遥感技术在海洋区域地质调查中的应用——以岛礁区调查为例

韩艳飞

广州海洋地质调查局 广东广州 510000

海洋地质调查是利用现代科学手段，对海洋所在区域的地形地貌、海底底质、地质构造、新生代沉积基底及盖层性质、矿产类型及其性质、海水水温水色等进行的综合调查，主要包括标准分幅的不同比例尺区调或专项调查。传统的调查手段有地质取样、多波束和单波束水深测量、单道地震和多道地震地球物理测量、海洋重力和磁力测量等。随着对各项技术手段和地球系统认知的不断提升，越来越多的新技术用于海洋地质调查，这些技术根据实际需要，应用于不同比例尺、不同地质情况下的调查需求中。其中，遥感手段可应用于不同比例尺精度需求下的海洋地质调查中。卫星遥感具有快速获取、成本低、时间连续性、动态监测、面状连续监测等优点，广泛应用于海洋表面和浅水区、岛礁、海岸带的监测。

遥感技术通过传感器采集目标对象的数据，再通过对数据的处理与分析，获取与地物目标或者现象相关的信息，定性或者定量地研究地球表层的物化生地过程。在日常出行、土地利用、植被覆盖变化、城市更新、海岸带、海洋环境、岛礁、水深监测等方面有极高的应用价值[1]。在海洋区域地质调查中，可在水深反演，岛礁区地貌解译、海岸线变迁、海表面温度等方面应用。

1 海洋区域地质调查

海洋地质调查以服务国家需求为基础，服务国家资源能源安全、生态文明建设和海洋权益维护[2]。随着我国国民经济的持续发展，国家越来越重视海洋地质工作。在我国加快建设海洋强国的背景下，海洋地质工作重要性更加显现，关注度日益提升。为了加快海洋区域地质调查工作步伐，《国务院关于加强地质工作的决定》(国发〔2006〕4号)明确提出了“实施海洋地质保障工程，开展区域海洋地质调查，进行海岸带、大陆架和海底地质情况探测，系统掌握海洋地质基础数据，摸清海域油气资源潜力”的要求。1∶100万海洋区域地质调查先行开展，并于2015年完成调查全覆盖，随后1∶25万和1∶5万海洋区域地质调查在我国重点海域开展调查。

海洋区域地质调查是地质工作的先行和地质工作的基础，具有重要的战略意义[3]。主要任务是用当今海洋地质、地球物理、地球化学和卫星遥感等高新技术手段，系统采集图幅海洋区域地质基础数据，查明区内海底地形地貌、地球物理场和地球化学场特征、海底沉积物类型、地层结构及其分布规律、地质构造特征、矿产资源类型和分布状况、海水水质情况、地质灾害分布等基础地质信息，开展区内关键地质问题综合研究[3]。为海洋资源勘查、军事海防、涉海工程建设和地方海洋经济可持续发展，提供重要的基础资料和科学依据。

海洋区域地质调查按照标准分幅，以图幅为根据开展工作[3]。经纬度作为分幅依据，在国际1∶100万标准分幅基础上进行更细的划分，其中1∶100万为小比例尺，1∶25万为中比例尺，1∶5万是大比例尺。随着比例尺的增大，调查密度同时成倍增加。一般情况下，同一地区一般先进行小比例尺调查，再进行较大比例尺或大比例尺的调查。海洋区域地质的主要科学方向之一为海洋3S(RS、GPS、GIS)方向。

2 海洋区域地质调查方法

海洋区域地质调查根据区域的地质与环境特点等，按照比例尺的精度要求，进行外业调查的布设，包含测线、站位、遥感等。根据外业部署，进行野外资料实测和遥感资料收集。采集的地质样品和地球物理等资料返回室内，进行样品测试、数据处理，地震解释，遥感解译和反演，结果分析，报告和图件编制。

2.1 地质取样调查

外业地质取样主要有箱式取样、抓斗取样和重力柱状取样。取回海底地质样品，返回室内，利用先进实验分析方法和设备对获得的地质样品进行分析，取得可靠、高精度的地质样品实验分析数据。

