遙感技術(shù)在海岸帶灘涂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在海岸帶灘涂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1相關(guān)研究進(jìn)展20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著傳感器的開(kāi)發(fā)，理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)方法的不斷進(jìn)步，傳感器技術(shù)在資源、環(huán)境、水、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。海岸帶作為海陸過(guò)渡的生態(tài)脆弱帶和環(huán)境變化敏感區(qū),近年來(lái)由于人類(lèi)活動(dòng)的加劇,加之全球氣候變化的影響,海岸帶及其近海的資源環(huán)境發(fā)生了顯著變化,深刻影響著沿海城市的擴(kuò)展空間與土地利用結(jié)構(gòu)。由于海岸帶環(huán)境復(fù)雜多變,其進(jìn)入性、通達(dá)性較差,常規(guī)的海岸帶調(diào)查在調(diào)查成本、資料獲取、信息處理等方面存在諸多限制,難以滿(mǎn)足當(dāng)前海岸帶變化監(jiān)測(cè)的需求。如何能及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地獲取海岸帶資源環(huán)境變化信息,以實(shí)現(xiàn)海岸帶資源的科學(xué)管理和持續(xù)利用已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。為了解地球而發(fā)展起來(lái)的衛(wèi)星對(duì)地遙感觀測(cè)技術(shù),因?qū)Φ赜^測(cè)具有宏觀、快速、綜合、高頻、動(dòng)態(tài)和經(jīng)濟(jì)等突出優(yōu)勢(shì),為海岸帶灘涂資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段,眾多學(xué)者就此開(kāi)展了大量的理論與應(yīng)用研究。近年來(lái)遙感在海岸帶中的應(yīng)用迅速發(fā)展,呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)源多樣化、業(yè)務(wù)領(lǐng)域擴(kuò)大化、調(diào)查成果精細(xì)化的特點(diǎn)。美國(guó)、英國(guó)、意大利、韓國(guó)等國(guó)家,幾乎所有大規(guī)模的近岸海區(qū)資源調(diào)查和開(kāi)發(fā)規(guī)劃中都把遙感技術(shù)作為重要調(diào)查手段。常用的海岸帶灘涂遙感手段主要有5種,即航空遙感、衛(wèi)星光學(xué)遙感、微波遙感、激光雷達(dá)技術(shù)與聲學(xué)測(cè)深。調(diào)查內(nèi)容涉及灘涂岸線(xiàn)的時(shí)空變化、灘涂沖淤演變、灘涂水下地形變化、近岸懸浮泥沙信息以及與灘涂有關(guān)的地質(zhì)環(huán)境信息等方面內(nèi)容。相比較于大氣遙感、陸地遙感、海洋遙感等其他遙感重要應(yīng)用分支,海岸帶灘涂遙感應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟,離業(yè)務(wù)化實(shí)用階段還有一段距離。前人曾從多個(gè)角度對(duì)遙感海岸帶應(yīng)用進(jìn)展,存在的問(wèn)題有過(guò)評(píng)述,但針對(duì)海岸帶灘涂資源的遙感調(diào)查技術(shù)現(xiàn)狀的系統(tǒng)總結(jié)還不多見(jiàn)。本文圍繞遙感在海岸帶灘涂資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)中的幾個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域,系統(tǒng)回顧了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的研究進(jìn)展,對(duì)遙感應(yīng)用水平與存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。2心理遙感資料提取海岸線(xiàn)被國(guó)際地理信息委員會(huì)(IGDC)定為最重要的27種地表特征之一,Dolan最早定義海岸線(xiàn)為水體與陸地的自然界面。實(shí)際應(yīng)用中一般把平均高潮線(xiàn)作為海岸線(xiàn)。