海岸带遥感研究现状及发展趋势分析

姜 璐，余 静,2* ，张宝路

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100；2.教育部人文社会科学重点研究基地中国海洋大学海洋发展研究院，山东 青岛 266100；3.自然资源部海洋咨询中心，北京 100071)

海岸带作为海陆交汇地带，拥有丰富的、高生产力的生态系统，同时也是物理、化学、生物和地质构造等各种过程的强耦合区域[1-2]。我国海岸带区域面积约占国土面积的14%，聚集了50%左右的人口，产生60%左右的国内生产总值[3]。在全球气候变化和人类活动的双重作用下，我国海岸带地区面临着生态系统功能下降、自然岸线损失和沿岸水质恶化等问题[4]。2018年海洋生态环境状况公报显示，在所监测的海岸带生态系统中，76.2%处于亚健康或不健康的状态，全国入海河流水质总体情况为轻度污染，未达到良好水平。我国亟需对海岸带地区实施监测，满足海岸带规划管理的需要，实现海岸带地区的可持续发展[5]。

海岸带地区频繁的人类活动和生态环境的脆弱性，使其面临巨大的生态环境压力，对区域监测、管理需求明显增加[6]。遥感技术是人类监测、管理地球生态环境和资源的重要空间手段[7]，在海岸带生态系统、沿岸水质、土地利用变化、海岸线和规划管理等方面的研究中得到广泛的应用[8-11]。作为一种远距离观测技术，遥感具有覆盖范围广和数据获取周期短等特点，在空间范围广和变化速度快的海岸带地区具有独特优势和发展前景[2]。因此，及时、准确地了解海岸带遥感研究进展和演变趋势，掌握领域内研究前沿，对于推动我国海岸带遥感研究进程和促进我国海岸带生态系统研究和管理、海岸带规划与利用具有重要意义。

文献计量学是一门综合数学、统计学、文献学，量化知识载体的交叉学科[12]。文献计量学通过梳理统计的方法定量描述文献信息，揭示学术活动特征，为把握领域内研究现状和发展趋势，了解前沿热点提供重要的参考依据[13-14]。早期文献计量学的方法主要被用于情报学和图书馆学的研究中。但随着研究的推进，这一研究方法已被广泛地应用于多学科领域的发展现状和规律探索中[7]。在遥感研究中，文献计量分析已被应用于无人机生态遥感、林火遥感和碳排放遥感等领域[15-17]，而关于海岸带遥感研究的文献计量分析较少。

本文基于Web of Science核心合集数据库，检索和筛选与海岸带遥感主题相关的文献。通过文献计量评价和知识图谱分析，从发表基本情况(文献发表趋势、期刊分布、国家/地区分布、研究机构分布和作者分布)、科研合作和研究内容聚焦及主题演变等几个维度系统地分析海岸带遥感领域研究现状及发展趋势，以期为海岸带遥感研究提供借鉴和信息参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文以Web of Science核心合集数据库为数据源，数据信息包括文献的全记录与参考文献。检索日期为2020年5月29日，检索条件为topic=coast* and“remote sensing”，文献类型为“Article”。根据Web of Science核心合集数据库的检索规则，该检索条件能够覆盖与主题相关的主要文献信息[14,18]。经过去重处理后最终得到该领域1990—2019年发表的6 083篇文献，以此作为分析研究的样本数据。

1.2 研究方法

本文主要从文献发表基本情况、科研合作和研究内容聚焦及主题演变3个维度进行研究。从文献发表趋势、期刊分布、国家/地区分布、研究机构分布和作者分布角度来分析文献发表基本情况，并采用文献计量研究中常用的H指数来衡量学术影响力[19]。知识图谱是一种利用可视化技术将隐藏的信息以网络或其他图形展示出来的方法，可以直观、形象地表达研究对象之间的关系[20]。分别从国家、机构和作者3个层面绘制合作网络来揭示海岸带遥感相关研究的科研合作情况。其中，中介中心性数值的大小指示节点在合作网络中的重要性[21]。通过文献共被引分析、高被引文献分析和关键词突变检测分析来探究该领域研究内容聚焦及主题演变。合作网络的绘制、文献共被引分析和关键词突变检测分析主要通过CiteSpace软件实现。

