遥感技术在海洋灾害监测中的应用

邹斌 林明森 石立坚 邹亚荣 贾永君 曾韬

邹斌,国家卫星海洋应用中心应用发展部主任，研究员，我国海洋一号1C卫星地面应用系统副总设计师，上海海洋大学特聘教授。多年来从事极地海洋气象、极地海冰监测、海洋遥感、卫星地面资料处理系统建设技术、海洋水色卫星资料处理技术研究和软件开发、海洋溢油遥感监测技术研究和海洋灾害业务化遥感监测、海洋遥感产业应用等方面的研究。作为主要人员负责规划、设计和组织实施了海洋卫星地面应用系统资料处理分系统的建设工作，参与载人航天工程民用遥感应用的数据处理地面系统建设，在多个重大专项工程建设中，取得了许多优秀的科研成果。发表论文和技术报告30余篇，作为主要参加人员获国家科技进步三等奖1项，省部级科技进步特等奖2项、一等奖4项。

前言

海洋是“蓝色国土”，具有丰富的资源，我国40%人口与60%的国民生产总产值（GDP）集中在海岸带区域，这对于我国的经济发展具有重要的意义。然而，海洋灾害却发生频繁，据国家海洋局发布的2017年中国海洋灾害公报，全年各类海洋灾害造成的直接经济损失达63.98亿元。海洋灾害的监测是海洋防灾减灾的重要内容，而卫星遥感凭借其快速、覆盖面积大等特点，成为目前海洋灾害监测的主要手段之一。

遥感监测是利用遥感技术进行海洋灾害监测的技术方法，主要有赤潮监测、海冰监测、溢油监测等。遥感监测技术是通过航空或卫星等收集环境的电磁波信息对远离的环境目标进行监测识别，是一种先进的环境信息获取技术，在获取大面积同步和动态环境信息方面“快”而“全”，是其他检测手段无法比拟和完成的。因此，得到日益广泛的应用。本文针对我国海洋灾害的主要灾种，选取海浪、赤潮、绿潮、海冰和溢油进行分析。

数据采集与信息提取

（一）数据采集

根据海洋灾害遥感监测的需要，采用多源卫星遥感数据，主要包括微波与光学卫星，分辨率从0.5米到1000米，具体见表1。

（二）信息提取

基于遥感与GIS技术，对采集的数据进行处理，建立海洋灾害信息提取模型，进行海洋灾害信息提取，具体步骤如下（图1）：

表1 应用于海洋灾害遥感监测的卫星

图1 海洋灾害信息提取流程

1.对卫星遥感数据进行辐射校正、几何校正、云检测与噪声消除等预处理；

2.利用地理底图的大陆和海岛岸线信息、云检测结果进行卫星遥感影像的陆地掩模、云掩模处理；

3.建立海浪、赤潮、绿潮、海冰、溢油信息提取的模型，得到海浪、赤潮、绿潮、海冰、溢油信息提取结果；

4.采用人机交互的方式，修编基于灾害信息提取模型指数计算得到的提取结果，确定海浪、赤潮、绿潮、海冰、溢油分布范围和面积；

5.利用同步或准同步的海浪、赤潮、绿潮、海冰、溢油现场和航空遥感监测资料，进行海浪、赤潮、绿潮、海冰、溢油卫星遥感监测结果的验证，并优化检测阈值。

海洋灾害遥感监测

（一）海浪遥感监测

海浪是与人类关系最直接也最密切的一种海洋现象，直观地向我们展示着大海的波澜壮阔。同样，海浪也会给人类造成巨大的灾害。海浪对于国防、航运、造船、港口以及海上石油平台的建设等具有重要意义。海浪具有随机性，因此可以将其看作是随机过程。海浪的种类很多，引起的原因各不相同。风浪和涌浪是海面上最引人注目的波动。海水在重力作用下，风直接作用产生的波动成为风浪；涌浪则是海面上由其他海区传来的或者当地风力迅速减小、平息，或者风向改变后海面上遗留下来的波动。

海洋遥感观测海浪主要是利用微波波段对海洋表面的波动进行观测，目前的主要载荷包括雷达高度计、合成孔径雷达等（图2）。

（二）赤潮遥感监测

赤潮，国际上也称其为“有害藻类”或“红色幽灵”，是在特定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象，是海洋生态系统中的一种异常现象。它是由海藻家族中的赤潮藻在特定环境条件下爆发性地增殖造成的。海藻是一个庞大的家族，除了一些大型海藻外，很多都是非常微小的植物，有的是单细胞生物。根据引发赤潮的生物种类和数量的不同，海水有时也呈现黄、绿、褐色等不同颜色。

近几年，我国沿海地区赤潮的发生比较频繁，严重地破坏了海洋渔业资源和渔业生产，恶化海洋环境，损害海滨旅游业，给海洋经济造成巨大的损失，已成为我国主要海洋灾害之一。基于赤潮水体的光谱特征和水温特性，利用星载光学卫星数据可获得赤潮灾害信息。2014年11月22日，广东阳江市南部海湾发现赤潮，利用22日GF-1卫星数据对阳江市赤潮发生海域进行监测，可见明显赤潮分布区，分布范围约14km，面积约25.4 km2（图3）。

