我國(guó)海岸帶海島礁遙感研究進(jìn)展及建議

一、前言

作為陸地與海洋的過(guò)渡區(qū)域，海岸帶是眾多物質(zhì)、能量的集散地，同時(shí)也是物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)構(gòu)造等各種過(guò)程的強(qiáng)耦合區(qū)域。因此，海岸帶也成為人類(lèi)活動(dòng)最為強(qiáng)烈的區(qū)域。以我國(guó)為例，在僅占全國(guó)陸地國(guó)土面積 14% 的沿海地區(qū)集中了三大都市圈、50% 以上的大城市和 40% 的中小城市、50% 左右的人口和 60% 的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)增強(qiáng)的雙重影響下，海岸帶生態(tài)環(huán)境不斷惡化 ，成為生態(tài)脆弱和災(zāi)害性頻發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。此外，海島礁作為四面環(huán)海的小塊陸地，可以作為人類(lèi)開(kāi)發(fā)海洋的遠(yuǎn)涉基地和前進(jìn)支點(diǎn)，在全球經(jīng)濟(jì)向海洋發(fā)展的大背景下，其開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度和速度越來(lái)越快，同樣扮演著極其重要的經(jīng)濟(jì)和軍事角色。因此，監(jiān)測(cè)海岸帶、海島礁對(duì)指導(dǎo)我國(guó)制定海洋發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。

遙感作為遠(yuǎn)距離觀測(cè)技術(shù)，具有空間覆蓋廣、時(shí)間一致性好、獲取周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為變化速度快、空間范圍廣的海岸帶以及可達(dá)性較差的海島礁等目標(biāo)的重要監(jiān)測(cè)手段。及時(shí)、準(zhǔn)確地了解我國(guó)海岸帶、海島礁遙感研究進(jìn)展和存在的問(wèn)題，可為我國(guó)海岸帶、海島礁生態(tài)系統(tǒng)研究和管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和規(guī)劃以及可持續(xù)發(fā)展提供快速、準(zhǔn)確的信息支撐。為此，本文對(duì)近十年來(lái)我國(guó)海岸帶、海島礁遙感研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行綜述，并結(jié)合當(dāng)前相關(guān)技術(shù)發(fā)展背景，給出若干建議，以期為我國(guó)的海洋強(qiáng)國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù)。

二、研究現(xiàn)狀

為系統(tǒng)總結(jié)研究現(xiàn)狀，以下根據(jù)海岸帶的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 1），按照內(nèi)陸到海洋的順序，依次從“近海陸域 – 潮間帶 – 近海水域 – 海島礁”四個(gè)方面分別綜述。

圖 1 本文“近海陸域 – 潮間帶 – 近海水域 – 海島礁”地域結(jié)構(gòu)劃分示意圖

（一） 近海陸域遙感

1. 全要素土地利用 / 覆蓋遙感進(jìn)展

土地利用 / 覆蓋數(shù)據(jù)是全球變化研究的重要組成部分，長(zhǎng)久以來(lái)都是海岸帶遙感監(jiān)測(cè)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。當(dāng)前，我國(guó)研究、生產(chǎn)并對(duì)全球共享了一套 30 m 空間分辨率的全球土地利用 / 覆蓋數(shù)據(jù)（GlobeLand30）。此外，針對(duì)海岸帶的特殊性，開(kāi)展了周期 5 年（2000—2015 年）的中國(guó)海岸帶土地利用 / 覆蓋高精度制圖。在持續(xù)更新方面，通過(guò)挖掘歷史影像與歷史土地覆被數(shù)據(jù)間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)更新制圖的自動(dòng)化。隨著高分遙感的發(fā)展，例如分辨率為 1 m 的國(guó)產(chǎn)高分二號(hào)衛(wèi)星影像，地物目標(biāo)識(shí)別的精細(xì)程度增加，挖掘海岸帶人類(lèi)居住區(qū)域的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)成為可能，這對(duì)于以功能為導(dǎo)向的城市空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃研究和生態(tài)環(huán)境研究具有十分重要的意義。