2 文献发表基本情况分析

2.1 文献发表趋势分析

文章发表数量在一定程度上反映了对某一研究领域的重视程度[22]。本研究对1990—2019年共30年海岸带遥感相关研究的逐年发文量进行统计，结果如图1所示。近30年该领域的发文量在整体上呈现指数增长趋势。大致可分为3个阶段：1990—1995年为该领域发文量较少及缓慢增长的时期；1996—2010年为该领域发文量平缓上升时期；2011—2019年为该领域发文量快速增长的时期。1990年该领域的发文量仅为4篇，2002年超过100篇，2019年已达到646篇。年度发文量的持续增加，表明学术界对海岸带遥感研究的重视程度不断加深。

图1 文献发表时间分布情况Fig.1 Time distribution of articles published per year

2.2 期刊分布情况

学术期刊是发布科研成果的重要载体，也是科研成果获得关注的重要窗口[23]。该领域的研究成果共发表于799种期刊，其中372种期刊仅发表1篇文献。文献发表数量前10名的期刊相关信息见表1。RemoteSensingofEnvironment、RemoteSensing和InternationalJournalofRemoteSensing是文献发表数量排名前3位的期刊，总文献发表数量为1 043篇，占总发文量的17.15%。RemoteSensingofEnvironment是公认的遥感领域最具权威性的期刊之一，同时拥有最高5年影响因子和H指数，说明该期刊及其所发表的海岸带遥感领域的论文具有较高的学术影响力。而RemoteSensing虽然拥有较高的文献发表数量和影响因子，但是H指数偏低，仅为第六名，说明在该期刊发表的相关文献的影响力有待提升。从期刊出版地的情况来看，有5种期刊的出版地位于美国，3种位于英国，表明发达国家在该领域的研究中占据优势地位。

表1 海岸带遥感领域文献发表数量排名前10的期刊Tab.1 Top 10 most productive journals in the research field of remote sensing

2.3 国家/地区分布情况

6 083篇论文的作者来自于全球133个国家/地区。发文量前10名的国家信息如表2所示，排名前3位的国家分别为美国、中国和英国。美国的发文量和H指数排名均为第一，说明美国在海岸带遥感领域拥有领先的科研实力和学术影响力。中国作为该领域发文量增长最快的国家(图2)，总发文量为1 082篇，但H指数仅为53，低于美国和英国。英国虽然仅为426篇，但拥有较高的H指数，说明英国在海岸带遥感领域的学术成果拥有较强的影响力。从图2可以看出，2019年中国发文量首次超过美国，表明中国在海岸带遥感领域的科研实力不断增强，跻身世界前列。值得关注的是在前10名的国家中有8个发达国家，发表论文数量超过总数的70%。正如对期刊发表情况进行分析时提到的，发达国家在海岸带遥感领域占据主流地位。发展中国家如中国和印度虽然进步较快，但是相较美、英等发达国家在科研实力和学术影响力方面仍有较大差距。

表2 海岸带遥感领域文献发表数量排名前10的国家Tab.2 Top 10 productive countries in the research field of remote sensing

图2 海岸带遥感领域发文量前10名国家文献年发表情况Fig.2 Top 10 most productive countries per year in the research field of remote sensing

2.4 研究机构分布情况

研究机构是进行科研工作和形成优秀科研成果的重要平台[24]。共有4 569所机构参与海岸带遥感的研究工作，其中约64.06%的科研机构发文量仅为1篇。由表3可知，排名前10的研究机构全部来自中国和美国，说明中美两国在该领域已经形成了一批拥有较强科研实力的科研机构。中国科学院是该领域发文量最高的科研机构，紧随其后的是美国国家航空航天局和美国国家海洋与大气管理局。但是，从各机构H指数来看，中国的科研机构的H指数偏低，需要进一步加强科研成果的影响力。