24日至25日赤潮增长，范围扩大，集中在广东省阳江市南部海域及茂名市南部海域（图中红色星号标注位置附近），主体位置在阳江市南部海湾，赤潮最大分布范围约165km，面积238km2（图4）。

图4 2014年11月25日卫星影像上阳江市南部海域发现赤潮特征

（三）绿潮遥感监测

绿潮是在特定的环境条件下，海水中某些大型绿藻（如浒苔）爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象，也被视作和赤潮一样的海洋灾害。

绿潮是一种海洋大型藻类大量聚集的现象，发生在我国海域的绿潮藻类主要是浒苔，浒苔藻体呈鲜绿色或淡绿色，藻体长可达1～2m，直径可达2～3mm。浒苔可以食用、入药，还可以作为农业肥料和添加饲料使用。绿潮本身无害，在繁殖过程中还可以吸收水体中的富营养化物质，对水质清洁具有重要的作用。但其在近海近岸大量聚集堆积死亡后，会腐烂发臭，从而影响海水水质、岸边景观和船舶航行。如2008年青岛近海的绿潮灾害，直接危及青岛奥帆赛的举行。绿潮生物体内含有大量的叶绿素，颜色类似植物的绿色，所以其在海洋上层大规模聚集可通过卫星光学遥感的方式进行识别（图5）。

（四）海冰遥感监测

海冰一般是由于气温降低而导致海面的结冰现象，同时还包括来源于陆地的河冰、湖冰和冰川冰。

图5 卫星遥感监测青岛附近海域绿潮分布情况

图6 卫星遥感海冰遥感监测影像图

图7 海冰分布趋势变化图

全球海冰主要分布在极地地区，占整个海洋面积较小，但却对全球气候变化有着重要影响。中国渤海是个半封闭的海洋，每年12月到第二年3月受天气影响会产生结冰现象，受不同年份的气候条件不同，各年的冰清也各有差异，历史上渤海多次出现过严重的冰情造成钻井平台倒塌，船舶破坏，航运中断等严重海冰灾害，给沿岸的生产活动带来财产损失及人员伤亡。

随着遥感技术的发展，卫星遥感已成为一种高效的海冰观测手段，人们可以利用几百千米高空上的卫星俯瞰整个海域，实现大面积的海冰重复观测。以我国渤海为主要监测区域，自2009年以来已开展了连续多年的海冰遥感监测，图6、图7分别显示了卫星遥感海冰监测影像示例和连续多年的海冰特征统计结果。尽管近年来受全球气候变暖影响，我国渤海和黄海北部海冰冰情呈减弱趋势，但不同年份仍然会受局地气候条件影响而存在强弱变化，如2009/2010年冬季达到了近年来最重冰情，辽东湾浮冰外延线就超过70海里，渤海海冰分布面积达整个海湾面积近50%。

采用遥感监测手段将海冰监测信息制作成标准的卫星遥感海冰监测产品，第一时间向海洋预报和地方海洋管理部门发送，可为海上安全生产、海上交通及海洋防灾减灾提供重要信息。

（五）溢油遥感监测

在石油勘探、开发、炼制及运储过程中，由于意外事故或操作失误，造成原油或油品从作业现场或储存器里外泄，溢油流向地面、水面、海滩或海面，同时由于油质成分的不同，形成薄厚不等的一片油膜，这一现象称为溢油。

近岸海域的石油开发和溢油事故给我国海洋环境带来了沉重的压力。2010年7月大连新港的输油管道爆炸溢油事故，2011年6月“19-3”平台溢油事故，2018年1月“桑吉”轮碰撞造成的溢油，给海洋生态环境带来了巨大影响。溢油事故发生后，能否及时准确的监测溢油对于海洋环境保护具有重要意义。随着卫星遥感技术的高速发展，遥感已经成为监测溢油最重要和最有效手段之一。应用卫星数据能够及时、大范围地获取溢油信息，同时可以引导船只进行执法监察，并可依据遥感卫星连续跟踪油污范围和溢油扩散方向，利于确定最佳油污清除方案。

以我国管辖海域海上油气勘探开发设施石油污染物泄露及主要航道、锚地、环境敏感区海上溢油为监测对象，利用星载SAR数据对渤海、南海、东海重点海域进行溢油遥感监测，第一时间发布溢油监测信息，为海洋溢油污染防治、事故处理和海上执法提供快速准确的决策支持服务。自2007年以来，已成功监测到数十起溢油事件，在2007年7月曹妃甸管道溢油事件、2008年8月青岛外海溢油事件、2009年3月渤海中央平台溢油事件、2010年7月大连新港溢油事件、2011年蓬莱“19-3”平台溢油事件（图8）、2013年青岛黄岛输油管线爆炸事件、2018年“桑吉”轮碰撞溢油遥感监测等多次重大海上溢油事件应急监测中发挥了重要作用。

图8 卫星遥感溢油监测

结论

我国是一个毗邻太平洋的海洋大国，海域广袤、海岸线漫长、岛屿众多。频发的海洋灾害给我国的经济发展带来巨大的影响。随着我国海洋卫星的发展，其快速、高频次、长期连续观测优势成为观测海洋，监测海洋灾害的技术支撑和保障服务手段，也成为中国空间基础设施和海洋立体监测体系的重要组成部分。海洋灾害的遥感监测已广泛应用于我国海洋防灾减灾，发挥了重要的作用，最大限度地减轻了人员伤亡和财产损失。