遙感技術(shù)在海洋災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

鄒斌 林明森 石立堅 鄒亞榮 賈永君 曾韜

鄒斌,國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心應(yīng)用發(fā)展部主任，研究員，我國海洋一號1C衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師，上海海洋大學(xué)特聘教授。多年來從事極地海洋氣象、極地海冰監(jiān)測、海洋遙感、衛(wèi)星地面資料處理系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)、海洋水色衛(wèi)星資料處理技術(shù)研究和軟件開發(fā)、海洋溢油遙感監(jiān)測技術(shù)研究和海洋災(zāi)害業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測、海洋遙感產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面的研究。作為主要人員負責(zé)規(guī)劃、設(shè)計和組織實施了海洋衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)資料處理分系統(tǒng)的建設(shè)工作，參與載人航天工程民用遙感應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理地面系統(tǒng)建設(shè)，在多個重大專項工程建設(shè)中，取得了許多優(yōu)秀的科研成果。發(fā)表論文和技術(shù)報告30余篇，作為主要參加人員獲國家科技進步三等獎1項，省部級科技進步特等獎2項、一等獎4項。

前言

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(chǎn)總產(chǎn)值（GDP）集中在海岸帶區(qū)域，這對于我國的經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。然而，海洋災(zāi)害卻發(fā)生頻繁，據(jù)國家海洋局發(fā)布的2017年中國海洋災(zāi)害公報，全年各類海洋災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失達63.98億元。海洋災(zāi)害的監(jiān)測是海洋防災(zāi)減災(zāi)的重要內(nèi)容，而衛(wèi)星遙感憑借其快速、覆蓋面積大等特點，成為目前海洋災(zāi)害監(jiān)測的主要手段之一。

遙感監(jiān)測是利用遙感技術(shù)進行海洋災(zāi)害監(jiān)測的技術(shù)方法，主要有赤潮監(jiān)測、海冰監(jiān)測、溢油監(jiān)測等。遙感監(jiān)測技術(shù)是通過航空或衛(wèi)星等收集環(huán)境的電磁波信息對遠離的環(huán)境目標(biāo)進行監(jiān)測識別，是一種先進的環(huán)境信息獲取技術(shù)，在獲取大面積同步和動態(tài)環(huán)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(yīng)用。本文針對我國海洋災(zāi)害的主要災(zāi)種，選取海浪、赤潮、綠潮、海冰和溢油進行分析。

數(shù)據(jù)采集與信息提取

（一）數(shù)據(jù)采集

根據(jù)海洋災(zāi)害遙感監(jiān)測的需要，采用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，主要包括微波與光學(xué)衛(wèi)星，分辨率從0.5米到1000米，具體見表1。

（二）信息提取

基于遙感與GIS技術(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，建立海洋災(zāi)害信息提取模型，進行海洋災(zāi)害信息提取，具體步驟如下（圖1）：

表1 應(yīng)用于海洋災(zāi)害遙感監(jiān)測的衛(wèi)星

圖1 海洋災(zāi)害信息提取流程

1.對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行輻射校正、幾何校正、云檢測與噪聲消除等預(yù)處理；

2.利用地理底圖的大陸和海島岸線信息、云檢測結(jié)果進行衛(wèi)星遙感影像的陸地掩模、云掩模處理；

3.建立海浪、赤潮、綠潮、海冰、溢油信息提取的模型，得到海浪、赤潮、綠潮、海冰、溢油信息提取結(jié)果；

4.采用人機交互的方式，修編基于災(zāi)害信息提取模型指數(shù)計算得到的提取結(jié)果，確定海浪、赤潮、綠潮、海冰、溢油分布范圍和面積；

5.利用同步或準(zhǔn)同步的海浪、赤潮、綠潮、海冰、溢油現(xiàn)場和航空遙感監(jiān)測資料，進行海浪、赤潮、綠潮、海冰、溢油衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果的驗證，并優(yōu)化檢測閾值。

