國產陸地觀測衛星數據的海洋應用

● 文 |國家海洋局第一海洋研究所 李曉敏 張杰 馬毅

國產陸地觀測衛星數據的海洋應用

● 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日成功發射中巴地球資源（CBERS）-01衛星以來，我國陸續發射了CBERS-02、CBERS-02B、環境（HJ）-1A/B、資源一號02C、資源三號、高分一號、高分二號、CBERS-04、高分四號等多顆陸地觀測衛星，經過近20年的發展，目前初步形成了資源系列、環境系列、高分系列等多個衛星系列，已在國土資源調查、環境保護、防災減災以及測繪地理信息等行業應用中發揮了重要作用[1]。

由于國產陸地觀測衛星數據的空間分辨率明顯高于海洋衛星和氣象衛星，同時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業務需求，因此在海洋要素的精細化調查和海洋過程的高時效監測中具有優勢，目前這些衛星數據已廣泛應用于海洋資源調查、海洋環境監測和海洋災害應急等多個領域。

近年來，針對國產陸地觀測衛星數據的海洋應用，國家海洋局第一海洋研究所（簡稱海洋一所）開展了大量的研究工作，本文主要介紹國產陸地觀測衛星數據在海島海岸帶動態監測、近岸水體環境監測和海洋災害過程監測中的應用情況，以期為國產衛星數據的推廣應用和后續衛星的研發提供實踐經驗。

一、國產陸地觀測衛星數據在海島海岸帶動態監測中的應用

由于國產陸地觀測衛星數據具有國土覆蓋度高、自主性強、重訪周期短等優勢，已在我國海島海岸帶資源環境動態變化監測中擔當起重任，為我國海島海岸帶資源的合理開發利用和保護以及海島海岸帶的可持續發展提供了技術支撐和數據保障。然而，由于國產衛星發射較晚，歷史上可用的國產衛星數據較少，因此在進行海島海岸帶動態變化監測時，多是采用聯合使用國外與國產衛星數據的方式，歷史上以國外衛星數據為主。進入21世紀以來，隨著我國國產衛星數量的不斷增多和數據質量的不斷提升，逐漸轉為以國產衛星數據為主。

1．國產高分辨率衛星數據在我國海島海岸帶區域應用評價

衛星數據的應用往往受制于遙感影像的定位精度和成像質量，為了更好地將國產高分衛星數據應用于海島海岸帶區域，海洋一所研究人員開展了資源一號02C、資源三號、高分一號、高分二號等國產高分衛星影像在我國海島海岸帶區域的定位精度評價、成像質量評價和地物識別能力分析。

選取典型海島海岸帶區域作為研究區，利用現場實測的地面控制點，對資源一號02C、資源三號、高分一號、高分二號等衛星影像的定位精度進行了評價[2-4]，結果表明：這些國產高分衛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查任務的需要；利用國外空間分辨率相當、頻段設置近似的遙感影像，采用主觀和客觀評價相結合的評價方法，對上述衛星影像的成像質量進行了評價[5-7]，結果顯示：這些國產高分衛星影像在海島海岸帶地物表現能力和地物細節信息方面相近于國外同類影像，具有較高的成像質量，達到甚至優于國外同等分辨率的衛星影像成像質量，能夠很好地應用于海島海岸帶地物識別，在應用推廣方面具有巨大的潛力。

2．海島動態變化遙感監測

我國是一個海島大國，泥沙島是重要的海島類型，由于其物質組成特點，在人類活動和海洋動力的共同作用下，島體變化速率快，現場調查難以實現對其動態的監測。遙感技術具有大面積、同步、長時間序列、對同一區域可進行重復觀測等優勢，可不依賴于海域和地表狀況進行長期、靈活的調查，通過不同時相遙感影像的疊加，可有效監測泥沙島的動態變化過程。

海洋一所研究人員利用不同時相遙感影像對多個泥沙島群和典型海島進行了動態變化過程監測，為海島的開發、保護與管理提供了數據支持。例如：利用2000—2013年逐年的CBERS 電荷耦合（CCD）影像和HJ-1 CCD影像，監測了長江口北支主要沙洲的發育、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態變化情況[9]；利用2008—2013年逐年的HJ-1 CCD影像，對河北省灤河口外泥沙島群的動態變化開展了監測，分析了海島數量、岸線長度和面積的變化情況及其原因[10]。