2.2 综合地球物理测量

外业综合地球物理测量主要指采用单波束测深、多波束测深、侧扫声呐测量、浅地层剖面测量、单道地震测量、重力测量、磁力测量等测量技术[4]，获取图幅综合地球物理数据资料，利用先进的地球物理资料处理、解释系统和设备，取得高精度处理数据和解释成果。

单波束测深是精确测量测线上水深的有效方法，其测量结果对综合地球物理测量的后期处理和解释等均有其他测深手段不可替代的作用；多波束测深可以更精确地了解图幅海底地形、地貌特征，获取高精度的水深和地形数据；侧扫声呐系统是精确测量海底地形、地貌的有效工具；单道地震勘探是了解浅地层结构的有效手段，该方法可分别对浅海和深海海域进行不同方式的勘探，在海洋区域地质调查中的应用范围十分广泛；多道地震探测技术，主要用于探测海底地层结构、地质构造及海洋油气资源等，比单道地震和浅层剖面的探测深度和精度更高。

除了上述内容外，还有多种测量技术在海洋区域地质调查中应用：浅层剖面测量，重力、磁力测量等。

2.3 海洋动力和水文环境测量

海洋动力测量采用定点和走航式测量的方法，获取图幅海流流速、流向信息。温—盐—深测量(CTD)和海水取样，获得调查区水文环境数据，了解海水温度、盐度的空间变化。

2.4 遥感地质解译

遥感地质解译是了解海域表层海流、悬浮物、温度和盐度变化、监测海岸线变迁、浅水区微地貌特征、浅水区地形等的有效手段。利用不同卫星的遥感数据，进行遥感影像处理、提取相关信息、结合野外调查和海面要素反演进行地质解译。

3 遥感技术在岛礁区调查中的应用

3.1 遥感卫星数据源介绍

遥感卫星数据有多种来源，有以采集可见光波段为主的TM、ALOS、WorldView、高分二号等卫星影像；也有以采集微波为主的Sentinel-1、高分三号等数据[1]。不同传感器具有不同的空间和时间分辨率。在进行研究时，可根据海洋区域地质调查的比例尺需求，选择不同的空间分辨率数据。利用多时相数据进行海表面要素的反演、海岸线类型解译、海岸线变迁、水下微地貌解译、岛礁地形地貌植被类型等解译。

3.1.1 中国资源卫星系列[5]

我国已陆续发射多颗中巴地球资源卫星、资源二号和资源三号卫星。资源卫星系列可以长期、连续、稳定、快速地获取覆盖全国的高分辨率立体影像和多光谱影像以及辅助数据，打破对国外高分辨卫星遥感数据的依赖。其遥感数据为农业、林业、水利、地质矿产、能源、土地、环保、海洋、测绘、城乡规划、灾害监测等众多国民经济领域服务。

3.1.2 中国高分系列[5]

高分系列卫星，属于高分专项工程。该专项建立的初衷是建立一整套高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率的自主可控卫星系列。从2010年至今，已累计发射数十颗卫星。其中，高分二号的全色空间分辨率已达1m；高分三号是空间分辨率高达1m的合成孔径雷达，可全天候、全天时监视监测全球海洋和陆地资源，为用户提供稳定观测数据，有力支撑海洋权益维护水资源评价与管理。

3.1.3 Landsat卫星影像[6]

美国NASA的陆地卫星(Landsat)计划是运行时间最长的地球观测计划，自1972年起至今一直在持续监测拍摄陆地影像。Landsat 4 MSS、Landsat 5 TM以及Landsat 8 OLI是科学研究常用的卫星数据。Landsat系列遥感影像在土地利用分类、海岸线变迁、植被覆盖、海洋监测、海岸线和潮间带地貌反演等方面都有广泛应用，空间分辨率从78m提升至30m。

3.1.4 哨兵卫星[7]

