遙感技術(shù)在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用
——以島礁區(qū)調(diào)查為例

韓艷飛

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東廣州 510000

海洋地質(zhì)調(diào)查是利用現(xiàn)代科學(xué)手段，對海洋所在區(qū)域的地形地貌、海底底質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、新生代沉積基底及蓋層性質(zhì)、礦產(chǎn)類型及其性質(zhì)、海水水溫水色等進行的綜合調(diào)查，主要包括標準分幅的不同比例尺區(qū)調(diào)或?qū)ｍ椪{(diào)查。傳統(tǒng)的調(diào)查手段有地質(zhì)取樣、多波束和單波束水深測量、單道地震和多道地震地球物理測量、海洋重力和磁力測量等。隨著對各項技術(shù)手段和地球系統(tǒng)認知的不斷提升，越來越多的新技術(shù)用于海洋地質(zhì)調(diào)查，這些技術(shù)根據(jù)實際需要，應(yīng)用于不同比例尺、不同地質(zhì)情況下的調(diào)查需求中。其中，遙感手段可應(yīng)用于不同比例尺精度需求下的海洋地質(zhì)調(diào)查中。衛(wèi)星遙感具有快速獲取、成本低、時間連續(xù)性、動態(tài)監(jiān)測、面狀連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于海洋表面和淺水區(qū)、島礁、海岸帶的監(jiān)測。

遙感技術(shù)通過傳感器采集目標對象的數(shù)據(jù)，再通過對數(shù)據(jù)的處理與分析，獲取與地物目標或者現(xiàn)象相關(guān)的信息，定性或者定量地研究地球表層的物化生地過程。在日常出行、土地利用、植被覆蓋變化、城市更新、海岸帶、海洋環(huán)境、島礁、水深監(jiān)測等方面有極高的應(yīng)用價值[1]。在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，可在水深反演，島礁區(qū)地貌解譯、海岸線變遷、海表面溫度等方面應(yīng)用。

1 海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查

海洋地質(zhì)調(diào)查以服務(wù)國家需求為基礎(chǔ)，服務(wù)國家資源能源安全、生態(tài)文明建設(shè)和海洋權(quán)益維護[2]。隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國家越來越重視海洋地質(zhì)工作。在我國加快建設(shè)海洋強國的背景下，海洋地質(zhì)工作重要性更加顯現(xiàn)，關(guān)注度日益提升。為了加快海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作步伐，《國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)工作的決定》(國發(fā)〔2006〕4號)明確提出了“實施海洋地質(zhì)保障工程，開展區(qū)域海洋地質(zhì)調(diào)查，進行海岸帶、大陸架和海底地質(zhì)情況探測，系統(tǒng)掌握海洋地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，摸清海域油氣資源潛力”的要求。1∶100萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查先行開展，并于2015年完成調(diào)查全覆蓋，隨后1∶25萬和1∶5萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查在我國重點海域開展調(diào)查。

海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查是地質(zhì)工作的先行和地質(zhì)工作的基礎(chǔ)，具有重要的戰(zhàn)略意義[3]。主要任務(wù)是用當(dāng)今海洋地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和衛(wèi)星遙感等高新技術(shù)手段，系統(tǒng)采集圖幅海洋區(qū)域地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，查明區(qū)內(nèi)海底地形地貌、地球物理場和地球化學(xué)場特征、海底沉積物類型、地層結(jié)構(gòu)及其分布規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造特征、礦產(chǎn)資源類型和分布狀況、海水水質(zhì)情況、地質(zhì)災(zāi)害分布等基礎(chǔ)地質(zhì)信息，開展區(qū)內(nèi)關(guān)鍵地質(zhì)問題綜合研究[3]。為海洋資源勘查、軍事海防、涉海工程建設(shè)和地方海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，提供重要的基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查按照標準分幅，以圖幅為根據(jù)開展工作[3]。經(jīng)緯度作為分幅依據(jù)，在國際1∶100萬標準分幅基礎(chǔ)上進行更細的劃分，其中1∶100萬為小比例尺，1∶25萬為中比例尺，1∶5萬是大比例尺。隨著比例尺的增大，調(diào)查密度同時成倍增加。一般情況下，同一地區(qū)一般先進行小比例尺調(diào)查，再進行較大比例尺或大比例尺的調(diào)查。海洋區(qū)域地質(zhì)的主要科學(xué)方向之一為海洋3S(RS、GPS、GIS)方向。

2 海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查方法

海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查根據(jù)區(qū)域的地質(zhì)與環(huán)境特點等，按照比例尺的精度要求，進行外業(yè)調(diào)查的布設(shè)，包含測線、站位、遙感等。根據(jù)外業(yè)部署，進行野外資料實測和遙感資料收集。采集的地質(zhì)樣品和地球物理等資料返回室內(nèi)，進行樣品測試、數(shù)據(jù)處理，地震解釋，遙感解譯和反演，結(jié)果分析，報告和圖件編制。

