方 成，孫曉明，康 慧，葛大慶，王小丹，謝海瀾

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170;2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051;3.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

遙感技術(shù)與常規(guī)地面調(diào)查手段相比，可以減少人員、資金和時間投入，及時獲取系列動態(tài)資料;在解譯結(jié)果已經(jīng)取得預(yù)期效果的工作內(nèi)容中，野外測繪工作量可減少30% ～50%［1］;與鉆探、物探等技術(shù)方法的結(jié)合，可以填充地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容，其成本低、效率高、實用性強等特點突出。

在海岸帶地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查中，遙感技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，但受研究內(nèi)容、調(diào)查精度、監(jiān)測周期以及研究經(jīng)費等要求的限制［2］，眾多學(xué)者大多選用單一類型的遙感數(shù)據(jù)開展專向研究［3～6］，多類型數(shù)據(jù)開展多項研究一般應(yīng)用在綜合課題中［7～8］。在綜合應(yīng)用中，環(huán)境地質(zhì)的調(diào)查研究對圖像光譜分辨率要求較高，大比例尺的城市地質(zhì)調(diào)查和海岸線變化對圖像的幾何分辨率要求較高，而監(jiān)測研究則對圖像的重復(fù)周期有具體要求，雖然有同時具備高光譜分辨率和高幾何分辨率特點的遙感圖像，但價格十分昂貴。因此在工作經(jīng)費有限情況下，需要綜合利用不同數(shù)據(jù)源特點，通過多種數(shù)據(jù)組合使用等方法達到預(yù)期研究效果，提高海岸帶地質(zhì)調(diào)查工作的遙感技術(shù)應(yīng)用能力。

在曹妃甸海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中，綜合使用多類型遙感數(shù)據(jù)，研究海岸帶地表環(huán)境現(xiàn)狀及變化、海洋懸浮泥沙分布及變化、地面沉降特征及變化、潮間帶特征及變化等內(nèi)容，取得了良好效果。本文通過分析不同遙感數(shù)據(jù)特點和適用的研究內(nèi)容，探索在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中遙感技術(shù)方法的綜合應(yīng)用，為利用遙感技術(shù)開展海岸帶地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查評價提供示范。

1 數(shù)據(jù)特點分析

研究中使用了8種衛(wèi)星10種類型的遙感數(shù)據(jù)(表1)，數(shù)據(jù)各有特點，但均存在一個缺陷，即達不到圖像同時具有高幾何分辨率和高光譜分辨率的研究要求。

Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，價格低廉，圖像具有較高的光譜分辨率，其優(yōu)勢在于可以獲取系列的歷史數(shù)據(jù);ALOS與SPOT衛(wèi)星的數(shù)據(jù)特征相似，優(yōu)勢在于具有較高幾何分辨率，雖然價格都相對較貴，但ALOS數(shù)據(jù)與SPOT數(shù)據(jù)相比，價格便宜了近一半;中巴衛(wèi)星、北京一號小衛(wèi)星和中國環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率較低，其優(yōu)勢在于可免費獲取，且后兩種重訪周期短;TerraSAR-X和ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)利用微波獲取地物特征，其優(yōu)勢是不受天氣影響，可以全天候、全天時工作，且重訪性高。

表1 研究中應(yīng)用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)一覽表Table 1 Satellite data used in this research

2 圖像選擇分析

為達到預(yù)期解譯效果，選擇遙感數(shù)據(jù)應(yīng)遵循兩個基本原則:一是根據(jù)研究內(nèi)容和精度要求，選擇合適的幾何分辨率和光譜分辨率圖像;二是在監(jiān)測工作中，應(yīng)選擇圖像分辨率以及獲取時間相同(或相近)的系列圖像，增強解譯結(jié)果的可比性。