由于衛(wèi)星過(guò)境時(shí)水邊線(xiàn)正好位于平均大潮高潮線(xiàn)的影像難以獲取,大部分遙感海岸線(xiàn)提取技術(shù)都是研究如何利用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取瞬時(shí)水邊線(xiàn)。水邊線(xiàn)是陸地與海水的交接線(xiàn),它是潮汐波動(dòng)下,起伏不平的海平面與陸地的瞬時(shí)交界線(xiàn),隨著漲落潮的變化,位置也相應(yīng)改變。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用航空遙感、航天光學(xué)遙感、微波遙感與機(jī)載激光測(cè)高技術(shù)均進(jìn)行過(guò)海岸線(xiàn)提取研究,其技術(shù)原理、信息提取手段各有差異。利用遙感技術(shù)提取具有高程的海岸線(xiàn)一般基于兩種思路:第一種思路是通過(guò)建立潮灘DEM,從而得到不同高程的水邊線(xiàn);第二種思路是從瞬時(shí)水邊線(xiàn)與潮位站數(shù)據(jù)中,利用時(shí)空模型來(lái)估計(jì)水邊線(xiàn)。在第一種方法中,構(gòu)建DEM主要通過(guò)立體像對(duì)。航空攝影時(shí)間一般選在平均高潮位時(shí)刻?，F(xiàn)在基于航片立體像對(duì)提取數(shù)字高程模型的方法已大大簡(jiǎn)化,需要的控制點(diǎn)數(shù)量也相應(yīng)減少,同時(shí)具有成像時(shí)間靈活、數(shù)據(jù)空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。但航片獲取成本較高,且不具備周期性回訪(fǎng)特點(diǎn),在動(dòng)態(tài)調(diào)查與監(jiān)測(cè)中受到限制。隨著衛(wèi)星傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步,目前在軌的多顆光學(xué)遙感衛(wèi)星如ASTER、QuickBird、Cartisat-1、Worldview-1和GeoEye-1也具備提供立體像對(duì)的能力。商業(yè)的遙感處理軟件如ENVI,ERDAS,PCI等均具有依據(jù)立體像對(duì)構(gòu)建DEM的功能模塊,使數(shù)據(jù)處理過(guò)程大大簡(jiǎn)化。遙感衛(wèi)星立體像對(duì)提取DEM成本較低,且能對(duì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行周期性回訪(fǎng),具備持續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的能力,但衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間固定,成像時(shí)間不靈活,很難獲取高潮位時(shí)刻的影像,限制了其在海岸線(xiàn)提取中的應(yīng)用。同時(shí),在地勢(shì)比較平坦的潮灘,利用立體像對(duì)方法精度較差,也是其廣泛應(yīng)用的一大阻礙。鑒于上述立體像對(duì)構(gòu)建DEM手段的缺陷,在實(shí)際應(yīng)用中,海岸線(xiàn)提取更多地采用第二種思路,即光學(xué)衛(wèi)星水邊線(xiàn)提取方法。目前,在軌運(yùn)行的涉海衛(wèi)星約有30顆,數(shù)據(jù)源主要有NOAA衛(wèi)星系列、Landsat衛(wèi)星系列、MOS-1和JERS-1、GMS、“風(fēng)云-N”氣象衛(wèi)星、SPOT衛(wèi)星、ERS衛(wèi)星、SeaWiFS、“資源一號(hào)”及MODIS衛(wèi)星等數(shù)據(jù)。其中以L(fǎng)andsat、SPOT等為代表的中空間分辨率為代表的數(shù)據(jù)源在海岸線(xiàn)提取中已被廣泛運(yùn)用;衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率直接決定著水邊線(xiàn)提取的精度,Foody等利用IKONOS數(shù)據(jù)進(jìn)行岸線(xiàn)提取,達(dá)到1∶5000精度水平。近年來(lái),衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率提升迅速,目前已有多顆亞米級(jí)高空間分辨率衛(wèi)星如GeoEye、WorldView投入運(yùn)行,有望進(jìn)一步提升調(diào)查精度。瞬時(shí)水邊線(xiàn)提取方法分為人工目視解譯與自動(dòng)信息提取。目視解譯通過(guò)人機(jī)交互方式把海岸線(xiàn)描繪出來(lái)并保存成線(xiàn)性矢量圖層,方法簡(jiǎn)單,但精度受人為主觀因素的影響;自動(dòng)信息提取方法快捷,計(jì)算過(guò)程可以多次重復(fù),是遙感應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。