2. 專(zhuān)題目標(biāo)遙感研究進(jìn)展

針對(duì)海岸帶一些重點(diǎn)目標(biāo)開(kāi)展了時(shí)空制圖及評(píng)估研究。針對(duì)具有促淤造陸、防浪護(hù)堤以及維持生物多樣性和全球碳平衡等功能的紅樹(shù)林，借助Landsat 衛(wèi)星在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展了長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)獲取；在高分遙感技術(shù)的發(fā)展背景下，還探索了局部地區(qū)不同樹(shù)種的制圖，有效支撐紅樹(shù)林精細(xì)管理；針對(duì)兼具濕地生態(tài)和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)功能的養(yǎng)殖池塘與鹽田，開(kāi)展了 1984—2016 年全國(guó)范圍的長(zhǎng)時(shí)間序列研究。針對(duì)海陸交通集結(jié)點(diǎn)的海港，通過(guò)遙感土地覆被制圖開(kāi)展重要港口城市及其周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境評(píng)估，以及高分遙感支持下通過(guò)港口內(nèi)部制圖評(píng)估港口貨物吞吐量。

3. 沿海地區(qū)地面沉降研究進(jìn)展

沿海地區(qū)在快速城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中消耗了大量地下資源，例如地下水位下降導(dǎo)致地面下沉，損失嚴(yán)重。合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）測(cè)量能夠以毫米級(jí)的精度監(jiān)測(cè)這種變形，并且在黃河三角洲、珠江三角洲開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，證實(shí)這種變化源自快速城鎮(zhèn)化和漁業(yè)養(yǎng)殖抽取地下水。

（二） 潮間帶遙感

1. 海岸線遙感

海岸線是海陸的分界線，不僅能夠定量化地衡量人類(lèi)活動(dòng)結(jié)果和海陸自然相互作用，還能夠反映全球氣候變化背景下海平面的上升趨勢(shì)。針對(duì)海岸線的特點(diǎn)建立遙感解譯標(biāo)志，并開(kāi)展近 30 年的中國(guó)大陸海岸線提取和變化分析，同時(shí)針對(duì)遙感影像中潮間帶難以確定的問(wèn)題開(kāi)展研究。

2. 生物入侵遙感

為了保護(hù)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)免受有意引入或者船只通航等無(wú)意引入的外來(lái)物種的破壞，開(kāi)展了系列研究，為準(zhǔn)確掌握生物入侵和消退規(guī)律提供關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，進(jìn)而為管控提供有益參考?；セ撞菔瞧渲忻娣e較廣、影響嚴(yán)重的一個(gè)物種，大量取代本地海三棱藨草，導(dǎo)致很多水鳥(niǎo)難以獲取食物?；诟叻诌b感影像，文獻(xiàn)對(duì)浙江沿海區(qū)域入侵的空間格局進(jìn)行精細(xì)識(shí)別研究；此外，基于 15/30 m 分辨率的衛(wèi)星遙感，開(kāi)展了大陸海岸帶互花米草時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3. 海水入侵及土壤鹽漬化遙感

快速城鎮(zhèn)化，尤其是地下水開(kāi)采，引發(fā)海水入侵及土壤鹽漬化，嚴(yán)重影響沿海生態(tài)環(huán)境。通過(guò)鹽漬化土壤表面光譜特征差異和地表植被覆蓋的變化，遙感可以用于反演和評(píng)估海水入侵及土壤鹽漬化的發(fā)展過(guò)程和影響，為相關(guān)治理提供科學(xué)指導(dǎo)。

（三） 近海水域遙感

1. 海上養(yǎng)殖遙感

海上養(yǎng)殖區(qū)是海岸帶經(jīng)濟(jì)的另一個(gè)主要產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是重要的海洋災(zāi)害承災(zāi)體。隨著高分遙感影像在空間分辨率和灰度分辨方向的發(fā)展，海上養(yǎng)殖區(qū)域目標(biāo)提取成為可能。文獻(xiàn)基于面向?qū)ο蠛椭本€段基元的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)衛(wèi)星影像的筏式養(yǎng)殖區(qū)高精度提取；文獻(xiàn)將人眼視覺(jué)機(jī)制與面向?qū)ο蠼Y(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種水色背景較復(fù)雜的筏式海水養(yǎng)殖區(qū)提取。

2. 海洋災(zāi)害遙感

風(fēng)暴潮、海上溢油、赤潮等海洋災(zāi)害發(fā)生迅速、涉及面廣，而遙感可以快速大面積獲取災(zāi)害要素的空間分布和現(xiàn)勢(shì)狀態(tài)，為評(píng)估、救災(zāi)發(fā)揮重要支撐作用。文獻(xiàn)利用遙感數(shù)據(jù)反演的水面風(fēng)、海表溫度等參數(shù)，結(jié)合模型算法，實(shí)現(xiàn)山東半島滸苔爆發(fā)的路徑預(yù)測(cè)，并發(fā)現(xiàn)這種滸苔暴發(fā)起源于江蘇省海岸線。