海洋災(zāi)害遙感監(jiān)測

（一）海浪遙感監(jiān)測

海浪是與人類關(guān)系最直接也最密切的一種海洋現(xiàn)象，直觀地向我們展示著大海的波瀾壯闊。同樣，海浪也會給人類造成巨大的災(zāi)害。海浪對于國防、航運、造船、港口以及海上石油平臺的建設(shè)等具有重要意義。海浪具有隨機性，因此可以將其看作是隨機過程。海浪的種類很多，引起的原因各不相同。風(fēng)浪和涌浪是海面上最引人注目的波動。海水在重力作用下，風(fēng)直接作用產(chǎn)生的波動成為風(fēng)浪；涌浪則是海面上由其他海區(qū)傳來的或者當(dāng)?shù)仫L(fēng)力迅速減小、平息，或者風(fēng)向改變后海面上遺留下來的波動。

海洋遙感觀測海浪主要是利用微波波段對海洋表面的波動進行觀測，目前的主要載荷包括雷達高度計、合成孔徑雷達等（圖2）。

（二）赤潮遙感監(jiān)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(huán)境條件下，海水中某些浮游植物、原生動物或細菌爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現(xiàn)象，是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的一種異?，F(xiàn)象。它是由海藻家族中的赤潮藻在特定環(huán)境條件下爆發(fā)性地增殖造成的。海藻是一個龐大的家族，除了一些大型海藻外，很多都是非常微小的植物，有的是單細胞生物。根據(jù)引發(fā)赤潮的生物種類和數(shù)量的不同，海水有時也呈現(xiàn)黃、綠、褐色等不同顏色。

近幾年，我國沿海地區(qū)赤潮的發(fā)生比較頻繁，嚴重地破壞了海洋漁業(yè)資源和漁業(yè)生產(chǎn)，惡化海洋環(huán)境，損害海濱旅游業(yè)，給海洋經(jīng)濟造成巨大的損失，已成為我國主要海洋災(zāi)害之一?；诔喑彼w的光譜特征和水溫特性，利用星載光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)可獲得赤潮災(zāi)害信息。2014年11月22日，廣東陽江市南部海灣發(fā)現(xiàn)赤潮，利用22日GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)對陽江市赤潮發(fā)生海域進行監(jiān)測，可見明顯赤潮分布區(qū)，分布范圍約14km，面積約25.4 km2（圖3）。

24日至25日赤潮增長，范圍擴大，集中在廣東省陽江市南部海域及茂名市南部海域（圖中紅色星號標(biāo)注位置附近），主體位置在陽江市南部海灣，赤潮最大分布范圍約165km，面積238km2（圖4）。

圖4 2014年11月25日衛(wèi)星影像上陽江市南部海域發(fā)現(xiàn)赤潮特征

（三）綠潮遙感監(jiān)測

綠潮是在特定的環(huán)境條件下，海水中某些大型綠藻（如滸苔）爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現(xiàn)象，也被視作和赤潮一樣的海洋災(zāi)害。

綠潮是一種海洋大型藻類大量聚集的現(xiàn)象，發(fā)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。滸苔可以食用、入藥，還可以作為農(nóng)業(yè)肥料和添加飼料使用。綠潮本身無害，在繁殖過程中還可以吸收水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)，對水質(zhì)清潔具有重要的作用。但其在近海近岸大量聚集堆積死亡后，會腐爛發(fā)臭，從而影響海水水質(zhì)、岸邊景觀和船舶航行。如2008年青島近海的綠潮災(zāi)害，直接危及青島奧帆賽的舉行。綠潮生物體內(nèi)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(guī)模聚集可通過衛(wèi)星光學(xué)遙感的方式進行識別（圖5）。