(1)地表環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查和海岸線變化監(jiān)測中，選擇使用ALOS或SPOT數(shù)據(jù)，利用其具有較高幾何分辨率的特征，可以獲得較高的解譯精度;但在小于1∶10萬比例尺的地表環(huán)境變化與海岸線變化調(diào)查監(jiān)測研究中，使用中等分辨率的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用其TM或ETM較適中的光譜分辨率來識別不同地物類型，彌補幾何分辨率不足，并且利用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史延續(xù)性，選擇相同日期或季節(jié)的圖像來獲取地表環(huán)境的歷史記錄，增強可對比性，實現(xiàn)監(jiān)測目的。

(2)在可見光中，0.58～0.68 μm波段對水中物質(zhì)的反應(yīng)最敏感。因此，在海洋懸浮泥沙的遙感信息提取與反演研究中，可以利用Landsat衛(wèi)星系列的光譜特性和歷史延續(xù)性，使用紅波段進行懸浮泥沙遙感信息提取，增強提取效果的可比性。

(3)使用不同分辨率的影像滿足不同精度研究的需求。在利用合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)開展地面沉降研究中，采用中等分辨率的ENVISAT雷達數(shù)據(jù)，研究區(qū)域地表形變特征;采用高分辨率的TerraSAR-X雷達數(shù)據(jù)，研究局部地表精細變化。

(4)利用中巴衛(wèi)星、北京一號小衛(wèi)星及環(huán)境衛(wèi)星獲取方便、成本低和周期短等特點，彌補其他數(shù)據(jù)在特定時間等方面的不足，增加監(jiān)測頻率，提高監(jiān)測研究的持續(xù)性。

3 應(yīng)用實例

在曹妃甸地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中綜合使用了數(shù)據(jù)處理、信息提取、標(biāo)志分析、人機交互解譯、野外驗證、綜合分析、數(shù)學(xué)反演等多種技術(shù)手段，研究工作范圍見圖1，技術(shù)流程見圖2。

圖1 曹妃甸海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究范圍圖Fig.1 Research range of geological environment survey in the Caofeidain coastal zone

圖2 遙感技術(shù)綜合應(yīng)用研究流程圖Fig.2 Flow chart of the comprehensive application of remote sensing technology

3.1 地表環(huán)境現(xiàn)狀及變化研究

區(qū)域上，范素英等使用1993年的TM數(shù)據(jù)和2007年的ALOS數(shù)據(jù)，局部選擇2005年的SPOT-5和2007年的CBERS-2數(shù)據(jù)為補充信息4.63×104hm2，減幅為14.3%［9］。在重點調(diào)查區(qū)，選擇使用 TM圖像(1987年4月27日、2007年4月3日、2009年4月8日)和ETM圖像(2000年3月6日)進行地表環(huán)境現(xiàn)狀及變化研究，為增強其對比性，選擇的數(shù)據(jù)接收日期均為春季。以2009年作為現(xiàn)狀年，同時使用ALOS多光譜數(shù)據(jù)(分辨率10 m)與TM數(shù)據(jù)解譯結(jié)果相互驗證(圖3)。重點區(qū)遙感解譯結(jié)果見表2。

3.2 海岸線變化研究

使用MSS(1979年9月4日)、TM(1991年9月23日和2009年4月8日)、ETM(2000年3月6日)和環(huán)境衛(wèi)星(2012年9月29日)數(shù)據(jù)開展五期海岸線變化研究，結(jié)果表明1979～2012年間唐山市海岸線長度共增加了81.8 km，其中，自然岸線長度基本保持不變，人工岸線中港口岸線長度增加了81.3 km(表3);海岸線向海推進距離最遠達到11.1 km;向陸地后退距離最遠為 1.1 km(圖 4、表4)［10］。

3.3 填海造陸工程進展動態(tài)監(jiān)測

為持續(xù)跟蹤曹妃甸工業(yè)區(qū)填海造陸工程進展，選擇以TM、ETM數(shù)據(jù)為主，利用中巴衛(wèi)星、北京一號小衛(wèi)星等數(shù)據(jù)來填補缺失的時間間隙，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測的連續(xù)性和完整性(表5、圖5)。