2.1 地質(zhì)取樣調(diào)查

外業(yè)地質(zhì)取樣主要有箱式取樣、抓斗取樣和重力柱狀取樣。取回海底地質(zhì)樣品，返回室內(nèi)，利用先進實驗分析方法和設(shè)備對獲得的地質(zhì)樣品進行分析，取得可靠、高精度的地質(zhì)樣品實驗分析數(shù)據(jù)。

2.2 綜合地球物理測量

外業(yè)綜合地球物理測量主要指采用單波束測深、多波束測深、側(cè)掃聲吶測量、淺地層剖面測量、單道地震測量、重力測量、磁力測量等測量技術(shù)[4]，獲取圖幅綜合地球物理數(shù)據(jù)資料，利用先進的地球物理資料處理、解釋系統(tǒng)和設(shè)備，取得高精度處理數(shù)據(jù)和解釋成果。

單波束測深是精確測量測線上水深的有效方法，其測量結(jié)果對綜合地球物理測量的后期處理和解釋等均有其他測深手段不可替代的作用；多波束測深可以更精確地了解圖幅海底地形、地貌特征，獲取高精度的水深和地形數(shù)據(jù)；側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是精確測量海底地形、地貌的有效工具；單道地震勘探是了解淺地層結(jié)構(gòu)的有效手段，該方法可分別對淺海和深海海域進行不同方式的勘探，在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用范圍十分廣泛；多道地震探測技術(shù)，主要用于探測海底地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造及海洋油氣資源等，比單道地震和淺層剖面的探測深度和精度更高。

除了上述內(nèi)容外，還有多種測量技術(shù)在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用：淺層剖面測量，重力、磁力測量等。

2.3 海洋動力和水文環(huán)境測量

海洋動力測量采用定點和走航式測量的方法，獲取圖幅海流流速、流向信息。溫—鹽—深測量(CTD)和海水取樣，獲得調(diào)查區(qū)水文環(huán)境數(shù)據(jù)，了解海水溫度、鹽度的空間變化。

2.4 遙感地質(zhì)解譯

遙感地質(zhì)解譯是了解海域表層海流、懸浮物、溫度和鹽度變化、監(jiān)測海岸線變遷、淺水區(qū)微地貌特征、淺水區(qū)地形等的有效手段。利用不同衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，進行遙感影像處理、提取相關(guān)信息、結(jié)合野外調(diào)查和海面要素反演進行地質(zhì)解譯。

3 遙感技術(shù)在島礁區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用

3.1 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源介紹

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)有多種來源，有以采集可見光波段為主的TM、ALOS、WorldView、高分二號等衛(wèi)星影像；也有以采集微波為主的Sentinel-1、高分三號等數(shù)據(jù)[1]。不同傳感器具有不同的空間和時間分辨率。在進行研究時，可根據(jù)海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的比例尺需求，選擇不同的空間分辨率數(shù)據(jù)。利用多時相數(shù)據(jù)進行海表面要素的反演、海岸線類型解譯、海岸線變遷、水下微地貌解譯、島礁地形地貌植被類型等解譯。

3.1.1 中國資源衛(wèi)星系列[5]

我國已陸續(xù)發(fā)射多顆中巴地球資源衛(wèi)星、資源二號和資源三號衛(wèi)星。資源衛(wèi)星系列可以長期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速地獲取覆蓋全國的高分辨率立體影像和多光譜影像以及輔助數(shù)據(jù)，打破對國外高分辨衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的依賴。其遙感數(shù)據(jù)為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、地質(zhì)礦產(chǎn)、能源、土地、環(huán)保、海洋、測繪、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測等眾多國民經(jīng)濟領(lǐng)域服務(wù)。

3.1.2 中國高分系列[5]

高分系列衛(wèi)星，屬于高分專項工程。該專項建立的初衷是建立一整套高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的自主可控衛(wèi)星系列。從2010年至今，已累計發(fā)射數(shù)十顆衛(wèi)星。其中，高分二號的全色空間分辨率已達1m；高分三號是空間分辨率高達1m的合成孔徑雷達，可全天候、全天時監(jiān)視監(jiān)測全球海洋和陸地資源，為用戶提供穩(wěn)定觀測數(shù)據(jù)，有力支撐海洋權(quán)益維護水資源評價與管理。

3.1.3 Landsat衛(wèi)星影像[6]

美國NASA的陸地衛(wèi)星(Landsat)計劃是運行時間最長的地球觀測計劃，自1972年起至今一直在持續(xù)監(jiān)測拍攝陸地影像。Landsat 4 MSS、Landsat 5 TM以及Landsat 8 OLI是科學(xué)研究常用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Landsat系列遙感影像在土地利用分類、海岸線變遷、植被覆蓋、海洋監(jiān)測、海岸線和潮間帶地貌反演等方面都有廣泛應(yīng)用，空間分辨率從78m提升至30m。

3.1.4 哨兵衛(wèi)星[7]

