遙感技術在海洋污染監測中的應用

陳惠敏

惠安縣海域動態監視監測中心 福建 泉州 362100

引言

海洋是“藍色國土”，具有豐富的資源，我國40%人口與60%的國民生產總產值（GDP）集中在海岸帶區域，這對于我國的經濟發展具有重要的意義。長期以來，人們對海洋的調查只能通過船只在不同時間和不同地區對個別點進行監測，得到的數據量有限，難以滿足經濟生產的要求。要想對海洋有深入的認識和了解，必須要有更為高效的測試手段，而遙感技術的出現和發展滿足了這方面的需求。衛星遙感憑借其快速、覆蓋面積大等特點，成為目前海洋污染監測的主要手段之一。遙感監測是利用遙感技術進行海洋污染監測的技術方法，主要有赤潮監測、溢油監測等。遙感監測技術是通過航空或衛星等收集環境的電磁波信息對遠離的環境目標進行監測識別，是一種先進的環境信息獲取技術，在獲取大面積同步和動態環境信息方面“快”而“全”，是其他檢測手段無法比擬和完成的。因此，得到日益廣泛的應用。

1 遙感監測的機理

根據儀器的工作波譜特性，遙感技術可分為物理場(如磁場)遙感技術、聲吶遙感技術和電磁波遙感技術；根據傳感器的工作方式，可分為主動式遙感和被動式遙感；根據工作平臺可分為地面遙感技術、航空遙感技術和航天遙感技術；根據應用領域，可分為海洋遙感技術、氣象遙感技術、環境遙感技術和資源遙感技術。

海洋遙感技術指的是用遙感技術監測海洋中各種現象和過程的方法，研究對象為海洋和海岸帶。其工作原理是：海洋不斷地向周圍輻射電磁波能量，同時海面也在反射（或散射）太陽照射在海面上以及人造輻射源（如雷達）覆蓋在海面上的電磁波能量，這些輻射或反射的電磁磁能量能被傳感器接收、記錄，再通過傳輸、加工和處理，就可以得到海洋的圖像或數據資料。

2 海洋監測的特點

由于海洋是由不斷運動的水體組成，海洋環境與陸地、大氣環境存在極大不同，因此海洋監測與陸地、大氣監測也存在差別，不僅在光譜域特性不同，而且在空間域和時間域上也有明顯差異，海洋監測有以下的特點：

2.1 全天候、全天時、不間斷監測

對于海洋動力學過程探測，如海面風場、浪場、潮汐、風暴潮、漂浮海冰等，要獲得精確的數據，要求具有全天候全天時探測能力。有些海洋現象出現的時間短，如海洋赤潮從發生到消隱，有時也只有幾天時間，溢油污染從發生到擴散，短的只有一兩天；潮汐在一天內有漲落變化；熱帶風暴潮也是瞬息變化，為了捕捉這些現象，在時間上需要全天候、全天時、不間斷監測。

2.2 大區域監測

為了研究大洋洋底地形、海面拓撲結構、大氣環流、冰蓋等全球尺度現象，以及中長期海況預報和海平面變化的研究等，在空間上要求有大區域，甚至是全球或半球檢測能力。

2.3 高精度和高靈敏度

雖然某些海洋現象只需定性測量，但大部分海洋監測都要求定量測量，如海面風速和風向，有效浪高，海平面高度等。同時為了保證精度，要求儀器的信噪比要高。此外，若要兼顧海岸帶測量或在有云天氣時的探測，探測器的動態范圍要寬，數據量化精度也要高。如海洋水色探測器接收的是離水輻射率，它是指經水體各類分子散射后離開水面的反射通量，其值比陸地上低一個數量級，所以要求測量儀器的靈敏度比陸地探測器要高10倍。

2.4 復合測量

海洋過程是多種因素共同作用的綜合過程，在研究中需要對多個參變量進行測量，但很難用一個探測器來測量眾多參變量，因而需要多個探測器復合測量，如風生浪，其有效波高可由雷達高度計測得；波長與波向要用波散射計或合成孔徑雷達測量；浪波圖像則靠合成孔徑雷達獲取；海面風速風向靠風散射計測得。又如極地海冰，其冰面高度可由雷達高度計給出，冰面積雪和紋理則要從合成孔徑雷達圖像得到，海冰聚集度和分類則由微波輻射計測量。