圖3 重點地區(qū)2009年地表環(huán)境遙感解譯圖Fig.3 Surface environment interpretation of the key region in 2009

表2 曹妃甸重點地區(qū)地表環(huán)境變化遙感解譯結(jié)果表Table 2 Remote sensing interpretation results of surface environment change in the key regions at Caofeidan /km2

圖4 1979～2012年海岸線變化遙感解譯圖Fig.4 Remote sensing interpretation of shoreline changes from 1979 to 2012

表3 不同類型岸線長度變化解譯結(jié)果［10］Table 3 Interpretation results of length changes of various types of shoreline /km

表4 唐山市海岸線向海推進距離［10］Table 4 Shoreline advanced distance in Tangshan/km

表5 曹妃甸工業(yè)區(qū)填海造陸工程進展遙感解譯成果Table 5 Remote sensing interpretation of the reclamation project progress in the Caofeidian industrial district

3.4 近岸海域懸浮泥沙分布特征及反演

3.4.1 分布特征和運移方向

研究選用1976—2007年間的13個時相的TM、ETM數(shù)據(jù)，為增強其可比性，使用的大部分圖像接收季節(jié)為春季(僅2001年和2008年是秋季)。選用紅波段(第3波段，波長0.6～0.7 μm)進行懸浮泥沙信息提取，采用閾值分割處理方法將懸浮泥沙濃度分為9級(圖6)。

3.4.2 海水懸浮泥沙遙感反演

為研究近海海水懸浮泥沙分布特征，2008—2010年在曹妃甸近海海域均布設(shè)了4條海水離水光譜反射率和輻射率測試剖面。光譜測量使用美國產(chǎn)ASD雙通道地物光譜儀，同步采集表層、中層、底層的海水樣品進行實測。

圖5 曹妃甸工業(yè)區(qū)填海造陸工程進展遙解譯圖Fig.5 Remote sensing interpretation of the reclamation project progress in the Caofeidian industrial district

圖6 曹妃甸地區(qū)海水含沙量遙感信息提取圖(1976—2009年)Fig.6 Remote sensing information extraction of the sediment concentration in seawater at the Caofeidian area(1976-2009)

2008年，奧勇等使用TM數(shù)據(jù)對泥沙濃度值和遙感反射率進行相關(guān)性分析，選取相關(guān)性較高的波段作為敏感因子建立懸浮泥沙遙感反演模型，計算結(jié)果顯示TM3與泥沙濃度的二次多項式模型、TM3/TM1與泥沙濃度的二次多項式模型以及主成分前三分量線性方程模型的泥沙反演模型均可作為研究區(qū)的懸浮泥沙反演模型［11］。在此基礎(chǔ)上，2009年孔金玲等人使用TM和ALOS數(shù)據(jù)，選取相關(guān)性大于0.8的波段作為敏感因子，建立統(tǒng)計回歸方程，驗證對比發(fā)現(xiàn)，兩種數(shù)據(jù)的反演結(jié)果均顯示出近岸濃度高于內(nèi)海、西部濃度高于東部的相同趨勢，但TM數(shù)據(jù)的反演精度優(yōu)于ALOS數(shù)據(jù)，選擇相關(guān)性最高(R2=0.947)的TM3/TM2波段二次多項式y(tǒng)=320.549x2-321.741x+87.786(y為濃度，x為TM3與TM2波段比值)作為反演模型［12］，2009年反演結(jié)果見圖7。

圖7 TM和ALOS band3/band2二次多項式模型反演結(jié)果(左TM，右ALOS)［12］Fig.7 Inversion results of TM and ALOS band3/band2 quadratic polynomial model(left TM，right ALOS)

3.5 地面沉降動態(tài)監(jiān)測研究

利用InSAR技術(shù)開展地面沉降動態(tài)監(jiān)測，可彌補分層標(biāo)和水準測量監(jiān)測范圍小的局限，采用PSI方法測量技術(shù)能夠降低時間、空間去相干影響以及減弱大氣延遲引起的誤差組分［13］，可以獲取年度形變率精度達到毫米級的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)［14］。