表3 海岸带遥感领域文献发表数量排名前10的研究机构Tab.3 Top 10 most productive institutions for journal publications in the research field of remote sensing

2.5 作者分布情况

领域内的作者是科研工作的承担者，是推动该领域科研进步的重要力量[25]。海岸带遥感领域发文作者如表4所示。发文量排名第一的Hu C M，拥有最高的H指数，来自美国南佛罗里达大学。另一位来自该机构的作者Muller-Karger F E，发文量排名第9名。印度泰米尔纳德邦金奈海洋工程部海洋光学与成像实验室的Shanmugam P和中国地质大学的Chen J分居第2和第3名。发文量前10的作者中，来自发达国家和发展中国家的研究机构的作者均为5名，但是值得关注的是来自发达国家科研机构的作者通常拥有较高的H指数，这种现象说明来自发展中国家研究机构的作者的学术成果的影响力相对较低。因此，应在重视科研成果数量的同时，也应注重提升其影响力。

表4 海岸带遥感领域文献发表数量排名前10的作者Tab.4 Top 10 most productive authors for journal publications in the research field of remote sensing

3 合作网络分析

科研合作可以汇集科学研究需要的知识、技能和能力，实现多学科合作以解决复杂科研问题[26]。为更加清晰地认识海岸带遥感领域的合作现状，运用CiteSpace软件分别绘制国家、机构和作者层面的合作网络。时间跨度设定为1990—2019年，时间切片设定为1。由于文献数量较多，为避免网络过于复杂而导致图谱的解读困难，对合作网络采用最小生成树对网络进行裁剪，结果如图3至图5所示。

图3 海岸带遥感领域国家合作网络Fig.3 Collaboration network of countries in the research field of remote sensing图中圆圈和字号大小代出现频次，圆圈和字号越大代表该国家出现的频次越高。图中涉及国家包括:中国(P R CHINA)、美国(USA)、英国(ENGLAND)、德国(GERMANY)、澳大利亚(AUSTRALIA)、意大利(ITALY)、印度(INDIA)、日本(JAPAN)、比利时(BELGIUM)、波兰(POLAND)、瑞典(SWEDEN)、瑞士(SWITZERLAND)、南非(SOUTH AFRICA)、埃及(EGYPT)、马来西亚(MALAYSIA)、法国(FRANCE)、墨西哥(MEXICO)、希腊(GREECE)、加拿大(CANADA)、巴西(BRAZIL)、挪威(NORWAY)、芬兰(FINLAND)、俄罗斯(RUSSIA)、葡萄牙(PORTUGAL)、韩国(R O KOREA)、土耳其(TURKEY)、西班牙(SPAIN)、爱莎尼亚(ESTONIA)、荷兰(NETHERLANDS)。

图4 海岸带遥感领域机构合作网络Fig.4 Collaboration network of institutions in the research field of remote sensing中国科学院(Chinese Academy of Sciences,Chinese Acad Sci)、美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)、美国国家海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)、佛罗里达州立大学(Florida State University，Univ S Florida)、国家海洋局(State Oceanic Administration,State Ocean Adm)、美国地质调查局(US Geological Survey,US Geol Survey)、美国海军(United States Navy,USN)、加州理工学院(California Institute of Technology,CALTECH)、马里兰大学(University of Maryland,Univ Maryland)、俄勒冈州立大学(Oregon State University,Oregon State Univ)、武汉大学(Wuhan University,Wuhan Univ)、浙江大学(Zhejiang University,Zhejiang Univ)、南京大学(Nanjing University,Nanjing Univ)、中国海洋大学(Ocean University of China,Ocean Univ China)、中国地质大学(China University of Geosciences,China Univ Geosci)、意大利国家研究委员会(Italian National Research Council,CNR)、普利茅斯海洋实验室(Plymouth Marine Lab)、马萨诸塞大学(University of Massachusetts，Univ Massachusetts)、加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego,Univ Calif San Diego)。