自動(dòng)信息提取實(shí)質(zhì)上是一個(gè)圖像分割的過(guò)程,方法較多,國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了閾值分割法、邊緣檢測(cè)法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)等多種算法,極大地推進(jìn)了自動(dòng)信息提取研究。不過(guò)這些方法從本質(zhì)上講,都是基于像元的,還無(wú)法從根本上擺脫基于像元分析方法特征單一的局限性。近年來(lái),面向?qū)ο笊虡I(yè)軟件E-cognition的問(wèn)世,帶動(dòng)了基于面向?qū)ο筮b感信息提取研究的熱潮。該方法綜合考慮了地物波譜與紋理信息,通過(guò)基于對(duì)象的典型特征進(jìn)行分析和判別來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提取,較僅考慮像元波譜信息具有一定的優(yōu)勢(shì)?？傮w上,目前自動(dòng)信息提取方法客觀上解決了水陸邊界清晰、水體潔凈的海岸帶地區(qū)水邊線(xiàn)提取問(wèn)題,很大程度上提高了海岸線(xiàn)提取效率。但是,與遙感傳感器技術(shù)發(fā)展的速度相比,自動(dòng)提取信息算法研制的速度相對(duì)緩慢得多,目前海岸線(xiàn)自動(dòng)提取結(jié)果中仍存在噪聲多、計(jì)算量大、提取邊緣容易中斷、后續(xù)邊緣處理工作量大等難題亟待解決。大江、大河入?？诘貐^(qū)水體泥沙含量高,潮灘中大量殘余水體的存在,使水、陸界線(xiàn)在光譜曲線(xiàn)上的診斷特征變得不夠明顯,是目前海岸線(xiàn)提取的又一大難點(diǎn)。Ryu等通過(guò)遙感、光譜測(cè)試與野外實(shí)測(cè)調(diào)查,研究結(jié)果表明,在退潮的情況下,因殘余水體的影響,熱紅外效果較好,但還沒(méi)有某一個(gè)波段能完全滿(mǎn)足要求,多波段的組合運(yùn)用是解決這個(gè)難題的一個(gè)思路。高光譜數(shù)據(jù)波段多,波譜信息豐富,可以對(duì)不同地物光譜之間的細(xì)微差異進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà),可以有效提高潮灘水陸分類(lèi)效果。但目前高光譜遙感在沿海潮灘區(qū)域應(yīng)用多以航空高光譜與地面實(shí)測(cè)高光譜為主,星載高光譜數(shù)據(jù)雖然探測(cè)面積大、精度高、成本低,但數(shù)據(jù)的稀缺性(唯一在軌的星載高光譜遙感衛(wèi)星為Hyperion),使其相應(yīng)研究還處于起步階段。隨著1978年Seasat衛(wèi)星發(fā)射開(kāi)始,航天微波遙感(SAR)為海岸線(xiàn)提取提供了另一種技術(shù)手段。SAR為主動(dòng)遙感,側(cè)視成像,可全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè),具有穿透力強(qiáng)、分辨率高、靈敏度高等特點(diǎn),具有不受大氣、云層等影響等優(yōu)點(diǎn)。微波雷達(dá)探測(cè)水邊線(xiàn)主要基于淤泥質(zhì)潮灘上的淤泥和水體表面的粗糙度,復(fù)介電常數(shù)等參數(shù)的差異與變化。雷達(dá)成像基本原理與圖像解譯見(jiàn)文獻(xiàn)。基于微波的水邊線(xiàn)算法主要是邊緣檢測(cè)算法。該方法提取SAR圖像的海岸線(xiàn),但由于斑點(diǎn)噪聲、風(fēng)浪引起的海面粗糙等原因,SAR圖像上陸地和水的對(duì)比度常常不明顯,影響了利用SAR數(shù)據(jù)提取海岸線(xiàn)的精度。從目前研究結(jié)果來(lái)看,提取直線(xiàn)精度較高,但對(duì)復(fù)雜的水邊線(xiàn)效果較差。同時(shí),微波遙感數(shù)據(jù)源相對(duì)稀缺,數(shù)據(jù)成本高,目前還多處于試驗(yàn)研究階段。激光雷達(dá)(Lidar)是一種主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備,是傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電或微波雷達(dá)向光學(xué)頻段的延伸。