微波遥感学报

或许可以考虑如下两类：TN 无线电电子学,电信技术1．电子学报 2.中国激光 3.半导体学报 4.通信学报 5.电子与信息学报 6 .光电子、激光 7.电子科技大学学报 8.激光杂志 9.激光技术 10.西安电子科技大学学报 11.红外与毫米波学报 12.量子电子学报 13.应用激光 14.系统工程与电子技术 15.电子技术应用 16.半导体光电 17.激光与红外 18.电信科学 19.半导体技术 20.固体电子学研究与进展 21.现代雷达 22.信号处理 23.电波科学学报 24.电视技术 25.压电与声光 26.北京邮电大学学报 27.激光与光电子学进展 28.红外与激光工程 29.电路与系统学报 30.光电工程 31.光通信研究 32.微电子学 33.通信技术 34.光通信技术 35.液晶与显示 36.微波学报 37.广播与电视技术 38.真空科学与技术学报 39.数据采集与处理 40.红外技术 41.电子元件与材料TP 自动化技术,计算机技术1.计算机学报 2.软件学报 3.计算机研究与发展 4.自动化学报 5.计算机科学 6.控制理论与应用 7.计算机辅助设计与图型学学报 8.计算机工程与应用 9.模式识别与人工智能 10.控制与决策 11.小型微型计算机系统 12.计算机工程 13.计算机应用 14.信息与控制 15.机器人 16.中国图象图形学报.A版 17.计算机应用研究 18.系统仿真学报 19.计算机集成制造系统-CIMS 20.遥感学报 21.中文信息学报 22.微计算机信息 23.数据采集与处理 24.微型机与应用 25.传感器技术 26.传感技术学报 28.计算机应用与软件 29.微型计算机 30.微电子学与计算机

黄文星1，2万荣胜1，2

（1.广州海洋地质调查局 广州 510760；2.国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州 510760）

第一作者简介：黄文星（1985—），硕士，助理工程师，主要从事遥感地质和构造地貌研究，Email:。

摘要 近几十年来，随着沿海经济的发展，环境问题突出，海岸带环境地质问题得到越来越多的重视。卫星遥感以其实时、快速、高效的特点在海岸带环境地质调查中得到广泛应用。这些应用包括海岸带类型划分、岸线提取、近岸水深探测以及近岸悬浮泥沙、海表温度（SST）盐度（SSS）、叶绿素浓度反演等环境地质内容。本文简要介绍这些应用的主要原理方法和不足。

关键词 卫星遥感 海岸带 环境地质调查

1 前言

海岸带是海陆交互作用的地带，同时也是人类生存和发展的重要区域。由于自然环境的变化和人类活动的干扰，海岸带地区环境地质问题日益突出，主要表现为海平面上升、海水倒灌、地面沉降、海岸侵蚀、风暴、赤潮等，因此，进行海岸带环境地质调查具有重要意义。

卫星遥感是20世纪60年代发展起来的新技术，具有宏观、快速、动态、综合的特点。目前已经在海岸带地质调查中广泛应用——近岸水域地形地貌探测、海岸类型识别、岸线变迁历史、滩涂演变过程、岛礁分布、航道变迁、海面温度分布、海水盐度分布、海水悬移质及叶绿素分布、海流及波浪状况等［1］。本文主要介绍海岸带类型划分、岸线提取、近岸水深探测以及近岸悬浮泥沙、海表温度（SST）盐度（SSS）、叶绿素浓度反演等的原理方法和存在问题。

2 海岸带类型调查

海岸带类型是海岸带环境地质调查的基本内容之一。不同的海岸带类型具有不同的物质组成、形态特征和空间分布特点，一般可以通过卫星影像中的色调、形状、纹理、阴影，以及与相关地物的空间配置关系进行识别。

砂质海岸表层砂体干出地表时，对可见光具有很强的反射作用，一般呈亮白色；靠近水体，随着含水量的增加，对近红外波段的反射强度快速减弱，呈暗色调；空间配置上，砂质海岸一般地形较为开阔平坦，往往分布在砂质来源丰富、侵蚀作用相对较弱的河口和海湾附近。泥质海岸主要的物质成分为淤泥和粉砂，一般含水量较高，对近红外波段的反射较弱，影调偏暗，多分布于封闭海湾和潮滩。基岩海岸一般位于岬角位置，多为陆上山脉向海的延伸，与海分界截然，纹理色调与岩性、地貌和覆盖的植被有关。

