我國海岸帶海島礁遙感研究進展及建議

王志華，楊曉梅，蘇奮振，張慧芳，顏鳳芹，張君玨

（中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101）

一、前言

作為陸地與海洋的過渡區域，海岸帶是眾多物質、能量的集散地，同時也是物理、化學、生物、地質構造等各種過程的強耦合區域。因此，海岸帶也成為人類活動最為強烈的區域。以我國為例，在僅占全國陸地國土面積14%的沿海地區集中了三大都市圈、50%以上的大城市和40%的中小城市、50%左右的人口和60%的國內生產總值[1]。在氣候變化和人類活動增強的雙重影響下，海岸帶生態環境不斷惡化[2]，成為生態脆弱和災害性頻發的重點區域。此外，海島礁作為四面環海的小塊陸地，可以作為人類開發海洋的遠涉基地和前進支點，在全球經濟向海洋發展的大背景下，其開發利用強度和速度越來越快，同樣扮演著極其重要的經濟和軍事角色。因此，監測海岸帶、海島礁對指導我國制定海洋發展戰略具有重要意義。

遙感作為遠距離觀測技術，具有空間覆蓋廣、時間一致性好、獲取周期短等諸多優點，已成為變化速度快、空間范圍廣的海岸帶以及可達性較差的海島礁等目標的重要監測手段[3]。及時、準確地了解我國海岸帶、海島礁遙感研究進展和存在的問題，可為我國海岸帶、海島礁生態系統研究和管理、社會經濟發展和規劃以及可持續發展提供快速、準確的信息支撐。為此，本文對近十年來我國海岸帶、海島礁遙感研究現狀及存在的問題進行綜述，并結合當前相關技術發展背景，給出若干建議，以期為我國的海洋強國發展戰略服務。

二、研究現狀

為系統總結研究現狀，以下根據海岸帶的結構（見圖1），按照內陸到海洋的順序，依次從“近海陸域-潮間帶-近海水域-海島礁”四個方面分別綜述。

圖1 本文“近海陸域–潮間帶–近海水域–海島礁”地域結構劃分示意圖

（一） 近海陸域遙感

1.全要素土地利用/覆蓋遙感進展

土地利用/覆蓋數據是全球變化研究的重要組成部分，長久以來都是海岸帶遙感監測的研究重點和熱點。當前，我國研究、生產并對全球共享了一套30 m 空間分辨率的全球土地利用/覆蓋數據（GlobeLand30） [4]。此外，針對海岸帶的特殊性，開展了周期5年（2000—2015年）的中國海岸帶土地利用/覆蓋高精度制圖[5]。在持續更新方面，通過挖掘歷史影像與歷史土地覆被數據間的關系，實現更新制圖的自動化[6]。隨著高分遙感的發展，例如分辨率為1 m 的國產高分二號衛星影像，地物目標識別的精細程度增加，挖掘海岸帶人類居住區域的內部空間結構成為可能[7]，這對于以功能為導向的城市空間結構規劃研究和生態環境研究具有十分重要的意義。

2.專題目標遙感研究進展

針對海岸帶一些重點目標開展了時空制圖及評估研究。針對具有促淤造陸、防浪護堤以及維持生物多樣性和全球碳平衡等功能的紅樹林，借助Landsat 衛星在全國范圍內開展了長時間序列的數據獲取[8]；在高分遙感技術的發展背景下，還探索了局部地區不同樹種的制圖，有效支撐紅樹林精細管理[9]；針對兼具濕地生態和經濟生產功能的養殖池塘與鹽田，開展了1984—2016年全國范圍的長時間序列研究[10]。針對海陸交通集結點的海港，通過遙感土地覆被制圖開展重要港口城市及其周邊區域的生態環境評估，以及高分遙感支持下通過港口內部制圖評估港口貨物吞吐量[11]。

3.沿海地區地面沉降研究進展

沿海地區在快速城鎮化的進程中消耗了大量地下資源，例如地下水位下降導致地面下沉，損失嚴重。合成孔徑雷達干涉（InSAR）測量能夠以毫米級的精度監測這種變形，并且在黃河三角洲、珠江三角洲開展實驗，證實這種變化源自快速城鎮化和漁業養殖抽取地下水[12]。