它通過(guò)發(fā)射激光光束,并能精確記錄傳感器發(fā)生和接收激光脈沖信號(hào)的瞬時(shí)時(shí)刻,然后利用光速恒定原理,將脈沖發(fā)射和反射的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為斜距,同時(shí)參考傳感器的高度,激光掃描角度以及從GPS得到的傳感器位置信息準(zhǔn)確計(jì)算出脈沖到達(dá)每個(gè)地面光斑的三維點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)三維坐標(biāo)構(gòu)建地表模型,再依據(jù)潮位資料,可以達(dá)到海岸線(xiàn)提取的目的。機(jī)載激光掃描側(cè)高技術(shù)發(fā)展已有近20年歷史,硬件技術(shù)也不斷發(fā)展,目前激光雷達(dá)測(cè)地技術(shù)已較為成熟,國(guó)際最先進(jìn)的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)SHOALS3000測(cè)地模式水平精度已達(dá)到2m,垂直精度25cm。雖然絕大部分硬件技術(shù)及系統(tǒng)集成的問(wèn)題已得到解決,但數(shù)據(jù)處理相對(duì)滯后,還沒(méi)有通用的數(shù)據(jù)處理軟件,用戶(hù)無(wú)法根據(jù)自己的需要管理這些數(shù)據(jù)。航片、星載光學(xué)遙感、微波遙感、機(jī)載激光雷達(dá)等技術(shù)在水邊線(xiàn)調(diào)查中有著各自的優(yōu)勢(shì)與不足。在實(shí)際應(yīng)用中,精度、成本、數(shù)據(jù)可獲取性、數(shù)據(jù)處理難易程度往往是決定遙感技術(shù)能否投入廣泛應(yīng)用的主要考量因素,Gens對(duì)這4種遙感手段進(jìn)行了對(duì)比分析,從調(diào)查精度上看,基本處于同一級(jí)別范圍,水平精度均可以控制在10m以?xún)?nèi);航空遙感調(diào)查雖然精度較高,但成本高昂,無(wú)法對(duì)某一地區(qū)開(kāi)展持續(xù)性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);微波雷達(dá)數(shù)據(jù)具有全天候特點(diǎn),但數(shù)據(jù)源稀缺,數(shù)據(jù)成本較高,阻礙了其廣泛應(yīng)用;機(jī)載激光雷達(dá)在國(guó)外得到了廣泛應(yīng)用,我國(guó)目前的激光雷達(dá)系統(tǒng)還處于研制階段,對(duì)引進(jìn)的國(guó)外硬件系統(tǒng),還沒(méi)有系統(tǒng)掌握其數(shù)據(jù)處理技術(shù);光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源豐富,成本較低,精度基本滿(mǎn)足應(yīng)用要求,但受天氣、潮汐條件影響較大,在水體渾濁的海岸帶地區(qū),調(diào)查精度受限,是目前該技術(shù)的主要不足。鑒于各種手段的優(yōu)劣勢(shì),在未來(lái)的研究中,開(kāi)展高光譜信息分析,多源遙感數(shù)據(jù)綜合調(diào)查,集中多源遙感的技術(shù)優(yōu)勢(shì),將是未來(lái)海岸線(xiàn)調(diào)查的發(fā)展方向。3潮灘沖淤演變的研究進(jìn)展潮灘特別是淤泥質(zhì)潮灘,是一種動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的土地資源,存在明顯的沖淤變化,是岸灘長(zhǎng)期作用的綜合反映,查清其性質(zhì)和分布對(duì)灘涂資源的合理開(kāi)發(fā)和研究現(xiàn)代海岸帶動(dòng)態(tài)變化具有重要意義。水邊線(xiàn)提取的主要目的是對(duì)海岸帶的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。不同水邊線(xiàn)間因潮位不同而不具有比較性。潮灘沖淤遙感分析一般通過(guò)構(gòu)建DEM,對(duì)DEM進(jìn)行疊加分析而實(shí)現(xiàn)。航空、航天立體像對(duì)、,激光雷達(dá)以及合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)等均可以直接生成DEM。航空、航天立體相對(duì)生成DEM進(jìn)行沖淤分析成像需要選擇低潮位,潮灘暴露面積最大化時(shí)刻,這個(gè)時(shí)刻的衛(wèi)星影像難以獲取,航片具有成本高,且潮灘地勢(shì)平坦,DEM構(gòu)建精度受限;激光雷達(dá)技術(shù)海岸帶測(cè)高在我國(guó)的應(yīng)用還處于起步階段。InSAR技術(shù)為獲取快速精確的DEM提供了一個(gè)全新的方法,是雷達(dá)遙感新的研究方向,是當(dāng)今世界各國(guó)地學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。