实际调查发现，不同海岸类型有相互交叉的情况。以海南文昌铜鼓岭石头公园附近的海湾为例（图1），该区高潮位-中潮位间，表层砂质覆盖；中潮位-低潮位，大量的基岩礁石出露，这为海岸带类型的定性带来很大的困难，进一步的精细划分对遥感影像的分辨率和时相（低潮位）提出了更高的要求。

图1 海南文昌石头公园附近的海湾

A bay near by the Stone Park in Hainan Province

3 岸线提取

岸线调查也是海岸带环境地质调查的基本内容，通过解译多个时相的岸线，可以研究岸线的变迁演化历史，对分析海平面升降、港口淤积、航道淤塞等具有重要作用，同时也可以为区域经济环境规划提供参考。

一般情况下，在遥感影像中，海水和陆地的分界线是非常明显的，这条线我们称之为水边线（图1）。水边线是动态变化的，随着潮水涨落，与影像的获取时间有关。而海岸线是多年平均大潮高潮所形成的海水与陆地分界的痕迹线。

基岩海岸和人工海岸，岸线陡直，在出图精度容许的情况下，可以直接将水边线作为岸线。砂质海岸和泥质海岸，海岸地势平缓，延伸宽广，水边线与岸线往往有较大的偏差，一般不能直接将水边线作为岸线。这种情况下，往往采用沙滩泥滩与陆生植被的分界线作为岸线（图1）。在大型河口和三角洲附近，岸滩开阔，地物复杂，识别与陆生植被的分界难度较大，有学者［2］提出潮汐模型的方法进行岸线识别。其基本思路是：首先，提取同一地区多个时相的遥感影像的水边线；然后通过潮汐模型或者当地实测的验潮数据，推算出各个时相水边线的高程值，并以此构建研究区海岸带的地形数据；最后依据潮汐模型或者验潮数据推算最大高潮线的位置，即岸线。当前潮汐模型方法面临的主要问题是海岸带的地形资料缺乏，影像数据不多，精度检验困难等。

为了提高遥感影像的解译效率，近年来，有研究者尝试进行岸线的自动识别。识别的算法主要有阈值法、边缘检测算子法、主动轮廓模型方法、面向对象法、马尔科夫场方法等［3］，目前岸线自动识别技术尚处于探索阶段。

4 近海水深调查

传统上水深调查多依靠声纳回声测量，然而，海岸带附近水深较浅，波浪潮汐作用强烈，利用船舶进行声纳水深测量难度大，遥感是一个很好的补充手段。

当前应用卫星遥感进行水深调查，主要有两种方法：微波遥感和光学遥感。

微波对海水的穿透能力非常有限，只能达到厘米级，不能直接探测海底地形，但海流与水下地形的相互作用会使海表产生起伏（海浪），而微波遥感对海浪形态的测量具有很好的效果，也就是说，微波遥感可以通过测量海浪形态来反推海底地形。这种方法在实际应用过程中受海流和海风的方向、速度的影响较为明显［4］，并且探测的深度有限［5］。

可见光对水体具有一定的穿透力（10～30米），假如水体足够清澈，太阳辐射可以到达浅水区底部，并反射回传感器，传感器接收的亮度信息中包含了水深信息。当前应用光学遥感进行水深反演的方法主要有三种［6，7］：一是纯理论模型，主要依据遥感水深的原理和水体光谱特性进行理论计算，这种方法的主要问题是水体光学参数难以获取，且计算过程复杂，目前难以推广使用；二是数学统计模型，将实测的水深数据与遥感影像的灰度值进行统计分析，拟合出方程曲线，再外推计算水深值，这种方法简单易行，但影像灰度值与水深的相关度不能保证，计算结果往往不理想；三是半经验半理论模型，主要通过简化理论模型结合统计数据进行模拟计算，这种方法集合了前两种的优点，是目前使用较多的方法。

目前，光学遥感用于水深调查，在清澈水体已经取得一定的进展，对近岸浑浊水体还处在探索阶段，其关键的技术难题在于如何减轻悬浮物质和底质（底泥）颜色对水深反演模型的影响［6］。

5 近岸水环境调查

近年来，随着沿海社会经济的发展，海岸带环境问题愈加突出，海岸带的地质调查也相应地增加了近岸水环境调查的内容［1］，如：近海悬浮泥沙调查、海表温度（SST）、盐度（SSS）和叶绿素浓度等，卫星遥感在这些项目的调查中同样发挥着重要作用。