“哨兵”系列衛(wèi)星是歐洲航天局(ESA)研制，自2014年開始逐步發(fā)射，監(jiān)測北極海冰范圍、海冰測繪、海洋環(huán)境監(jiān)測、城市地面沉降、溢油監(jiān)測、海上安全船舶檢測、洪水淹沒等。Sentinel-1是極地軌道全天候晝夜雷達成像，Sentinel-2是多光譜高分辨率成像，Sentinel-3可高準確度和可靠性地測量海面地形，海面、陸地表面溫度，海洋顏色和陸地顏色。Sentinel-6裝有雷達測高儀，用于測量全球海平面高度。

3.1.5 World View[7]

WorldView是Digitalglobe公司的下一代商業(yè)成像衛(wèi)星系統(tǒng)。自2007—2014年相繼發(fā)射WorldView-1、WorldView-2、WorldView-3。WorldView-2衛(wèi)星能提供獨有的8波段高清晰商業(yè)衛(wèi)星影像，除常規(guī)可見光波段外，還能提供對海岸波段、黃色波段、紅色邊緣波段等特殊彩色波段的分析。其中海岸波段(400～450nm)支持植物鑒定和分析，支持基于葉綠素和滲水的規(guī)格參數(shù)表的深海探測研究。

此外，在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，可以使用的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)還包括MODIS、ENVISAT-1、RadarSat等。

3.2 遙感數(shù)據(jù)的處理與精度

海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，遙感資料處理主要有：

(1)分析衛(wèi)星傳感器的光譜特征、空間分辨率和重訪周期等，篩選適合該圖幅調(diào)查特點的衛(wèi)星數(shù)據(jù)；

(2)收集、實測控制資料，采集控制點位數(shù)據(jù)；

(3)對遙感數(shù)據(jù)進行幾何校正、數(shù)據(jù)融合和圖像鑲嵌等處理圖像處理與專題信息增強；

(4)海洋有色物質(zhì)數(shù)值(模型)反演，水溫(模型)反演、淺水區(qū)水深、海岸線變遷、淺水區(qū)微地貌等解譯；

(5)外業(yè)考察；

(6)精度與可靠性驗證；

(7)結(jié)果的檢查與修正。

小比例尺對遙感影像的空間分辨率要求低，大比例尺對遙感影像需求高，例如1∶5萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查需要主要的遙感影像分辨率優(yōu)于5m為最佳，其他10m或30m分辨率的影像可作為輔助手段。

遙感調(diào)查的精度受影響因素主要有：

(1)地物電磁信息識別和傳感器輻射精度；

(2)傳感器及平臺的幾何準確度；

(3)大氣的水汽、顆粒物和大氣密度的非線性影響；

(4)遙感數(shù)據(jù)輻射和幾何處理模型及精度；

(5)遙感反演模型、解譯背景與經(jīng)驗；

(6)遙感專題成果的檢查、校正與驗證；

(7)成果后處理。

3.3 遙感在島礁區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在島礁區(qū)的應(yīng)用已有一些研究，中科院對南海海域珊瑚礁的地貌分類進行研究時，使用高分辨率的遙感影像對地貌類型進行細分(如下圖)[8]。唐盟則根據(jù)遙感影像上島礁礁坪礁體位置、礁坪面積等數(shù)據(jù)及空間特征，對其進行政治、軍事和戰(zhàn)略格局方面的分析[9]。

海洋中，分布有多個島礁，其中有多個圖幅的海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的范圍內(nèi)有島礁。首先，島礁區(qū)周邊水深較淺，且有的地區(qū)有暗礁，大型調(diào)查船只難以進入調(diào)查，傳統(tǒng)淺水實地調(diào)查成本高、費時費力、觀測點不足。其次，部分島礁不便登島進行實地調(diào)查，再加上島礁受海洋動力以及近年來吹沙填海的影響，海岸線變化明顯，需要進行連續(xù)的時空監(jiān)測。所以，在對島礁區(qū)進行調(diào)查分析時，遙感技術(shù)可應(yīng)用于多個方面。島礁面積一般較小，對于大比例尺調(diào)查，需對島礁區(qū)進行全面的遙感調(diào)查，這需要較高分辨率的遙感影像，高分2號、高分3號、WorldView、Sentinel、Landsat8等衛(wèi)星數(shù)據(jù)可綜合應(yīng)用于島礁區(qū)的調(diào)查。主要有以下方面的應(yīng)用：

(1)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行島礁淺水區(qū)水深的反演；

(2)海岸線變遷；

(3)島礁植被覆蓋和土地利用類型分類；

(4)海區(qū)水溫、水色反演；

(5)水下珊瑚礁生長狀態(tài)監(jiān)測；

(6)淺水區(qū)微地貌劃分等。

結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代科學(xué)中，通過綜合采集不同測量技術(shù)、不同來源的遙感數(shù)據(jù)資料，并對這些資料通過科學(xué)的研究流程進行分析與評估；在島礁區(qū)地質(zhì)調(diào)查中，利用遙感影像數(shù)據(jù)可以在多個方面輔助研究人員進行調(diào)查，從而更加有利于海洋地質(zhì)調(diào)查方面的研究。