用InSAR技術(shù)生成DEM,可以測(cè)量地面高程,其精度可達(dá)數(shù)米。但是由于InSAR數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性和專(zhuān)業(yè)性,實(shí)現(xiàn)InSAR數(shù)據(jù)高精度配準(zhǔn)、有效抑制噪聲、高精度相位展開(kāi)以及生成高精度的DEM等方面還存在較大的困難。目前用InSAR技術(shù)生成DEM,其精度達(dá)數(shù)米。潮灘地區(qū)在一定時(shí)間段內(nèi),地形變化較大,數(shù)米級(jí)的精度難以滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。但因成本與數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理等方面的障礙,目前還沒(méi)有得到大規(guī)模應(yīng)用。衛(wèi)星光學(xué)遙感可以通過(guò)水邊線(xiàn)提取,利用潮位分帶校正,獲取水邊線(xiàn)的高程,通過(guò)空間插值建立DEM,是目前最為常用的方法。這種方法中,海平面就如同高度計(jì),水邊線(xiàn)等同于等高線(xiàn)。這種方法的難點(diǎn)在潮位改正。潮位改正包括時(shí)間的改正與空間潮位分帶改正。由于潮位數(shù)據(jù)通常是整點(diǎn)時(shí)刻的數(shù)據(jù),若要精確獲取該衛(wèi)星成像時(shí)刻的潮位數(shù)據(jù),一種方法是已知預(yù)報(bào)時(shí)采用潮汐調(diào)和常數(shù),內(nèi)插任意時(shí)刻的潮位數(shù)據(jù);另一種方法是通過(guò)整點(diǎn)的潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)建立多項(xiàng)式,采用插值(或擬合)方法獲取任意時(shí)刻的潮位。潮位分帶改正利用空間位置上不同的潮位站資料,采用不同的方法確定不同岸段水邊線(xiàn)的高程。韓震等提出了基于空間插值的潮位分帶校正方法,鄭宗生等提出了借助水動(dòng)力模型模擬出對(duì)應(yīng)遙感成像時(shí)刻的水位。Zhao等利用水邊線(xiàn),通過(guò)潮位校正方法建立了崇明東灘與九段沙DEM模型。沈芳等把基于此方法構(gòu)建的DEM與實(shí)測(cè)DEM進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,構(gòu)建的DEM高程精度相對(duì)誤差小于0.5m區(qū)域占總面積的70%。由于目前的商業(yè)衛(wèi)星重訪(fǎng)周期都在10d以上,加上天氣的干擾,要想達(dá)到構(gòu)建一個(gè)時(shí)間段的DEM所需要的不同潮情水邊線(xiàn)的數(shù)量,往往持續(xù)數(shù)年時(shí)間。沖淤演變速度很快,這數(shù)年間可能潮灘地形本身已發(fā)生較大變化,影響了所建DEM的代表性。NOAA衛(wèi)星的AVHRR、SEASTAR衛(wèi)星的SeaWiFS的時(shí)間分辨率雖然提高到2h,但星下點(diǎn)地面分辨率近1km,影響成果精度。要實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間精度的兼顧,是目前面臨的難題。綜上,潮灘沖淤演變分析目前仍然是遙感應(yīng)用的薄弱領(lǐng)域。在實(shí)際調(diào)查中,仍然以野外實(shí)地測(cè)量為主,遙感沖淤分析多提供輔助信息。航空、航片立體像對(duì)、InSAR等技術(shù)均受限于成本,精度要求離實(shí)際應(yīng)用需求還有一定距離。衛(wèi)星光學(xué)遙感水邊線(xiàn)方法也存在可利用數(shù)據(jù)源不足的問(wèn)題。但I(xiàn)nSAR與激光雷達(dá)技術(shù)顯示出良好的應(yīng)用潛力,在未來(lái)的研究中,進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究,有望改變潮灘沖淤遙感應(yīng)用能力不足的現(xiàn)狀。4海底深度遙感研究進(jìn)展目前,水深測(cè)量數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)船載水深測(cè)量的方式進(jìn)行,主要利用回聲測(cè)深儀采集水深數(shù)據(jù),利用GPS接收機(jī)采集定位數(shù)據(jù)。長(zhǎng)期以來(lái),單波束、多波束水深測(cè)量在海洋測(cè)繪中一直占據(jù)主導(dǎo)地位,測(cè)深數(shù)據(jù)廣為應(yīng)用。