通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)地表相干目標(biāo)數(shù)量較少，且由于施工建設(shè)、吹沙造地等人為活動的干擾，在曹妃甸地區(qū)不適宜開展常規(guī)的InSAR技術(shù)。為實現(xiàn)對唐?？h和曹妃甸工業(yè)區(qū)兩個重點區(qū)的監(jiān)測，研究選用TerraSAR-X雷達數(shù)據(jù)，編程獲取2009年9月—2010年7月的雷達數(shù)據(jù)12景，每景圖像獲取時間間隔大于30 d。利用多時相雷達數(shù)據(jù)結(jié)合PSI處理進行連續(xù)監(jiān)測，獲取研究區(qū)地面變形動態(tài)過程。區(qū)域上，研究使用2008年 3月—2010年 10月之間接收的 13景ENVISAT雷達數(shù)據(jù)獲取地面沉降速率，并檢驗高分辨率數(shù)據(jù)在處理局部地區(qū)產(chǎn)生的殘余干涉相位，實現(xiàn)局部地區(qū)的精細干涉測量處理，準確提取地表形變相位。

監(jiān)測結(jié)果顯示:寧河—唐海地下水漏斗區(qū)地面沉降仍處于較快發(fā)展階段，曹妃甸工業(yè)區(qū)受人為地表擾動、工程建設(shè)等影響，地面沉降呈現(xiàn)離散非均勻變化特征(圖8)。對比顯示，兩種數(shù)據(jù)獲取的沉降速率特征基本一致，但TerraSAR-X數(shù)據(jù)獲取的最大沉降量略大于ENVISAT雷達數(shù)據(jù)，TerraSAR-X數(shù)據(jù)對地面沉降中心最大值更為準確，對地面沉降的細節(jié)分析更細致［15］。

圖8 2009-2010年曹妃甸地區(qū)地面沉降速率遙感解譯圖(大圖數(shù)據(jù)ENVISAT，小圖TerraSAR-X數(shù)據(jù))Fig.8 Remote sensing interpretation of the subsidence rate in the Caofeidian area from 2009 to 2010(big:ENVISAT data，small:TerraSAR-X data)

3.6 潮間帶特征及變化研究

使用TM和中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用主成分分析、分段線性拉伸等方法對澗河口—大清河鹽場岸段的潮間帶變化和潮間帶物質(zhì)組分進行分析。

3.6.1 潮間帶寬度確定

澗河口—大清河鹽場岸段屬淤泥質(zhì)岸段，實時測量潮間帶寬度的野外作業(yè)十分困難，采用遙感技術(shù)可以獲得較好的結(jié)果。調(diào)查結(jié)合布設(shè)的六條潮間帶RTK測量剖面，使用2008年和2011年兩個大潮低潮位時的TM遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)潮汐表計算出潮位站年平均大潮、低潮的潮高以及遙感數(shù)據(jù)接收時間的瞬時潮位潮高，量算出圖像上瞬時潮間帶寬度;利用剖面測量數(shù)據(jù)計算出潮間帶坡度并統(tǒng)計出年平均低潮位，計算圖像解譯出的潮間帶寬度修正值，得出各剖面潮間帶的計算寬度;再在各點間插值計算，連線得出年平均大潮低潮線，試算出2008年和2011年澗河口—大清河鹽場的潮間帶寬度。其中，2008年計算結(jié)果見表6。

3.6.2 潮間帶寬度變化研究

使用準相同潮位比較法，即選擇準相同潮位的遙感數(shù)據(jù)。通過計算衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)時間的潮高以及查詢潮汐表和潮汐實測數(shù)據(jù)，選擇潮期(大潮期)、潮情(落潮)都相同、且潮高非常接近的1981年與2008年以及2003年與2007年兩個時間組段，進行潮間帶的變化對比分析。研究中使用TM數(shù)據(jù)的近紅外和熱紅外波段提取瞬時水邊線信息，作為潮間帶下限，分析對比兩組數(shù)據(jù)獲取的潮間帶變化情況。2003—2007年潮間帶變化解譯結(jié)果見圖9。