近岸海水悬浮泥沙遥感

水体中悬沙含量的时空分布是分析河口海岸的冲淤变化、估算河流入海物质通量和研究海洋沉积速率的重要参数。因此，对海水悬浮泥沙的调查具有重要意义。

目前，应用卫星遥感进行悬浮泥沙定量反演最为常用的是经验模式——建立野外实测数据与遥感反射率或者归一化离水辐射率之间的关系。常见的关系式有：线性关系、对数关系、Gordon关系、负指数关系等。其主要的依据是悬沙水体的波谱反射曲线具有如下特征：一般情况下悬沙水体的反射率，随着悬沙浓度的增大而增大；悬沙的波谱曲线有黄光波段和近红外波段两个反射峰［8］，在悬沙浓度较低时，第一个峰高于第二个峰，随着悬沙浓度的增加，第二个峰增加，并最终略高于第一个峰［9］。

然而，悬沙水体的反射不只与悬沙的浓度有关，还与悬沙的颗粒大小、种类和形状等有关，因此，上述构建的关系模式在推广应用中往往有很大的局限性。研究更具有可操作性和普适性的水体悬沙遥感算法，需要有更多的标定、检验和发展分析模型。

近岸海水表层温度反演

目前在全球海水表层温度（SST）调查中常用的数据源为AVHRR和MODIS，但是由于这两个数据的空间分辨率均为千米级，不能满足大比例尺近岸海温调查的要求。TM和ETM+的热红外波段具有较高空间分辨力（分别为120米和90米），在近海的海水表层温度调查中得到广泛应用，并取得不错的效果［10-13］。

利用陆地卫星做海水表层温度反演的难点主要在于大气校正，因为TM和ETM+数据只有一个热红外波段，无法通过不同波段对大气的吸收和发射率的差异来构建大气校正方程，而同步实测的大气轮廓线数据和辐射传输模型往往也缺乏。

近岸叶绿素浓度反演

叶绿素浓度可用于估算浮游植物的生物量和生产力，同时也是反映水体营养化程度的一个重要参数［14］。在开阔大洋的一类水体中，蓝绿比值法取得较好的效果，应用较为成熟，而该方法并不适用于浑浊的近岸二类水体。目前在二类水体的叶绿素浓度调查中多采用荧光法。荧光法的原理是［15］：浮游植物在波长为400～700nm的太阳光激发下，可以在683nm波段附近产生红光辐射，辐射强度与叶绿素浓度具有很强的相关性，并且大气辐射和海水中的黄色物质与悬浮泥沙对该辐射峰的影响较小。通过量测680nm与660nm之间的辐射量，再进行反演即可得到叶绿素的浓度。

当前，荧光法主要存在三个问题［15］：一是叶绿素产生荧光的过程复杂多变，有待于生物学和生态学方面的进一步研究；二是叶绿素发射的荧光只占叶绿素吸收能量的5%，当叶绿素浓度较低时，传感器难以探测；三是随着叶绿素浓度的增加，叶绿素的荧光峰将发生“红移”，而传感器的通道是固定的，这将影响荧光峰辐射量计算时的准确度。

近岸海水表层盐度反演

对近岸盐度变化进行监测是我们认识河口海岸生态环境，了解其物理过程的重要手段［16］。传统上主要采用取水样或者使用CTD来测量海水盐度，但是这种方法野外工作量大，且无法同步获取大面积海水表层盐度数据。

目前主要应用微波遥感进行海水表层盐度的反演，其原理是：海水盐度的变化会改变海水的介电常数，进而改变微波辐射特性，通过微波辐射计量测海面的微波发射率，即可从辐射计的亮温中反演出海水表面层盐度（SST）。目前常用于海表盐度反演的电磁波是以为中心的宽度为20MHz的波段，该波段主要的优点是，它属于受国际条约保护的用于无线电天文学研究的波段，不存在人为信号干扰，并且使用该波段除大雨外，几乎可以实现全天候的观测［17］。问题在于目前卫星搭载的传感器空间分辨率极低，无法满足近岸观测的要求。