其中多波速與目前常規(guī)單波束比較,具有測(cè)深點(diǎn)多、覆蓋面寬、效率高的特點(diǎn)。目前,以單波束與多波束方法為代表的聲學(xué)測(cè)深技術(shù)是我國(guó)海岸帶水深測(cè)量最為常用的方法。該技術(shù)手段成熟、測(cè)量精度高,但測(cè)量周期長(zhǎng)、成本高,且在近岸潮灘水淺地區(qū),船舶無(wú)法通行,會(huì)形成測(cè)量空白區(qū)。較傳統(tǒng)的船舶聲納測(cè)深方法,遙感水深探測(cè)具有速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)。在淺海、島礁或者船只無(wú)法到達(dá)的海域,具有良好的應(yīng)用潛力?；谶b感的水下地形調(diào)查研究始于20世紀(jì)60至70年代,具有水下地形調(diào)查的遙感技術(shù)包括衛(wèi)星光學(xué)遙感、雷達(dá)與激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)。其測(cè)量原理可以分別稱(chēng)之為:密度法、波浪法和視差法。密度法是根據(jù)物理學(xué)理論分析淺水區(qū)的輻射傳輸過(guò)程,建立光譜反射率與水深的解析關(guān)系。波浪法是根據(jù)波浪模式(波速、波浪周期、波浪折射等)與水深、海底地形等的關(guān)系(如重力波在淺水區(qū)產(chǎn)生折射、潮流在經(jīng)過(guò)淺水區(qū)會(huì)引起水面粗糙度的變化、水深陡變地形會(huì)產(chǎn)生內(nèi)波),利用影像記錄的水表面波動(dòng)信息來(lái)分析波動(dòng)模態(tài)的變化,得出水深。視差法是采用雙介質(zhì)攝影測(cè)量的,通過(guò)測(cè)量視差得出水深。衛(wèi)星光學(xué)遙感水深測(cè)量屬于密度法。利用光學(xué)遙感潛水區(qū)水深測(cè)量能力早已被認(rèn)識(shí),其原理主要是利用太陽(yáng)光在水體內(nèi)部的穿透能力,通過(guò)遙感器采集水下一定深度范圍內(nèi)信息,再通過(guò)信息處理方法分離出水體厚度信息。傳感器接收到的光譜信息包括大氣散射、水氣界面直接反射光,光線(xiàn)進(jìn)入水體,經(jīng)過(guò)衰減,經(jīng)水底放射到達(dá)傳感器。衛(wèi)星接收到的能量中只有5%~15%來(lái)自水體輻射,其他的都是噪聲。這5%~15%能量又來(lái)自于水體中葉綠素、懸浮泥沙和黃色物質(zhì)等多個(gè)因子的共同貢獻(xiàn),嘗試如何建立削弱懸浮物質(zhì)影響的水深反演模型是目前在遙感測(cè)深方法研究中需要解決的問(wèn)題。根據(jù)解算方法的不同,解決思路可分為基于輻射傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?、半理論半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計(jì)相關(guān)模型。統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型操作起來(lái)簡(jiǎn)單,是目前水深反演應(yīng)用最廣泛的手段。它是在分析實(shí)測(cè)水深值之間與水體光譜反射率,或反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析遙感圖像的反射率與實(shí)測(cè)水深之間的相關(guān)性來(lái)選取水深反演因子,建立了線(xiàn)性與非線(xiàn)性統(tǒng)計(jì)模型。張鷹等在建立統(tǒng)計(jì)模型時(shí)考慮了懸浮泥沙濃度的影響,有效地提高了反演的精度。光學(xué)遙感方法的經(jīng)費(fèi)投入大約是常規(guī)方法的1/6~1/4,而需時(shí)則不到常規(guī)方法1/10,總體平均相對(duì)誤差在20%左右。雖然在成本、效率上較常規(guī)方法具有很大的優(yōu)勢(shì),但大氣成分對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊懙纫蛩厥沟眯l(wèi)星遙感所能接收的離水輻射信息較弱,僅以簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)相關(guān)并不能準(zhǔn)確地表達(dá)遙感信息和水深之間的關(guān)系,造成目前的反演精度離實(shí)際應(yīng)用要求還有差距。未來(lái)隨著高光譜遙感數(shù)據(jù)信息挖掘技術(shù)的深入,將會(huì)把實(shí)驗(yàn)研究的光譜規(guī)律很好地應(yīng)用到模型中來(lái),從而提高反演精度。SAR淺海水下地形遙感研究最早可以追溯到1969年,第一顆海洋雷達(dá)衛(wèi)星Seasat首次向人們展示了SAR淺海水下地形探測(cè)的巨大潛力。