国产陆地观测卫星数据的海洋应用

● 文 |国家海洋局第一海洋研究所 李晓敏 张杰 马毅

国产陆地观测卫星数据的海洋应用

● 文 |国家海洋局第一海洋研究所 李晓敏 张杰 马毅

自1999年10月14日成功发射中巴地球资源（CBERS）-01卫星以来，我国陆续发射了CBERS-02、CBERS-02B、环境（HJ）-1A/B、资源一号02C、资源三号、高分一号、高分二号、CBERS-04、高分四号等多颗陆地观测卫星，经过近20年的发展，目前初步形成了资源系列、环境系列、高分系列等多个卫星系列，已在国土资源调查、环境保护、防灾减灾以及测绘地理信息等行业应用中发挥了重要作用[1]。

由于国产陆地观测卫星数据的空间分辨率明显高于海洋卫星和气象卫星，同时兼具高重访周期和宽幅成像能力，可满足高精度、快速覆盖和大范围观测业务需求，因此在海洋要素的精细化调查和海洋过程的高时效监测中具有优势，目前这些卫星数据已广泛应用于海洋资源调查、海洋环境监测和海洋灾害应急等多个领域。

近年来，针对国产陆地观测卫星数据的海洋应用，国家海洋局第一海洋研究所（简称海洋一所）开展了大量的研究工作，本文主要介绍国产陆地观测卫星数据在海岛海岸带动态监测、近岸水体环境监测和海洋灾害过程监测中的应用情况，以期为国产卫星数据的推广应用和后续卫星的研发提供实践经验。

一、国产陆地观测卫星数据在海岛海岸带动态监测中的应用

由于国产陆地观测卫星数据具有国土覆盖度高、自主性强、重访周期短等优势，已在我国海岛海岸带资源环境动态变化监测中担当起重任，为我国海岛海岸带资源的合理开发利用和保护以及海岛海岸带的可持续发展提供了技术支撑和数据保障。然而，由于国产卫星发射较晚，历史上可用的国产卫星数据较少，因此在进行海岛海岸带动态变化监测时，多是采用联合使用国外与国产卫星数据的方式，历史上以国外卫星数据为主。进入21世纪以来，随着我国国产卫星数量的不断增多和数据质量的不断提升，逐渐转为以国产卫星数据为主。

1．国产高分辨率卫星数据在我国海岛海岸带区域应用评价

卫星数据的应用往往受制于遥感影像的定位精度和成像质量，为了更好地将国产高分卫星数据应用于海岛海岸带区域，海洋一所研究人员开展了资源一号02C、资源三号、高分一号、高分二号等国产高分卫星影像在我国海岛海岸带区域的定位精度评价、成像质量评价和地物识别能力分析。

选取典型海岛海岸带区域作为研究区，利用现场实测的地面控制点，对资源一号02C、资源三号、高分一号、高分二号等卫星影像的定位精度进行了评价[2-4]，结果表明：这些国产高分卫星影像均具有较高的定位精度，能够满足我国海岛海岸带遥感调查任务的需要；利用国外空间分辨率相当、频段设置近似的遥感影像，采用主观和客观评价相结合的评价方法，对上述卫星影像的成像质量进行了评价[5-7]，结果显示：这些国产高分卫星影像在海岛海岸带地物表现能力和地物细节信息方面相近于国外同类影像，具有较高的成像质量，达到甚至优于国外同等分辨率的卫星影像成像质量，能够很好地应用于海岛海岸带地物识别，在应用推广方面具有巨大的潜力。

2．海岛动态变化遥感监测

我国是一个海岛大国，泥沙岛是重要的海岛类型，由于其物质组成特点，在人类活动和海洋动力的共同作用下，岛体变化速率快，现场调查难以实现对其动态的监测。遥感技术具有大面积、同步、长时间序列、对同一区域可进行重复观测等优势，可不依赖于海域和地表状况进行长期、灵活的调查，通过不同时相遥感影像的叠加，可有效监测泥沙岛的动态变化过程。

海洋一所研究人员利用不同时相遥感影像对多个泥沙岛群和典型海岛进行了动态变化过程监测，为海岛的开发、保护与管理提供了数据支持。例如：利用2000—2013年逐年的CBERS 电荷耦合（CCD）影像和HJ-1 CCD影像，监测了长江口北支主要沙洲的发育、消亡以及并陆等演变过程[8]；利用1973—2004年的7期Landsat影像和2008—2011年逐年的HJ-1 CCD影像，分析了广东省罗斗沙岛的动态变化情况[9]；利用2008—2013年逐年的HJ-1 CCD影像，对河北省滦河口外泥沙岛群的动态变化开展了监测，分析了海岛数量、岸线长度和面积的变化情况及其原因[10]。

3．海岸线变迁遥感监测

海岸带是海洋和陆地的交汇地带，是人类最为密集、开发活动最为频繁、经济最为发达的区域。随着海洋经济的迅猛发展，海岸带区域港口建设、围海养殖等活动频繁，导致海岸线在不断变化。遥感与地理信息（GIS）技术相结合，能准确及时地监测海岸线的动态演变。