（二） 潮間帶遙感

1.海岸線遙感

海岸線是海陸的分界線，不僅能夠定量化地衡量人類活動結果和海陸自然相互作用，還能夠反映全球氣候變化背景下海平面的上升趨勢。針對海岸線的特點建立遙感解譯標志，并開展近30年的中國大陸海岸線提取和變化分析[13]，同時針對遙感影像中潮間帶難以確定的問題開展研究。

2.生物入侵遙感

為了保護海岸帶生態系統免受有意引入或者船只通航等無意引入的外來物種的破壞，開展了系列研究，為準確掌握生物入侵和消退規律提供關鍵性數據，進而為管控提供有益參考。互花米草是其中面積較廣、影響嚴重的一個物種，大量取代本地海三棱藨草，導致很多水鳥難以獲取食物。基于高分遙感影像，文獻[14]對浙江沿海區域入侵的空間格局進行精細識別研究；此外，基于15/30 m 分辨率的衛星遙感，開展了大陸海岸帶互花米草時空動態監測[15]。

3.海水入侵及土壤鹽漬化遙感

快速城鎮化，尤其是地下水開采，引發海水入侵及土壤鹽漬化，嚴重影響沿海生態環境。通過鹽漬化土壤表面光譜特征差異和地表植被覆蓋的變化，遙感可以用于反演和評估海水入侵及土壤鹽漬化的發展過程和影響，為相關治理提供科學指導[16]。

（三） 近海水域遙感

1.海上養殖遙感

海上養殖區是海岸帶經濟的另一個主要產業，同時也是重要的海洋災害承災體。隨著高分遙感影像在空間分辨率和灰度分辨方向的發展，海上養殖區域目標提取成為可能。文獻[17]基于面向對象和直線段基元的關系，實現了國產資源三號衛星影像的筏式養殖區高精度提取；文獻[18]將人眼視覺機制與面向對象結合，實現了一種水色背景較復雜的筏式海水養殖區提取。

2.海洋災害遙感

風暴潮、海上溢油、赤潮等海洋災害發生迅速、涉及面廣，而遙感可以快速大面積獲取災害要素的空間分布和現勢狀態，為評估、救災發揮重要支撐作用[19]。文獻[20]利用遙感數據反演的水面風、海表溫度等參數，結合模型算法，實現山東半島滸苔爆發的路徑預測，并發現這種滸苔暴發起源于江蘇省海岸線。

（四） 島礁遙感

1.海島礁遙感

根據島礁四面臨海的特征，在應用遙感監測技術時，可以在很大程度上借鑒海岸帶遙感技術，例如島礁制圖及岸線提取監測，利用InSAR 監測島礁沉降變形[21]，土地覆被或專題信息提取技術，珊瑚礁的高精度分類，以及珊瑚礁地貌制圖及變化監測[22]。

2.島礁證據遙感

島礁涉及到領海主權問題，經常在國家海洋主權之爭中成為重要的焦點。現有仲裁機制多以第一個登陸并有效控制的國家作為島礁主權認證原則，而遙感數據的歷史存檔功能恰好迎合了這一需求。文獻[23]系統總結了當前的相關案例，對遙感證據的證明價值、提交方式、影響其證明分量的諸因素結合遙感技術及行業發展趨勢展開分析。文獻[24]以中國南沙島礁為實例，通過遙感影像和歷史文獻資料調查，提出《聯合國海洋公約》中的島礁認定方法不嚴謹。

三、存在的問題

海岸帶是一個海陸交界的強交互復雜區域，遙感可研究的內容非常豐富，以上只是代表性總結部分研究。總體而言，我國的海岸帶遙感發展是比較全面先進的，能夠有效支撐國家經濟建設和海洋戰略。但綜合以上分析，發現主要存在以下幾個突出問題。

（一） 遙感數據自主性不強

在資源衛星、海洋衛星、氣象衛星等一些衛星項目的成功實施下，尤其是“高分專項”項目，我國的衛星影像獲取能力大幅提升。但由于用戶使用慣性、數據共享宣傳機制不完善等問題，多數研究人員在選擇數據時仍慣性地使用國外的數據，例如以上綜述介紹的土地覆蓋、專題信息提取等研究大多是采用美國的Landsat 系列衛星。在國內外局勢不穩定的情況下，這種重度依賴國外遙感數據的習慣，尤其是面對海岸帶這種變化頻率高、人類活動密集的區域，極易受制于人，也不利于國內遙感衛星影像質量在使用中不斷提升。