SAR之所以探測(cè)到淺海水下地形信息,AH成像理論模型認(rèn)為:由于淺海水下地形間接改變了海表面風(fēng)致微尺度波的空間分布。海表層變化的流場(chǎng)會(huì)引起輻聚、輻散現(xiàn)象。在輻聚區(qū)海表面粗糙度變大,Bragg波振幅增加;在輻散區(qū)海表粗糙度降低,Bragg波振幅減少。對(duì)應(yīng)于雷達(dá)圖像上輻聚區(qū)亮度增強(qiáng),而輻散區(qū)亮度減少。SAR淺海水下地形圖像所現(xiàn)的雷達(dá)后向散射截面的變化與淺海水深有著密切的關(guān)系,一般對(duì)應(yīng)不超過(guò)50m的水深。SAR淺海水下地形成像的前提是較強(qiáng)潮流的存在和風(fēng)致海表面微尺度波的產(chǎn)生。前人研究結(jié)果表明:在3~10m/s的中等風(fēng)速和大于0.5m/s的強(qiáng)潮流條件下,雷達(dá)可以探測(cè)到淺海水下地形。較具規(guī)模和影響的是荷蘭科學(xué)家1993年開(kāi)始建立的“水深估測(cè)系統(tǒng)”,其精度在實(shí)驗(yàn)區(qū)達(dá)到30cm的誤差。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年也陸續(xù)開(kāi)展了雷達(dá)水下測(cè)量的理論與應(yīng)用研究;雷達(dá)圖像的后向散射截面強(qiáng)度與淺海水深變化的相關(guān)性依賴(lài)于風(fēng)、潮流和淺海水下地形的相互作用,雷達(dá)圖像反映的可能是內(nèi)在的波浪信息,而非深度,目前這種相關(guān)性依然是國(guó)內(nèi)外研究的難點(diǎn)。機(jī)載激光水深測(cè)量系統(tǒng)是集光、機(jī)、電于一體的海洋探測(cè)新技術(shù),是當(dāng)今海洋測(cè)繪領(lǐng)域最先進(jìn)技術(shù)的集中體現(xiàn)。激光雷達(dá)測(cè)深是利用機(jī)載激光發(fā)射和接收設(shè)備,通過(guò)發(fā)射大功率脈沖激光,進(jìn)行海洋水底探測(cè)的一種技術(shù)。Brock等對(duì)激光測(cè)高進(jìn)行海岸帶地形測(cè)量的原理進(jìn)行了論述。其原理是基于海水中存在一個(gè)類(lèi)似于大氣的透光窗口(即海水對(duì)0.47~0.58μm之間波長(zhǎng)范圍內(nèi)藍(lán)綠光的衰減系數(shù)最小),通過(guò)從飛機(jī)上由激光雷達(dá)向下發(fā)射高功率、窄脈沖激光,同時(shí)測(cè)量水面反射光(主要是紅外激光)與水底反射的藍(lán)綠激光的回波,兩者的時(shí)間差乘以光在水中的傳播速度即可以得到水深。近年來(lái)激光測(cè)深硬件系統(tǒng)發(fā)展很快,其中最為著名的是加拿大研制的Shoals系統(tǒng),現(xiàn)已發(fā)展到最新型號(hào)Shoals3000T,該系統(tǒng)的測(cè)量精度,已完全能夠達(dá)到《國(guó)際海道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級(jí)測(cè)量精度指標(biāo)要求,測(cè)量頻率為3000Hz,測(cè)量深度為0.2~50m,掃描寬度為300m,調(diào)查效率是常規(guī)調(diào)查的5倍以上,而調(diào)查成本僅為常規(guī)調(diào)查的1/5。我國(guó)在2004年研制了機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)LADM-II,在海南三亞灣進(jìn)行首次飛行試驗(yàn),得到滿(mǎn)意的試驗(yàn)效果,使得這一技術(shù)接近國(guó)際先進(jìn)水平。目前我國(guó)新一代機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)正處于研制階段,陳衛(wèi)標(biāo)等對(duì)該系統(tǒng)的理論分析,認(rèn)為50m水深的最終誤差控制在0.3m具有可行性。與探測(cè)系統(tǒng)相比,機(jī)載激光水深測(cè)量數(shù)據(jù)后處理技術(shù)仍是國(guó)際上研究的難點(diǎn),主要原因在于:①激光在大氣—海水界面和水中的傳播能量損失大,海底回波信號(hào)弱;②海浪和水中懸浮物體對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)回波信號(hào)方向和強(qiáng)度都有較大影響,而且影響是隨機(jī)的;③由于海水中各種光的散射以及藻類(lèi)的虛假目標(biāo),造成了回波的復(fù)雜性。