3 衛星遙感在海洋污染監測中的應用

3.1 赤潮遙感監測

赤潮，國際上也稱其為“有害藻類”或“紅色幽靈”，是在特定的環境條件下，海水中某些浮游植物、原生動物或細菌爆發性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態現象，是海洋生態系統中的一種異常現象。它是由海藻家族中的赤潮藻在特定環境條件下爆發性地增殖造成的。根據引發赤潮的生物種類和數量的不同，海水有時也呈現黃、綠、褐色等不同顏色。近幾年，我國沿海地區赤潮的發生比較頻繁，嚴重地破壞了海洋漁業資源和漁業生產，惡化海洋環境，損害海濱旅游業，給海洋經濟造成巨大的損失，已成為我國主要海洋災害之一。

對赤潮特征的研究表明，赤潮發生時會有海水表面溫度升高，甚至出現局部水面高溫現象。也就是說，海水溫度是赤潮生物繁殖、赤潮形成與維持的重要因素。利用衛星發送的海溫場資料，通過對衛星圖片分析和演算獲得的SST，監測近海水體的異常高溫區來判斷赤潮的發生、發展、流向和消失。為了排除水體中懸浮物質的干擾，將赤潮信息準確提取出來，需要計算監測海區的生物量，得到監測海區的生物量分布圖。生物量的變化情況直接反映了海區中浮游植物的含量情況。研究結果表明，在赤潮發生海域，生物量的值明顯偏高。通過生物量等值線圖，可從整體上獲得浮游植物在海區中的大體運動趨勢，從而使對赤潮的跟蹤監測成為可能。

3.2 綠潮遙感監測

綠潮是在特定的環境條件下，海水中某些大型綠藻（如滸苔）爆發性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態現象，也被視作和赤潮一樣的海洋災害。綠潮是一種海洋大型藻類大量聚集的現象，發生在我國海域的綠潮藻類主要是滸苔，滸苔藻體呈鮮綠色或淡綠色，藻體長可達1～2m，直徑可達2～3mm[1]。滸苔可以食用、入藥，還可以作為農業肥料和添加飼料使用。但其在近海近岸大量聚集堆積死亡后，會腐爛發臭，從而影響海水水質、岸邊景觀和船舶航行。如2008年青島近海的綠潮災害，直接危及青島奧帆賽的舉行。

綠潮生物體內含有大量的葉綠素，顏色類似植物的綠色，所以其在海洋上層大規模聚集可通過衛星光學遙感的方式進行識別。國內外學者針對綠潮進行了大量的研究工作，提出了許多綠潮遙感監測算法，如單波段分割算法、多波段比值算法、監督分類法、支持向量機、輻射傳輸模型法等。

3.3 溢油遙感監測

在石油勘探、開發、煉制及運儲過程中，由于意外事故或操作失誤，造成原油或油品從作業現場或儲存器里外泄，溢油流向地面、水面、海灘或海面，同時由于油質成分的不同，形成薄厚不等的一片油膜，這一現象稱為溢油。衛星遙感可以實現對海洋大范圍、全天候的污染監測，利用衛星上的可見光/多光譜輻射傳感器，不僅可以測定海面油膜的存在，還可以測定油膜擴散的范圍、油膜厚度及污染油的種類。通過監測水溫、水色和海面磷酸鹽濃度等因素及其變化，可以給出赤潮的位置、范圍及擴散漂移方向等信息。應用衛星數據能夠及時、大范圍地獲取溢油信息，同時可以引導船只進行執法監察，并可依據遙感衛星連續跟蹤油污范圍和溢油擴散方向，利于確定最佳油污清除方案。

溢油量的確定取決于油膜厚度的確定，根據油膜厚度的分布以及溢油范圍的分布可以估算溢油總量。溢油厚度通過建立相關反演模型，通過算法估算而實現。由于隨著油膜厚度的變化，入射油層的入射光在油膜以及水面下的輻射傳輸會有所不同，這正是建立油膜厚度反演模型的理論依據。由于油膜對入射光的分子散射作用，使得油膜光譜反射率會隨著油膜厚度的變化而發生改變。溢油量的監測屬于定量遙感范疇，故受到各方面因素的影響，監測可行性、精度都存在不足，不如溢油范圍監測那么成熟。