（二） 遙感信息產品更新頻率低

盡管遙感制圖極大地提高了制圖周期，但很多專題信息產品依然更新頻率緩慢，例如全國范圍的土地利用基本是五年一更新，這種頻率對于活動劇烈、頻繁的海岸帶區域，是難以滿足需求的。此外，在面臨臺風、風暴潮等海洋災害時，很多應急數據多是災前儲備的基礎數據，而實況信息仍主要依靠影像獲取后的人工解譯并逐級匯總實現，時效性很差。雖然研發了很多遙感信息自動提取算法，但大多是集中在小區域的特殊條件下，很難直接推廣至大區域和復雜背景下。

（三） 學科研究孤立發展，難以滿足實際需求

海岸帶是一個異常復雜的綜合性系統，在實際管理中，遙感更多的是對該系統進行觀測的一種技術，也有很大的局限性。例如，對近海環境有重要影響的海岸帶陸域的土地利用場景劃分，盡管高分遙感影像能夠提供一個關鍵的本底影像信息，但僅據此進行場景解譯，仍存在很多的困難，還需要提供額外的街區、興趣點（POI）等非遙感數據加以輔助；對于海水養殖與滸苔爆發等事件關聯的研究，不僅需要遙感專家提供養殖分布、水質狀況等動態信息，還需要海洋水動力專家、海洋微生物專家、海水養殖專家等提供的多領域知識，開展聯合實驗模擬，方能全面認知其耦合機理。

四、建議

針對以上問題，結合作者研究經驗和當前相關領域的發展，提出以下建議。

（一）持續完善國產數據共享

在我國發射的一系列遙感衛星基礎上，例如高分系列衛星、資源衛星、海洋衛星等，尤其是中國科學院A 類戰略先導的“地球大數據科學工程”，持續完善國產數據共享及宣傳。這不僅需要國家層面的持續性財政和制度支持，還需要承擔主體持續性投入技術改善、維護，更需要各終端用戶的支持和使用，進而充分發揮數據的共享和協同使用，提高國產數據使用比例和效益，同時增強多元數據融合使用，以協同解決復雜海岸帶生態系統問題。

（二） 加強海岸帶遙感算法研究，借助云平臺和大數據系統，實現大區域性與局部高精度監測自動化與常態化

在云平臺和大數據系統的基礎上，加強海岸帶目標的遙感信息自動提取及更新算法的研究和集成。不僅要注重從原始影像提取信息的算法，還要注重已有數據再利用的算法。例如，深度學習技術能夠自動擬合中間特征和過程，非常有利于數據驅動規律發現，具有十分重要的借鑒意義。但也應注意這類機理不明算法在遇到問題時人工修改不便利性問題。建議將深度學習與常規方法結合，盡可能揚長避短[25]。此外，注重算法庫的積累構建。多年研究實踐表明，尚未有一種算法能解決所有信息提取問題。因此，應厘清各種算法的優缺點以及適用條件和范圍，以便數據獲取后能夠準確、及時調用，生成信息產品，進而實現大區域和局部高精度監測的自動化和常態化。

（三）凝練、支持重大科學問題，促進多學科交叉融合

遙感獲取的數據具有綜合性，在研究復雜海岸帶時非常有優勢，可以做到“一方實驗，多方受益”。雖然遙感也有自己的科學問題，但應用于海岸帶時，更多的是作為一門技術，應當秉持陳述彭院士提出的“沒有技術支撐的科學隊伍是落后的；沒有科學理論指導的技術是盲目的”理念，通過凝練、支持一批重大科學問題研究，例如海岸帶演變機制、海洋災害致災機理、赤潮形成機理等，不僅可以匯聚各領域專家的理論知識，促進學科交叉，還能夠使得遙感技術從中更好地找到自己的位置和努力發展的方向，進而為海岸帶管理貢獻更多的科技力量。