图5 海岸带遥感领域作者合作网络Fig.5 Collaboration network of authors in the research field of remote sensingCHUANMIN HU(Hu C M)、PALANISAMY SHANMUGAM(Shanmugam P)、ZHONGPING LEE(Lee Z P)、YUNMEI LI(Li Y M)、DEYONG SUN(Sun D Y)、ZHONGFENG QIU(Qiu Z F)、JUN CHEN(Chen J)、TINGWEI CUI (Cui T W)、DELU PAN(Pan D L)、LIQIAO TIAN(Tian L Q)。

国家合作网络如图3所示。美国是发文量最多的国家，同时具有最高的中介中心性(0.41)，说明美国在整体合作网络中占据重要地位，与其他国家合作广泛。另外，英国、法国、德国、澳大利亚和日本与其他国家合作较为紧密，具有较高的中介中心性，分别为0.21、0.18、0.21、0.15和0.12。但是中国和印度的中介中心性均属偏低水平，分别为0.03和0.07，说明两国与其他国家合作不紧密。科研合作对形成高质量的科研成果，提升学术影响力具有积极的促进作用。因此，发展中国家可以通过加强国际合作提升科研成果的质量及其影响力。

机构合作网络如图4所示。虽然中国科学院是发文量最大的科研机构，但是中介中心性仅为0.09，低于美国国家航空航天局(0.16)和美国国家海洋与大气管理局(0.12)。因此，应进一步加强与其他研究机构的合作，提升科研水平。从机构合作网络的整体情况来看，中美两国均形成了规模较大的研究机构网络。中国的科研机构主要包括中国科学院、中国地质大学、国家海洋局、中国海洋大学、浙江大学、武汉大学和南京大学等。美国的科研机构主要包括国家航空航天局、国家海洋与大气管理局、南佛罗里达大学、加州理工学院、地质调查局和美国海军等科研机构。由图4可以看出，美国的机构合作网络较中国更为紧密；根据节点中介中心性的统计结果，发文量相当的科研机构，美国的科研机构往往具有更高的中介中心性，说明美国的科研机构在机构合作方面更加活跃，与其他机构之间合作更加密切。

图5为作者合作网络。该网络中的最大节点为来自美国南佛罗里达大学的Hu C M教授，同时也拥有最高的中介中心性为0.03。但是，总体来说不同作者之间的合作紧密程度较低，作者之间的合作有待于进一步加强。

4 研究内容聚焦及主题演变

文献的共被引分析可以提炼某领域内研究主题的发展历程[27]。高被引文献一定程度上反映了一个领域的研究前沿[28]。关键词作为一篇文章主题的高度概括，常用来确定一个研究领域的热点问题[29]。

文献共被引网络中外圈为紫色的节点位于共被引网络的核心位置，具有较高的中介中心性，为连接不同研究主题的关键文献。根据聚类结果，O’Reilly等1998年在JournalofGeophysicalResearchOceans期刊发表的“Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS”一文具有最高的中介中心性(0.30)[30]，同时也是该领域被引频次最高的文献(表5)。根据文献共被引分析中的聚类功能，得到以关键词作为标签的海岸带遥感领域文献共被引聚类网络的Q值为0.775 4，S值为0.572 2。一般而言，当Q值大于0.3时，表明网络结构是显著的，当S值大于0.5时，表明聚类结果是合理的[40]。经过对与整体网络连接不紧密的较小聚类去除处理后，共被引网络共形成10个较大的聚类。该领域形成了清晰的知识组群划分和研究主题的时间演变趋势。平均年份可以判断聚类中引用文献的远近，距离近的文献主题可视为当前研究的前沿。根据聚类平均年份从远及近对聚类进行排序：光合作用(photosynthesis)、色素吸收系数(pigment absorption coefficient)、长期生态研究(long-term ecological research,LTER)、中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型(modtran)、生物光学模型(bio-optical modeling)、海岸带(coastal)、海草(seagrass)、固有光学量(inherent optical properties)、红树林(mangrove)和遥感反射(remote sensing reflectance)。