（四） 島礁遙感

1. 海島礁遙感

根據(jù)島礁四面臨海的特征，在應(yīng)用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)，可以在很大程度上借鑒海岸帶遙感技術(shù)，例如島礁制圖及岸線提取監(jiān)測(cè)，利用 InSAR 監(jiān)測(cè)島礁沉降變形，土地覆被或?qū)ｎ}信息提取技術(shù)，珊瑚礁的高精度分類(lèi)，以及珊瑚礁地貌制圖及變化監(jiān)測(cè)。

2. 島礁證據(jù)遙感

島礁涉及到領(lǐng)海主權(quán)問(wèn)題，經(jīng)常在國(guó)家海洋主權(quán)之爭(zhēng)中成為重要的焦點(diǎn)。現(xiàn)有仲裁機(jī)制多以第一個(gè)登陸并有效控制的國(guó)家作為島礁主權(quán)認(rèn)證原則，而遙感數(shù)據(jù)的歷史存檔功能恰好迎合了這一需求。文獻(xiàn)系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前的相關(guān)案例，對(duì)遙感證據(jù)的證明價(jià)值、提交方式、影響其證明分量的諸因素結(jié)合遙感技術(shù)及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)分析。文獻(xiàn)以中國(guó)南沙島礁為實(shí)例，通過(guò)遙感影像和歷史文獻(xiàn)資料調(diào)查，提出《聯(lián)合國(guó)海洋公約》中的島礁認(rèn)定方法不嚴(yán)謹(jǐn)。

三、存在的問(wèn)題

海岸帶是一個(gè)海陸交界的強(qiáng)交互復(fù)雜區(qū)域，遙感可研究的內(nèi)容非常豐富，以上只是代表性總結(jié)部分研究?？傮w而言，我國(guó)的海岸帶遙感發(fā)展是比較全面先進(jìn)的，能夠有效支撐國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和海洋戰(zhàn)略。但綜合以上分析，發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾個(gè)突出問(wèn)題。

（一） 遙感數(shù)據(jù)自主性不強(qiáng)

在資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等一些衛(wèi)星項(xiàng)目的成功實(shí)施下，尤其是“高分專(zhuān)項(xiàng)”項(xiàng)目，我國(guó)的衛(wèi)星影像獲取能力大幅提升。但由于用戶(hù)使用慣性、數(shù)據(jù)共享宣傳機(jī)制不完善等問(wèn)題，多數(shù)研究人員在選擇數(shù)據(jù)時(shí)仍慣性地使用國(guó)外的數(shù)據(jù)，例如以上綜述介紹的土地覆蓋、專(zhuān)題信息提取等研究大多是采用美國(guó)的 Landsat 系列衛(wèi)星。在國(guó)內(nèi)外局勢(shì)不穩(wěn)定的情況下，這種重度依賴(lài)國(guó)外遙感數(shù)據(jù)的習(xí)慣，尤其是面對(duì)海岸帶這種變化頻率高、人類(lèi)活動(dòng)密集的區(qū)域，極易受制于人，也不利于國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星影像質(zhì)量在使用中不斷提升。

（二） 遙感信息產(chǎn)品更新頻率低

盡管遙感制圖極大地提高了制圖周期，但很多專(zhuān)題信息產(chǎn)品依然更新頻率緩慢，例如全國(guó)范圍的土地利用基本是五年一更新，這種頻率對(duì)于活動(dòng)劇烈、頻繁的海岸帶區(qū)域，是難以滿(mǎn)足需求的。此外，在面臨臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害時(shí)，很多應(yīng)急數(shù)據(jù)多是災(zāi)前儲(chǔ)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而實(shí)況信息仍主要依靠影像獲取后的人工解譯并逐級(jí)匯總實(shí)現(xiàn)，時(shí)效性很差。雖然研發(fā)了很多遙感信息自動(dòng)提取算法，但大多是集中在小區(qū)域的特殊條件下，很難直接推廣至大區(qū)域和復(fù)雜背景下。