海洋一所研究人员利用历史上的Landsat影像和国产的CBERS、HJ影像，定量分析了我国沿海各省的海岸线变迁情况[11-19]；同时还对鸭绿江口、辽河口、珠江口等重要河口[20-23]和莱州湾、杭州湾、海州湾等典型海湾[24-28]的海岸线类型构成、时空变化特征及海岸开发方式等进行了系统研究，为海岸线资源的合理开发和可持续利用提供了科学支持。

4．滨海湿地遥感监测

滨海湿地是陆地生态系统和海洋生态系统的交错过渡地带，典型滨海湿地类型包括河口湿地、海湾湿地、澙湖湿地、红树林湿地、珊瑚礁湿地等，这些滨海湿地孕育了丰富的生物多样性，对近海渔业可持续发展和候鸟保护具有不可替代的重要作用。然而，受经济利益的驱使，人们对滨海湿地的过度开发使其发生了普遍且严重的退化，大面积的围填海是造成滨海湿地持续退化的主要原因。

河口湿地处于咸淡水生态系统交汇处，生态环境较脆弱，极易受到破坏。海洋一所研究人员以资源（ZY）-3、高分（GF）-1和GF-2为数据源，分别对黄河口、大沽河口、图们江口等河口湿地状况进行了精细遥感调查和变化监测分析[29-30]；利用1986、1995、2004年的Landsat影像和2012年的HJ-1影像，分析了辽宁省双台河口国家级自然保护区自建立以来芦苇和碱蓬湿地的退化状况，提出了保护和管理建议[31]；利用HJ-1A 超光谱成像仪（HSI）和GF-1 宽覆盖（WFV）影像，结合现场同步测量的典型植被地物光谱、盖度和地上生物量数据，建立了黄河口湿地主要植被类型芦苇、碱蓬和柽柳的盖度和生物量反演模型，为黄河口湿地生态评价、保护和利用提供了重要的基础数据[32-34]。

澙湖是海岸带上由滨外坝、沙坝或沙嘴与海洋隔开，或围栏河口或包络海湾的封闭、半封闭浅海水域，是一种特殊类型的滨海湿地。海洋一所研究人员使用1979、1990、2000年的Landsat影像和2010年的HJ-1影像，利用遥感和GIS技术对我国大陆海岸澙湖进行了遥感监测，首次调查统计了我国大陆海岸澙湖的名称、数量、分布、岸线长度和面积信息，并对近31年来我国大陆海岸澙湖的变迁状况进行了分析[35-36]。

红树林是自然分布于热带和亚热带海岸潮间带的木本植物群落，具有御风消浪、护堤护岸、护滩促淤和保护生物多样性等作用。我国的红树林自然分布介于海南的榆林港至福建福鼎的沙埕湾之间，人工种植北至浙江省乐清湾。海洋一所研究人员利用1990、2000年的Landsat影像和2010年的HJ-1影像，采用卫星遥感和现场调查相结合的方法，对我国的红树林资源状况进行了监测，并分析了其时空变化情况[37-38]。

5．海域使用遥感监测

随着经济的发展，人地矛盾突出，围填海已经成为缓解矛盾的主要方式。近30年来，沿海各省的围填海十分剧烈。海洋一所研究人员利用1990、2000年的Landsat影像、2008年的CBERS CCD影像，采用卫星遥感与现场调查相结合的方法，获取了广东省近20年来围填海的类型、面积、地理分布情况，并对不同时段的围填海结构组成、围填速度、围填海热点地区和驱动因素进行了分析[39]。

《海洋功能区划管理规定》指出：海洋功能区划批准实施两年后，县级以上海洋行政主管部门对本级海洋功能区划可以开展一次区划实施情况评估；遥感已成为海洋功能区划实施情况监测的主要技术手段，所获得的区划实施情况监测结果可为海洋功能区划修编提供重要基础数据，为合理开发利用海域提供决策支持。海洋一所研究人员以山东省青岛市海域为例，利用CBERS-02B CCD影像，提取海域使用现状，与海洋功能区划图件对比，分析了开发利用现状与功能区划的符合情况，对青岛市海洋功能区划实施情况进行了监测[40-41]；海洋一所研究人员以广东省6个主要海岛为例，利用CBERS-02B CCD影像，分析了海岛开发利用现状与功能区划的符合情况，进而监测了海岛功能区划的实施情况[42]。

二、国产陆地观测卫星数据在近岸水体环境监测中的应用

目前常用的水色卫星时间分辨率较高但空间分辨率较低，不利于近岸水体环境的业务化监测，而国产陆地观测卫星正朝着高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和立体观测的趋势发展，可以实现对近岸海域实时、长时间序列、大范围的监测，满足近岸水体环境高动态遥感监测的需求，已成为近岸水体环境监测的有效技术手段。