对文献共被引聚类结果进行梳理总结，并分析海岸带遥感文献被引情况(表5)和关键词突变情况(表6)，发现海岸带遥感研究内容主要聚焦于水色、海岸线、土地利用/覆盖、生态系统监测、灾害和城市化等方面。

表5 海岸带遥感领域被引频次前10的文献Tab.5 Top 10 most cited documents in the research field of remote sensing

续表

表6 基于CiteSpace的关键词突变检测词表Tab.6 Burst detection of keywords based on CiteSpace

①水色。水色是海岸带遥感研究的重要方向。早期研究主要对沿岸藻类等水生植物的色素吸收系数、固有光学特性和生物光学模型等内容进行探讨[32,41]。其中，海岸带水色扫描仪(coastal zone color scanner，CZCS)、宽视场水色扫描仪(sea-viewing wide field sensor，SeaWiFS)、中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)等传感器被应用于海岸带水色遥感中[30]。近年来，由于沿海地区社会经济快速发展及气候变化等因素的影响，海岸地区水质严重下降，赤潮频发，迫切需要进一步提升相关遥感技术以适应海岸水色监测需求，实现海岸带地区水环境的可持续发展。

海岸带是海陆交接地带，而水色传感器与陆地资源传感器在光谱与空间分辨率等方面存在显著差异。主要表现为相较于陆地资源传感器，水色传感器的光谱波段较窄，空间分辨率较低。在光谱方面，水色传感器相较于陆地传感器具有波段数多和光谱窄的特点。水色传感器的光谱范围一般为400～900 nm，光谱不同的波段范围对应不同的用途[42]。例如，地球静止海洋水色成像仪(geo-stationary ocean color imager，GOCI)以412 nm作为中心波长的波段能够很好地区分藻类与腐败物(黄色物质)，而近红外的两个通道(745 nm和865 nm)主要用来校正大气效应[43]。在空间分辨率方面，水色传感器如SeaWiFS、MODIS和GOCI等为海岸带水色研究提供了较高质量的数据，但是较低的空间分辨率使其在空间复杂的海岸带地区的适用性受到了限制[42,44-47]。以GOCI为例(表6)，其空间分辨率为500 m[44]，而海岸带土地利用/覆盖产品分辨率范围一般为30～300 m，Quickbird和Wordview等遥感产品的空间分辨率甚至达到了亚米级[8,48]。虽然为适应海岸河口等区域的小尺度研究需求，搭载无人机的多光谱传感器已经被开发应用[49]，但是水色传感器分辨率仍需进一步提升，以满足复杂的海岸带水体监测需求。

②海岸线。运用遥感技术对海岸线实施监测是早期海岸带遥感的重要内容[50]。近年来，遥感以其覆盖范围广和数据获取成本低等优势，在海岸线探测、提取、监测和海岸类型识别等方面获得更加广泛的应用[51-52]。目前，在海岸线提取中运用的数据源较多，如Landsat系列影像[53]和合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)影像[54]等。海岸线的提取工作多采用边缘提取算子、归一化水体指数和修复归一化水体指数进行水陆数据分离后，利用轮廓边界跟踪技术进行岸线提取，在此基础上通过人工目视解译确定其类型。与水色遥感类似，目前基于遥感技术的海岸线提取与分类一定程度上仍受数据空间分辨率的影响，高空间分辨率遥感影像有助于提升海岸线提取精度。

③土地利用/覆盖。海岸带土地利用/覆盖变化一直是学术研究的热点[55-58]。与地理信息系统(geographic information system，GIS)相结合的遥感技术已经被作为有效的工具广泛应用于土地利用/覆盖变化中[36]。随着对监测精度需求的提升，Quickbird、Worldview和无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)等高分辨率影像被广泛应用于海岸带土地利用/覆盖分类研究中[59]。