（三） 學(xué)科研究孤立發(fā)展，難以滿(mǎn)足實(shí)際需求

海岸帶是一個(gè)異常復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，在實(shí)際管理中，遙感更多的是對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)的一種技術(shù)，也有很大的局限性。例如，對(duì)近海環(huán)境有重要影響的海岸帶陸域的土地利用場(chǎng)景劃分，盡管高分遙感影像能夠提供一個(gè)關(guān)鍵的本底影像信息，但僅據(jù)此進(jìn)行場(chǎng)景解譯，仍存在很多的困難，還需要提供額外的街區(qū)、興趣點(diǎn)（POI）等非遙感數(shù)據(jù)加以輔助；對(duì)于海水養(yǎng)殖與滸苔爆發(fā)等事件關(guān)聯(lián)的研究，不僅需要遙感專(zhuān)家提供養(yǎng)殖分布、水質(zhì)狀況等動(dòng)態(tài)信息，還需要海洋水動(dòng)力專(zhuān)家、海洋微生物專(zhuān)家、海水養(yǎng)殖專(zhuān)家等提供的多領(lǐng)域知識(shí)，開(kāi)展聯(lián)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M，方能全面認(rèn)知其耦合機(jī)理。

四、建議

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合作者研究經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，提出以下建議。

（一）持續(xù)完善國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)共享

在我國(guó)發(fā)射的一系列遙感衛(wèi)星基礎(chǔ)上，例如高分系列衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等，尤其是中國(guó)科學(xué)院 A 類(lèi)戰(zhàn)略先導(dǎo)的“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”，持續(xù)完善國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)共享及宣傳。這不僅需要國(guó)家層面的持續(xù)性財(cái)政和制度支持，還需要承擔(dān)主體持續(xù)性投入技術(shù)改善、維護(hù)，更需要各終端用戶(hù)的支持和使用，進(jìn)而充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的共享和協(xié)同使用，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)使用比例和效益，同時(shí)增強(qiáng)多元數(shù)據(jù)融合使用，以協(xié)同解決復(fù)雜海岸帶生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題。

（二） 加強(qiáng)海岸帶遙感算法研究，借助云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域性與局部高精度監(jiān)測(cè)自動(dòng)化與常態(tài)化

在云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)海岸帶目標(biāo)的遙感信息自動(dòng)提取及更新算法的研究和集成。不僅要注重從原始影像提取信息的算法，還要注重已有數(shù)據(jù)再利用的算法。例如，深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠自動(dòng)擬合中間特征和過(guò)程，非常有利于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，具有十分重要的借鑒意義。但也應(yīng)注意這類(lèi)機(jī)理不明算法在遇到問(wèn)題時(shí)人工修改不便利性問(wèn)題。建議將深度學(xué)習(xí)與常規(guī)方法結(jié)合，盡可能揚(yáng)長(zhǎng)避短 。此外，注重算法庫(kù)的積累構(gòu)建。多年研究實(shí)踐表明，尚未有一種算法能解決所有信息提取問(wèn)題。因此，應(yīng)厘清各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用條件和范圍，以便數(shù)據(jù)獲取后能夠準(zhǔn)確、及時(shí)調(diào)用，生成信息產(chǎn)品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大區(qū)域和局部高精度監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和常態(tài)化。

（三）凝練、支持重大科學(xué)問(wèn)題，促進(jìn)多學(xué)科交叉融合

遙感獲取的數(shù)據(jù)具有綜合性，在研究復(fù)雜海岸帶時(shí)非常有優(yōu)勢(shì)，可以做到“一方實(shí)驗(yàn)，多方受益”。雖然遙感也有自己的科學(xué)問(wèn)題，但應(yīng)用于海岸帶時(shí)，更多的是作為一門(mén)技術(shù)，應(yīng)當(dāng)秉持陳述彭院士提出的“沒(méi)有技術(shù)支撐的科學(xué)隊(duì)伍是落后的；沒(méi)有科學(xué)理論指導(dǎo)的技術(shù)是盲目的”理念，通過(guò)凝練、支持一批重大科學(xué)問(wèn)題研究，例如海岸帶演變機(jī)制、海洋災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理、赤潮形成機(jī)理等，不僅可以匯聚各領(lǐng)域?qū)＜业睦碚撝R(shí)，促進(jìn)學(xué)科交叉，還能夠使得遙感技術(shù)從中更好地找到自己的位置和努力發(fā)展的方向，進(jìn)而為海岸帶管理貢獻(xiàn)更多的科技力量。