表6 2008年澗河—大清河鹽場潮間帶寬度計算結(jié)果Table 6 Result of tidal flat width from Jianhe to Daqinghe Saltern in 2008

3.6.3 潮間帶物質(zhì)成分研究

研究中還嘗試利用反射光譜特征判讀物質(zhì)成分的方法進行潮間帶物質(zhì)成分的研究。使用中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)(2011年6月5日)的近紅外波段進行數(shù)據(jù)處理，在信息提取中，由于水的吸收譜帶嚴重干擾和影響了信息提取的準確度，故對水體因素進行人工干預(yù)去除偽信息，獲取潮間帶物質(zhì)成分特征。

圖9 2003—2007年潮間帶寬度變化遙感解譯圖Fig.9 Remote sensing interpretation of tidal flat change from 2003 to 2007

提取結(jié)果顯示:澗河口至北堡岸段潮間帶物質(zhì)成分以泥質(zhì)為主;自一號島向東粒度漸粗，物質(zhì)成分為含泥粉砂-粉砂;至南堡段顆粒更粗;曹妃甸工業(yè)區(qū)東側(cè)近岸潮間帶呈現(xiàn)粉砂-粉細砂的變化，向海淺灘物質(zhì)成分為粉砂-粉細砂;沙坨的物質(zhì)成分為粉細砂-細砂，研究結(jié)果與潮間帶人工淺鉆揭露的結(jié)果吻合度較高(圖10)。

圖10 潮間帶物質(zhì)成分遙感信息提取與人工淺鉆揭露結(jié)果對比圖Fig.10 Comparative of tidal flat material composition between remote sensing information extraction and shallow holes section

4 結(jié)論及建議

(1)Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)在研究區(qū)域性地表環(huán)境變化、海岸線變化、海水懸浮泥沙和潮間帶特征等方面應(yīng)用中可獲得較好效果，可充分利用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史延續(xù)性和光譜特性等特點，在海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中發(fā)揮作用。

(2)采用中、高分辨率InSAR技術(shù)相結(jié)合的方法，研究區(qū)域性以及正在實施的重大工程建設(shè)區(qū)的地面形變特征與動態(tài)變化，可以滿足不同精度的應(yīng)用需求，建議在地面沉降監(jiān)測研究中積極推廣。

(3)采用遙感技術(shù)結(jié)合潮汐、高程、地質(zhì)取樣等數(shù)據(jù)研究潮間帶特征及其變化，可以取得較好的效果，特別是在探索觀測潮間帶動態(tài)變化方面是一種很有潛力的方法。但潮間帶特征及動態(tài)研究是一個相對復(fù)雜的工作，對潮位、高程、物質(zhì)成分光譜特征、圖像采集時間等要求很高，在今后工作中還應(yīng)加強的研究。

(4)采用ALOS數(shù)據(jù)同Landsat數(shù)據(jù)的解譯結(jié)果校正比對，可提高岸線位置、邊界和幾何形狀等特征的解譯精度，解譯結(jié)果可基本達到1∶50 000調(diào)查精度要求。在具體應(yīng)用中，應(yīng)注意通過光譜特征數(shù)據(jù)和幾何特征數(shù)據(jù)的相互校正的方法提高解譯精度。

(5)中巴衛(wèi)星、北京一號小衛(wèi)星和中國環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)的輔助作用明顯，在應(yīng)用中可根據(jù)研究內(nèi)容和已有圖像特征，選擇其作為補充信息源，填補數(shù)據(jù)的缺失，提高監(jiān)測與研究工作的完整性。

［1］ GB/T 14158—1993 區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合勘查規(guī)范(1∶50 000)［S］.［GB/T 14158- 1993 Synthetical survey code for regional hydrogeology，engineering geology and environmental geology(1∶50 000)［S］.(in Chinese)］

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