（四）海冰遙感監(jiān)測

海冰一般是由于氣溫降低而導(dǎo)致海面的結(jié)冰現(xiàn)象，同時還包括來源于陸地的河冰、湖冰和冰川冰。

圖5 衛(wèi)星遙感監(jiān)測青島附近海域綠潮分布情況

圖6 衛(wèi)星遙感海冰遙感監(jiān)測影像圖

圖7 海冰分布趨勢變化圖

全球海冰主要分布在極地地區(qū)，占整個海洋面積較小，但卻對全球氣候變化有著重要影響。中國渤海是個半封閉的海洋，每年12月到第二年3月受天氣影響會產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，受不同年份的氣候條件不同，各年的冰清也各有差異，歷史上渤海多次出現(xiàn)過嚴重的冰情造成鉆井平臺倒塌，船舶破壞，航運中斷等嚴重海冰災(zāi)害，給沿岸的生產(chǎn)活動帶來財產(chǎn)損失及人員傷亡。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感已成為一種高效的海冰觀測手段，人們可以利用幾百千米高空上的衛(wèi)星俯瞰整個海域，實現(xiàn)大面積的海冰重復(fù)觀測。以我國渤海為主要監(jiān)測區(qū)域，自2009年以來已開展了連續(xù)多年的海冰遙感監(jiān)測，圖6、圖7分別顯示了衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測影像示例和連續(xù)多年的海冰特征統(tǒng)計結(jié)果。盡管近年來受全球氣候變暖影響，我國渤海和黃海北部海冰冰情呈減弱趨勢，但不同年份仍然會受局地氣候條件影響而存在強弱變化，如2009/2010年冬季達到了近年來最重冰情，遼東灣浮冰外延線就超過70海里，渤海海冰分布面積達整個海灣面積近50%。

采用遙感監(jiān)測手段將海冰監(jiān)測信息制作成標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測產(chǎn)品，第一時間向海洋預(yù)報和地方海洋管理部門發(fā)送，可為海上安全生產(chǎn)、海上交通及海洋防災(zāi)減災(zāi)提供重要信息。

（五）溢油遙感監(jiān)測

在石油勘探、開發(fā)、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(yè)現(xiàn)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(zhì)成分的不同，形成薄厚不等的一片油膜，這一現(xiàn)象稱為溢油。

近岸海域的石油開發(fā)和溢油事故給我國海洋環(huán)境帶來了沉重的壓力。2010年7月大連新港的輸油管道爆炸溢油事故，2011年6月“19-3”平臺溢油事故，2018年1月“桑吉”輪碰撞造成的溢油，給海洋生態(tài)環(huán)境帶來了巨大影響。溢油事故發(fā)生后，能否及時準(zhǔn)確的監(jiān)測溢油對于海洋環(huán)境保護具有重要意義。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的高速發(fā)展，遙感已經(jīng)成為監(jiān)測溢油最重要和最有效手段之一。應(yīng)用衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠及時、大范圍地獲取溢油信息，同時可以引導(dǎo)船只進行執(zhí)法監(jiān)察，并可依據(jù)遙感衛(wèi)星連續(xù)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。

以我國管轄海域海上油氣勘探開發(fā)設(shè)施石油污染物泄露及主要航道、錨地、環(huán)境敏感區(qū)海上溢油為監(jiān)測對象，利用星載SAR數(shù)據(jù)對渤海、南海、東海重點海域進行溢油遙感監(jiān)測，第一時間發(fā)布溢油監(jiān)測信息，為海洋溢油污染防治、事故處理和海上執(zhí)法提供快速準(zhǔn)確的決策支持服務(wù)。自2007年以來，已成功監(jiān)測到數(shù)十起溢油事件，在2007年7月曹妃甸管道溢油事件、2008年8月青島外海溢油事件、2009年3月渤海中央平臺溢油事件、2010年7月大連新港溢油事件、2011年蓬萊“19-3”平臺溢油事件（圖8）、2013年青島黃島輸油管線爆炸事件、2018年“桑吉”輪碰撞溢油遙感監(jiān)測等多次重大海上溢油事件應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。

圖8 衛(wèi)星遙感溢油監(jiān)測

結(jié)論

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(fā)的海洋災(zāi)害給我國的經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大的影響。隨著我國海洋衛(wèi)星的發(fā)展，其快速、高頻次、長期連續(xù)觀測優(yōu)勢成為觀測海洋，監(jiān)測海洋災(zāi)害的技術(shù)支撐和保障服務(wù)手段，也成為中國空間基礎(chǔ)設(shè)施和海洋立體監(jiān)測體系的重要組成部分。海洋災(zāi)害的遙感監(jiān)測已廣泛應(yīng)用于我國海洋防災(zāi)減災(zāi)，發(fā)揮了重要的作用，最大限度地減輕了人員傷亡和財產(chǎn)損失。