3．海岸線變遷遙感監測

海岸帶是海洋和陸地的交匯地帶，是人類最為密集、開發活動最為頻繁、經濟最為發達的區域。隨著海洋經濟的迅猛發展，海岸帶區域港口建設、圍海養殖等活動頻繁，導致海岸線在不斷變化。遙感與地理信息（GIS）技術相結合，能準確及時地監測海岸線的動態演變。

海洋一所研究人員利用歷史上的Landsat影像和國產的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]；同時還對鴨綠江口、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]的海岸線類型構成、時空變化特征及海岸開發方式等進行了系統研究，為海岸線資源的合理開發和可持續利用提供了科學支持。

4．濱海濕地遙感監測

濱海濕地是陸地生態系統和海洋生態系統的交錯過渡地帶，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，對近海漁業可持續發展和候鳥保護具有不可替代的重要作用。然而，受經濟利益的驅使，人們對濱海濕地的過度開發使其發生了普遍且嚴重的退化，大面積的圍填海是造成濱海濕地持續退化的主要原因。

河口濕地處于咸淡水生態系統交匯處，生態環境較脆弱，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為數據源，分別對黃河口、大沽河口、圖們江口等河口濕地狀況進行了精細遙感調查和變化監測分析[29-30]；利用1986、1995、2004年的Landsat影像和2012年的HJ-1影像，分析了遼寧省雙臺河口國家級自然保護區自建立以來蘆葦和堿蓬濕地的退化狀況，提出了保護和管理建議[31]；利用HJ-1A 超光譜成像儀（HSI）和GF-1 寬覆蓋（WFV）影像，結合現場同步測量的典型植被地物光譜、蓋度和地上生物量數據，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，為黃河口濕地生態評價、保護和利用提供了重要的基礎數據[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技術對我國大陸海岸澙湖進行了遙感監測，首次調查統計了我國大陸海岸澙湖的名稱、數量、分布、岸線長度和面積信息，并對近31年來我國大陸海岸澙湖的變遷狀況進行了分析[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，具有御風消浪、護堤護岸、護灘促淤和保護生物多樣性等作用。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，采用衛星遙感和現場調查相結合的方法，對我國的紅樹林資源狀況進行了監測，并分析了其時空變化情況[37-38]。

5．海域使用遙感監測

隨著經濟的發展，人地矛盾突出，圍填海已經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，采用衛星遙感與現場調查相結合的方法，獲取了廣東省近20年來圍填海的類型、面積、地理分布情況，并對不同時段的圍填海結構組成、圍填速度、圍填海熱點地區和驅動因素進行了分析[39]。

《海洋功能區劃管理規定》指出：海洋功能區劃批準實施兩年后，縣級以上海洋行政主管部門對本級海洋功能區劃可以開展一次區劃實施情況評估；遙感已成為海洋功能區劃實施情況監測的主要技術手段，所獲得的區劃實施情況監測結果可為海洋功能區劃修編提供重要基礎數據，為合理開發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為例，利用CBERS-02B CCD影像，提取海域使用現狀，與海洋功能區劃圖件對比，分析了開發利用現狀與功能區劃的符合情況，對青島市海洋功能區劃實施情況進行了監測[40-41]；海洋一所研究人員以廣東省6個主要海島為例，利用CBERS-02B CCD影像，分析了海島開發利用現狀與功能區劃的符合情況，進而監測了海島功能區劃的實施情況[42]。

二、國產陸地觀測衛星數據在近岸水體環境監測中的應用

目前常用的水色衛星時間分辨率較高但空間分辨率較低，不利于近岸水體環境的業務化監測，而國產陸地觀測衛星正朝著高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和立體觀測的趨勢發展，可以實現對近岸海域實時、長時間序列、大范圍的監測，滿足近岸水體環境高動態遙感監測的需求，已成為近岸水體環境監測的有效技術手段。