4 衛星遙感在海洋污染監測中的發展趨勢

隨著科學技術的發展，人類與海洋的關系越來越密切，對海洋環境的保護也越發重要。傳統海洋監測技術主要適應近海環境監測，監測范圍短，采用低維度監測技術，監測精度低，對污染源監測時間長，發現某處存在污染源后由于監測時間較長，污染源可能已漂到另一區域，對此，提出海洋環境污染信息智能圖像監測技術。實驗結果表明，提出的海洋環境污染信息智能圖像監測技術，能夠實現全覆蓋的高精度海洋污染監測，并可以提取海洋環境污染樣品信息。

4.1 引入智能數字遙感技術

引入智能數字遙感技術是依托遙感衛星，構建智慧型數據模塊實現海洋環境污染的監測，通過多層數據庫進行篩選分析獲得可用信息。智能數字遙感技術結構包括圖像層、海洋信息表示層及海洋分析顯示層[2]。圖像層作用是利用遙感衛星對海洋環境進行遙感識別，將拍攝圖片進行簡單處理打包，通過無線傳輸送到海洋信息處理界面。海洋信息處理層將圖像層所監測信息進行數字化表示，依托海洋對象數據庫、海洋環境物理場分析數據庫進行處理。數據傳遞到分析顯示層，進行數據分析。分析顯示層對海洋信息表示層的數據信息進行接納，利用數據鏈路模式、圖像數據模塊以及數據挖掘技術等進行圖像處理，智能數據遙感數據庫結構流程如圖4-1所示。

海洋衛星圖像數據庫主要作用是對衛星圖像處理分割、對象識別，構建多維圖像組織，計算圖像物理間距。海洋對象數據庫主要作用是對海洋環境物理場流形，海洋物理場流形內嵌維度，低微分布分析，海洋對象特征提取。

4.2 利用水質傳感器采集污染源數據

水質傳感器作為海洋環境污染監測技術重要手段之一，本文利用水質傳感器進行海水pH值監測、海水溶解氧監測、海水電導率監測、海水溫度監測。水質傳感器包含傳感器及對應作用如表1所示。

表1 傳感器名稱及對應作用

水質立體傳感裝置包含立體感應原件，能夠同時對多個監測源進行監測。對集成pH值監測裝置、海水溶解氧監測裝置、海水電導率監測裝置以及海水溫度監測裝置進行綜合信號的采集。傳輸裝置將感應信號，以脈沖電流形式進行無線傳輸，顯示在計算機圖像系統中。

4.3 優化大數據對比分析法

依托智能數字遙感技術和水質傳感器監測技術的綜合數據采集，對污染信息充分提取，由于提取數據量巨大，對比分析難度大。針對以上問題，優化大數據對比分析法對采集數據進行處理[3]。首先將采集的數據源類型進行重新定義，通過對圖像信息以及數據源的提取，與標準污染圖像以及污染參數進行大數據對比，得出綜合監測結果。基于海洋實際情況，存在逆流、順流、海風、能見度低等因素，對采集的大數據會產生“合理量化”影響，當產生數據渦流時，監測數據分析量化會有所變化。數據渦流對污染數據分析造成很大的難度。因此需要對不同數據變相、數據矢量以及數據失衡度進行統一量化。

5 結束語

我國是一個毗鄰太平洋的海洋大國，海域廣袤、海岸線漫長、島嶼眾多。頻發的海洋災害給我國的經濟發展帶來了巨大的影響。隨著我國海洋衛星的發展，其快速、高頻次、長期連續觀測優勢成為觀測海洋，監測海洋污染的技術支撐和保障服務手段，也成為中國空間基礎設施和海洋立體監測體系的重要組成部分。海洋污染的遙感監測已廣泛應用于我國海洋防災減災，發揮了重要的作用，最大限度地減輕了人員傷亡和財產損失。