1．叶绿素a浓度遥感反演

我国于2008年9月6日发射的HJ-1A/B CCD具有30m的空间分辨率，A、B两星组网后的重访周期可达到2天，能够为水质业务化遥感监测提供数据源保障。海洋一所研究人员利用HJ-1 CCD数据，发展了适用于胶州湾海域的大气校正模型和叶绿素a浓度反演模型，并在此基础上，开发了能够用于业务应用的胶州湾叶绿素a浓度反演系统[43]；海洋一所研究人员基于该系统，利用HJ-1 CCD数据，揭示了2011年胶州湾叶绿素a浓度的空间分布格局和季节性变化特征，并就近岸水体水质业务化卫星遥感监测技术流程进行了探讨[44]。

2．悬浮物浓度遥感反演

海水中的悬浮物是重要的水质参数之一，利用遥感影像能获得大面积海域悬浮物浓度的资料，可以反映悬浮物浓度的空间分布态势和变化趋势，能够有效地在大尺度、长时间范围监测海域中悬浮物浓度的分布和动态变化。海洋一所研究人员基于CBERS-02BCCD影像频段设置情况，利用黄河口实测光谱及悬浮物浓度数据，建立了黄河口悬浮物浓度遥感反演模型，以期为河口附近海域的水质动态监测提供服务[45]。

3．浅海水深遥感反演

水深是保障船舶航行、进行海洋工程建设、制定近海相关规划的必要基础数据。利用多光谱遥感影像进行水深反演一直以来都是传统水深测图的有效替代手段，与现场测量手段相比，遥感反演具有大面积、低成本、快速成图的特点，特别是对于测量船只无法抵达的区域，遥感反演甚至可能是获取水深资料的唯一可行手段。海洋一所研究人员使用2013年的ZY-3卫星多光谱影像、全色和多光谱融合影像，开展了西沙永兴岛周边水深遥感反演对比实验（见图1），结果表明，融合影像的水深反演精度较多光谱影像反演结果略有下降，但由于融合影像的空间分辨率比多光谱影像更高，因此融合影像的反演结果仍可用于大比例尺水深制图。

三、国产陆地观测卫星数据在海洋灾害过程监测中的应用

我国现有的陆地卫星观测系统，可以满足不同需求条件下的时间分辨率、成像覆盖能力要求[46]，例如：HJ-1A/B星组网，能满足灾害应急监测的需要；资源卫星与环境卫星配合，能满足日常业务监测的需要。

1．绿潮灾害遥感监测

2008年5月，青岛沿海及临近海域大范围、高密度聚集爆发了迄今为止我国近海面积最大、危害最为严重的一次绿潮灾害。绿潮灾害的大规模爆发破坏了滨海景观，对海洋生态环境可能产生不良的影响。同时，对2008年青岛奥帆赛的正常举行也构成了威胁，引起了社会各界的广泛反响和密切关注[47]。

自2008年以来，在每年的青岛绿潮爆发期间，海洋一所遥感室都对青岛沿海及临近海域的绿潮灾害过程进行遥感监测。HJ-1 CCD影像，因其空间分辨率较高（30m）且重访周期短（2天），能够精确地估算绿潮灾害面积，是进行绿潮灾害遥感监测的主要数据源。利用HJ-1 CCD数据，采用归一化差值植被指数方法提取绿潮信息，在ArcGIS中制作绿潮遥感监测专题图，完成绿潮遥感监测报告，进行绿潮影响范围和影响面积的评估，进而评价绿潮灾害程度，为管理部门开展绿潮治理工作提供了数据支持。

以2010年青岛近海爆发绿潮为例，应用2010年5月12日—7月29日的HJ-1 CCD影像开展了青岛近海绿潮灾害过程遥感监测。通过影像解译：5月12日绿潮在青岛附近海域还未出现，6月20日的影像显示青岛南部海域分布有大面积的绿潮，其在6月下旬持续存在，7月9—29日的影像显示绿潮面积在逐渐减小。

2．海冰冰情遥感监测

每年冬季，我国渤海海区都会有海冰生成，渤海海冰冰情监测对沿海养殖、港口和油井等具有重要意义。海洋一所遥感室每年冬季都对渤海海冰冰情进行跟踪监测，逐年记录渤海海冰发展变化的特点，为建立完备的渤海海冰档案和实现渤海海冰业务化遥感监测提供了数据支持，为相关行业管理提供了决策依据。

以2009—2010年冬季渤海冰情监测为例，利用CBERS CCD和HJ-1 CCD影像进行了持续的跟踪监测，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），基于此详细描述了2009—2010年渤海海冰的发展历程，并对辽东湾、渤海湾和莱州湾的冰情进行了对比研究，分析了渤海海冰的特性。

通过影像解译发现：2009年12月29日，渤海海冰主要出现在辽东湾湾底，分布比较稀疏；2010年1月15日—2月13日，渤海海冰冰情非常严重，辽东湾已经完全冰封，海冰覆盖面积和海冰密集度都在逐渐增加；2010年3月9日，随着气温的上升，海冰已经逐渐融化，覆盖范围不断减小，冰边缘变得模糊（见图2）。对比三个海湾的海冰冰情，以辽东湾冰情最重，渤海湾次之，莱州湾最轻；辽东湾海冰持续时间长，影响范围广，冰情严重；而渤海湾和莱州湾的海冰蔓延范围变化较大，尤以莱州湾为甚。

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