激光測(cè)深技術(shù)很大的一個(gè)不足在于其測(cè)量深度,一般測(cè)量深度大約為透明度的2~3倍,在清水區(qū)一般只能達(dá)到50m,到近海濱渾濁海域小于10m,而對(duì)于極端渾濁海域則不再適用。我國(guó)河口地區(qū)海域一般懸浮泥沙濃度較高,從目前檢索的文獻(xiàn)來(lái)看,還鮮見(jiàn)在這些地區(qū)成功應(yīng)用的案例。機(jī)載激光水深測(cè)量是未來(lái)發(fā)展的主要方向,也是我國(guó)目前水深調(diào)查領(lǐng)域的研究重點(diǎn),需要進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理研究。同時(shí),還需要加強(qiáng)高光譜水深反演研究,反演模型中考慮懸浮泥沙反演因子,進(jìn)一步提高光學(xué)遙感水深反演的精度。5實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)懸浮泥沙含量時(shí)空變化是研究河口海岸沖淤變化,估算河流入海物質(zhì)通量、海洋沉積速率與沉降環(huán)境的重要參數(shù)。由于受地形、徑流、潮汐、波浪以及淡鹽水混合等多因素的綜合影響,懸浮泥沙的時(shí)空分布、運(yùn)動(dòng)特性以及沉積部位經(jīng)常變化,是海洋遙感領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。借助遙感手段可以快速地獲取水體泥沙信息。國(guó)內(nèi)外懸浮泥沙濃度反演方法一般分為兩種:①基于大氣輻射傳輸理論模型法,該模式根據(jù)輻射在大氣中傳輸?shù)幕纠碚?分析遙感探測(cè)中要處理的問(wèn)題。在遙感器獲取數(shù)據(jù)的同時(shí),需要對(duì)一系列的大氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,其優(yōu)點(diǎn)是能夠比較合理地處理大氣散射、氣體吸收問(wèn)題形成連續(xù)光譜,避免在光譜反演中出現(xiàn)較大的定量誤差。Gordon等分析了光在水和大氣中傳輸?shù)臋C(jī)理,根據(jù)水體漫反射的(準(zhǔn))單散射模型建立了著名的Gordon關(guān)系式。目前,國(guó)內(nèi)外許多遙感專(zhuān)家正在從事這方面的研究,結(jié)合地面場(chǎng)地外定標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)信息的反演研究,并取得了比較理想的結(jié)果。②基于地面實(shí)測(cè)法,是一種比較簡(jiǎn)便的反射率反演方法,它把從地面獲取的輔助信息對(duì)遙感器進(jìn)行地面定標(biāo),然后用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算地表物理參數(shù)。這也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用的方法,一般利用SeaWIFS、NOAA、Landsat、SPOT等衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面測(cè)量光譜進(jìn)行分析,高光譜測(cè)量?jī)x測(cè)得的水面光譜和懸浮顆粒濃度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,建立了兩者的定量模型。Doxoran等的研究表明,對(duì)于河口高混濁水體,SPOT的近紅外波段XS3(790~890nm)的遙感反射率Rrs(XS3)以及Rrs(XS3)/Rrs(XS1)和Rrs(XS3)/Rrs(XS2)與懸浮泥沙的濃度有很好的相關(guān)性。李四海等利用SeaWiFS數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)江口與杭州灣海域的懸浮泥沙進(jìn)行了研究,在實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,以波段比值的方式建立了遙感反演懸浮泥沙的模式。實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)模型構(gòu)建中往往具有重要作用,基于多光譜的懸浮泥沙反演精度一般在65%左右;為進(jìn)一步提高反演精度,還需要深化光譜實(shí)驗(yàn)方面的分析,對(duì)多光譜,特別是高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行信息發(fā)掘,充分了解不同水體環(huán)境、泥沙條件下的光譜規(guī)律,并利用更有效的大氣校正模型消除大氣的影響,從而提高分析的精度和模型的適用性。6研究充填研究在進(jìn)行海岸帶后備土地