④生态系统监测。长期生态研究是早期海岸带遥感的重要应用领域，对认识海岸带生态功能过程及其驱动因素具有重要的指导意义[60]。随着生态系统服务等概念的提出，海岸带生态系统对人类社会的积极作用被更加清晰地认识到。红树林、海草等海岸带生态系统为海岸带地区的可持续发展提供了固碳和维持生物多样性等重要服务。但是，随着海岸带开发利用活动日益频繁和生态系统功能遭到破坏，对海岸带生态系统监测工作提出了更高的要求。运用遥感产品(如Landsat数据和Quickbird数据)对海岸带生态系统进行监测和识别，丰富了生态系统监测的相关内容[61-62]。

⑤灾害。海岸带地区既是社会经济发达的区域，也是灾害频发的区域。海啸、风暴潮和台风等灾害的发生对海岸带生态系统及居民生命财产安全造成严重威胁[63-64]。运用遥感技术对海啸[65]、风暴潮[66]和台风[67]等自然灾害进行全面系统的调查、监测、预警，对于海岸带防灾减灾和海洋经济的发展都具有重要意义。

⑥城市化。利用遥感技术进行城市化研究是近年来海岸带遥感领域新的研究热点[68]。海岸带地区是城市分布最为密集的区域。使用遥感技术探究城市扩张及影响城市化水平的因素(如经济发展水平和城市规划等)是海岸带地区城市化研究的重要内容[69-71]。遥感技术在海岸带城市化研究中的应用，将为海岸带城市发展规划和地区经济可持续发展提供科学依据。

总体来看，海岸带遥感领域的主题演变和发展趋势具有以下几个方面的特点：在空间上，由沿岸水域监测向海陆监测并重演变；在时间上，偏重于时间序列分析及动态变化；在研究领域方面，随着遥感技术的发展和遥感数据的普及，海岸带遥感领域研究的热点和前沿不仅局限于自然科学领域，也涵盖社会科学领域；海岸带遥感技术和方法的改进及创新，为海岸带领域的相关研究提供了重要的技术支持。

5 结论与展望

本文基于Web of Science核心合集数据库，科学计量海岸带遥感领域于1990—2019年发表的6 083篇文献，从发表基础情况、合作关系和研究内容聚焦及主题演变等几个维度对海岸带遥感研究现状及发展趋势进行分析，得到如下结论并展望：

(1)海岸带遥感的研究活跃度逐年持续上涨，且在2010年之后呈现较为明显的增速发展趋势；海岸带遥感领域发文量较多的地区多为沿海地区，发达国家在该领域研究中占据主流地位；RemoteSensingofEnvironment拥有最高的发文量、影响因子和H指数，是海岸带遥感领域的权威期刊。大部分发文量较高的国家、研究机构以及作者的H指数偏低，说明该领域的科研成果仍需增强学术影响力。

(2)海岸带遥感领域在国家、机构和作者层面均已经形成了一定规模的合作网络，在整个合作网络中占据核心地位的国家、机构和作者分别为美国、美国航空航天局和Hu C M。相比于发达国家，中国、印度等发展中国家对外合作程度较低，需要进一步提升国际合作水平；中、美两国的科研机构均形成了规模较大的合作网络，但中国科学院作为发文量第一的科研机构，在合作方面弱于美国航空航天局和海洋与大气管理局等科研机构。因此，发展中国家及其科研机构应进一步推动科研合作。

(3)海岸带遥感研究主题逐渐呈现多元化的趋势，研究内容主要聚焦于水色、海岸线、土地利用/覆盖、生态系统监测、灾害和城市化等方面。海岸带遥感研究应继续瞄准海岸带地区面临的问题，不断提高数据精度与范围，为解决复杂问题提供技术支撑。遥感技术不仅要应用于自然科学的相关领域，也应更多地服务于海岸带经济、管理等社会科学领域的研究工作，实现海岸带区域合理化规划管理以及社会经济可持续发展。