1．葉綠素a濃度遙感反演

我國于2008年9月6日發射的HJ-1A/B CCD具有30m的空間分辨率，A、B兩星組網后的重訪周期可達到2天，能夠為水質業務化遙感監測提供數據源保障。海洋一所研究人員利用HJ-1 CCD數據，發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，并在此基礎上，開發了能夠用于業務應用的膠州灣葉綠素a濃度反演系統[43]；海洋一所研究人員基于該系統，利用HJ-1 CCD數據，揭示了2011年膠州灣葉綠素a濃度的空間分布格局和季節性變化特征，并就近岸水體水質業務化衛星遙感監測技術流程進行了探討[44]。

2．懸浮物濃度遙感反演

海水中的懸浮物是重要的水質參數之一，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勢和變化趨勢，能夠有效地在大尺度、長時間范圍監測海域中懸浮物濃度的分布和動態變化。海洋一所研究人員基于CBERS-02BCCD影像頻段設置情況，利用黃河口實測光譜及懸浮物濃度數據，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動態監測提供服務[45]。

3．淺海水深遙感反演

水深是保障船舶航行、進行海洋工程建設、制定近海相關規劃的必要基礎數據。利用多光譜遙感影像進行水深反演一直以來都是傳統水深測圖的有效替代手段，與現場測量手段相比，遙感反演具有大面積、低成本、快速成圖的特點，特別是對于測量船只無法抵達的區域，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比實驗（見圖1），結果表明，融合影像的水深反演精度較多光譜影像反演結果略有下降，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果仍可用于大比例尺水深制圖。

三、國產陸地觀測衛星數據在海洋災害過程監測中的應用

我國現有的陸地衛星觀測系統，可以滿足不同需求條件下的時間分辨率、成像覆蓋能力要求[46]，例如：HJ-1A/B星組網，能滿足災害應急監測的需要；資源衛星與環境衛星配合，能滿足日常業務監測的需要。

1．綠潮災害遙感監測

2008年5月，青島沿海及臨近海域大范圍、高密度聚集爆發了迄今為止我國近海面積最大、危害最為嚴重的一次綠潮災害。綠潮災害的大規模爆發破壞了濱海景觀，對海洋生態環境可能產生不良的影響。同時，對2008年青島奧帆賽的正常舉行也構成了威脅，引起了社會各界的廣泛反響和密切關注[47]。

自2008年以來，在每年的青島綠潮爆發期間，海洋一所遙感室都對青島沿海及臨近海域的綠潮災害過程進行遙感監測。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害面積，是進行綠潮災害遙感監測的主要數據源。利用HJ-1 CCD數據，采用歸一化差值植被指數方法提取綠潮信息，在ArcGIS中制作綠潮遙感監測專題圖，完成綠潮遙感監測報告，進行綠潮影響范圍和影響面積的評估，進而評價綠潮災害程度，為管理部門開展綠潮治理工作提供了數據支持。

以2010年青島近海爆發綠潮為例，應用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害過程遙感監測。通過影像解譯：5月12日綠潮在青島附近海域還未出現，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．海冰冰情遙感監測

每年冬季，我國渤海海區都會有海冰生成，渤海海冰冰情監測對沿海養殖、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渤海海冰冰情進行跟蹤監測，逐年記錄渤海海冰發展變化的特點，為建立完備的渤海海冰檔案和實現渤海海冰業務化遙感監測提供了數據支持，為相關行業管理提供了決策依據。

以2009—2010年冬季渤海冰情監測為例，利用CBERS CCD和HJ-1 CCD影像進行了持續的跟蹤監測，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），基于此詳細描述了2009—2010年渤海海冰的發展歷程，并對遼東灣、渤海灣和萊州灣的冰情進行了對比研究，分析了渤海海冰的特性。

通過影像解譯發現：2009年12月29日，渤海海冰主要出現在遼東灣灣底，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重，遼東灣已經完全冰封，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，海冰已經逐漸融化，覆蓋范圍不斷減小，冰邊緣變得模糊（見圖2）。對比三個海灣的海冰冰情，以遼東灣冰情最重，渤海灣次之，萊州灣最輕；遼東灣海冰持續時間長，影響范圍廣，冰情嚴重；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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