)有海冰生成，渤海海冰冰情監(jiān)測(cè)對(duì)沿海養(yǎng)殖、港口和油井等具有重要意義。海洋一所遙感室每年冬季都對(duì)渤海海冰冰情進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，逐年記錄渤海海冰發(fā)展變化的特點(diǎn)，為建立完備的渤海海冰檔案和實(shí)現(xiàn)渤海海冰業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支持，為相關(guān)行業(yè)管理提供了決策依據(jù)。

以2009—2010年冬季渤海冰情監(jiān)測(cè)為例，利用CBERS CCD和HJ-1 CCD影像進(jìn)行了持續(xù)的跟蹤監(jiān)測(cè)，共使用HJ-1影像162景（2009年12月13日—2010年3月12日）、CBERS影像75景（2009年12月3日—2010年3月9日），基于此詳細(xì)描述了2009—2010年渤海海冰的發(fā)展歷程，并對(duì)遼東灣、渤海灣和萊州灣的冰情進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了渤海海冰的特性。

通過影像解譯發(fā)現(xiàn)：2009年12月29日，渤海海冰主要出現(xiàn)在遼東灣灣底，分布比較稀疏；2010年1月15日—2月13日，渤海海冰冰情非常嚴(yán)重，遼東灣已經(jīng)完全冰封，海冰覆蓋面積和海冰密集度都在逐漸增加；2010年3月9日，隨著氣溫的上升，海冰已經(jīng)逐漸融化，覆蓋范圍不斷減小，冰邊緣變得模糊（見圖2）。對(duì)比三個(gè)海灣的海冰冰情，以遼東灣冰情最重，渤海灣次之，萊州灣最輕；遼東灣海冰持續(xù)時(shí)間長，影響范圍廣，冰情嚴(yán)重；而渤海灣和萊州灣的海冰蔓延范圍變化較大，尤以萊州灣為甚。

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