6 结论和讨论

遥感海岸带环境地质调查，具有高效率、低成本的特点，目前已经得到广泛应用。在一些领域，如海岸类型调查和岸线调查都已经比较成熟。难点在于近岸水体部分，水深调查、悬沙调查、温度盐度和叶绿素浓度反演，这几个方面都还处于探索阶段。面临的最重大的技术瓶颈在于传感器。遥感近岸环境地质调查对传感器提出了苛刻的“三高”要求（高空间分辨率、高波谱分辨率和高时间分辨率）。首先，海岸带环境地质调查以岸线以外20公里的海区和岸线以内5公里的陆区作为核心调查区。因此，高的空间分辨率尤为重要，传统的海洋水色卫星，分辨率多为公里级，难以达到1：10万和更大比例尺海岸带调查的制图精度要求。其次，海岸带环境地质调查的内容复杂多样，包含了陆地和水体，水体又涉及浅表的温度盐度、悬浮的泥沙以及水下的地形地貌。要满足这些需求，必须要有足够高的波谱分辨率，才能有效地去除干扰信息，获得准确的波谱传导模型。最后，海岸带是岩石圈、生物圈、水圈和大气圈强烈交互作用的区域，同时，还是人类的集中居住区，受人类改造强烈，环境变化快速。传感器没有高的时间分辨率，便无法准确把握海岸带环境地质变化的规律。以目前的技术而言，建立一个低轨道的小卫星群，搭载高分辨率（空间分辨率和波谱分辨率）传感器，是最有效的解决办法。

参考文献

［1］夏真，林进清，郑志昌.2005.海岸带海洋地质环境综合调查方法［J］.地质通报.24（6）：570-575

［2］申家双，翟京生，郭海涛.2009.海岸线提取技术研究［J］.海洋测绘.29（6）：74-77

［3］张明，蒋雪中，张俊儒，等.2008.遥感影像海岸线特征提取研究进展［J］.人民黄河.30（6）：7-9

［4］范开国，傅斌，黄韦艮，等.2009.浅海水下地形的SAR遥感仿真研究［J］.海洋学研究.27（2）：79-83

［5］郑宗生.与GIS在海洋地质调查中的应用［J］.海洋地质动态.22（1）：27-33

［6］张鹰，张东，王艳姣，等.2008.含沙水体水深遥感方法的研究［J］.海洋学报（中文版）.30（1）：51-58

［7］陶菲.2007.经泥沙遥感参数校正的辐射沙洲水深遥感模型研究［D］.南京：南京师范大学

［8］李炎，李京.1999.基于海面—遥感器光谱反射率斜率传递现象的悬浮泥沙遥感算法［J］.科学通报.44（17）：1892-1897

［9］刘芳.2005.南黄海及东海北部海域悬沙的遥感研究［D］.北京：中国科学院研究生院

［10］于杰，李永振，陈丕茂，等.2009.利用Landsat TM6数据反演大亚湾海水表层温度［J］.国土资源遥感.（3）：24-29

［11］邢前国，陈楚群，施平.2007.利用Landsat数据反演近岸海水表层温度的大气校正算法［J］.海洋学报（中文版）.29（3）：23-30

［12］Suga Y，Ogawa H，Ohno K，et of surface temperature from LANDSAT-7/ETM+［J］.Advanced Space （11）：2235-2240

［13］Thomas A，Byrne D，Weatherbee sea surface temperature variability from Landsat infrared data［J］.Remote Sensing of （2-3）：262-272

［14］李素菊，吴倩，王学军，等.2002.巢湖浮游植物叶绿素含量与反射光谱特征的关系［J］.湖泊科学.14（3）：228-234

［15］邢小罡，赵冬至，刘玉光，等.2007.叶绿素a 荧光遥感研究进展［J］.遥感学报.11（1）：137-144

［16］王永红，M L Heron，Peter .航空微波遥感观测海水表层盐度的研究进展［J］.海洋地质与第四纪地质.27（1）：139-145

［17］杨斌利.2010.用于海洋盐度观测的主被动联合遥感器［J］.空间电子技术.（2）：49-54

The application of Satellite Remote Sensing to Geo-environment in Coastal Zones

Huang Wenxing1，2Wan Rongshen1，2

（ Marine Geological Survey，Guangzhou，510760； Laboratory of Marine Mineral Reasources，MLR，Guangzhou，510760）

Abstract：In recent decades，as China's coastal economic development，coastal environmental geology problems are becoming increasingly Remote Sensing has features of rapid，real-time and high efficiency，which make it widely used in the coastal geo⁃environment applications include coastal zone Type Classification，coastline extraction，water⁃depth measurement in coastal zone，suspended sediment detection，sea surface temperature（SST），sea surface salinity（SSS），chlorophyll concentration detection and other environmental paper introduces the principles and shortcomings of these words：Satellite Remote Sensing；Coastal Zones；Geo⁃environment Survey