“哨兵”系列卫星是欧洲航天局(ESA)研制，自2014年开始逐步发射，监测北极海冰范围、海冰测绘、海洋环境监测、城市地面沉降、溢油监测、海上安全船舶检测、洪水淹没等。Sentinel-1是极地轨道全天候昼夜雷达成像，Sentinel-2是多光谱高分辨率成像，Sentinel-3可高准确度和可靠性地测量海面地形，海面、陆地表面温度，海洋颜色和陆地颜色。Sentinel-6装有雷达测高仪，用于测量全球海平面高度。

3.1.5 World View[7]

WorldView是Digitalglobe公司的下一代商业成像卫星系统。自2007—2014年相继发射WorldView-1、WorldView-2、WorldView-3。WorldView-2卫星能提供独有的8波段高清晰商业卫星影像，除常规可见光波段外，还能提供对海岸波段、黄色波段、红色边缘波段等特殊彩色波段的分析。其中海岸波段(400～450nm)支持植物鉴定和分析，支持基于叶绿素和渗水的规格参数表的深海探测研究。

此外，在海洋区域地质调查中，可以使用的遥感卫星数据还包括MODIS、ENVISAT-1、RadarSat等。

3.2 遥感数据的处理与精度

海洋区域地质调查中，遥感资料处理主要有：

(1)分析卫星传感器的光谱特征、空间分辨率和重访周期等，筛选适合该图幅调查特点的卫星数据；

(2)收集、实测控制资料，采集控制点位数据；

(3)对遥感数据进行几何校正、数据融合和图像镶嵌等处理图像处理与专题信息增强；

(4)海洋有色物质数值(模型)反演，水温(模型)反演、浅水区水深、海岸线变迁、浅水区微地貌等解译；

(5)外业考察；

(6)精度与可靠性验证；

(7)结果的检查与修正。

小比例尺对遥感影像的空间分辨率要求低，大比例尺对遥感影像需求高，例如1∶5万海洋区域地质调查需要主要的遥感影像分辨率优于5m为最佳，其他10m或30m分辨率的影像可作为辅助手段。

遥感调查的精度受影响因素主要有：

(1)地物电磁信息识别和传感器辐射精度；

(2)传感器及平台的几何准确度；

(3)大气的水汽、颗粒物和大气密度的非线性影响；

(4)遥感数据辐射和几何处理模型及精度；

(5)遥感反演模型、解译背景与经验；

(6)遥感专题成果的检查、校正与验证；

(7)成果后处理。

3.3 遥感在岛礁区调查中的应用

遥感技术在岛礁区的应用已有一些研究，中科院对南海海域珊瑚礁的地貌分类进行研究时，使用高分辨率的遥感影像对地貌类型进行细分(如下图)[8]。唐盟则根据遥感影像上岛礁礁坪礁体位置、礁坪面积等数据及空间特征，对其进行政治、军事和战略格局方面的分析[9]。

海洋中，分布有多个岛礁，其中有多个图幅的海洋区域地质调查的范围内有岛礁。首先，岛礁区周边水深较浅，且有的地区有暗礁，大型调查船只难以进入调查，传统浅水实地调查成本高、费时费力、观测点不足。其次，部分岛礁不便登岛进行实地调查，再加上岛礁受海洋动力以及近年来吹沙填海的影响，海岸线变化明显，需要进行连续的时空监测。所以，在对岛礁区进行调查分析时，遥感技术可应用于多个方面。岛礁面积一般较小，对于大比例尺调查，需对岛礁区进行全面的遥感调查，这需要较高分辨率的遥感影像，高分2号、高分3号、WorldView、Sentinel、Landsat8等卫星数据可综合应用于岛礁区的调查。主要有以下方面的应用：

(1)卫星遥感数据进行岛礁浅水区水深的反演；

(2)海岸线变迁；

(3)岛礁植被覆盖和土地利用类型分类；

(4)海区水温、水色反演；

(5)水下珊瑚礁生长状态监测；

(6)浅水区微地貌划分等。

结语

综上所述，在现代科学中，通过综合采集不同测量技术、不同来源的遥感数据资料，并对这些资料通过科学的研究流程进行分析与评估；在岛礁区地质调查中，利用遥感影像数据可以在多个方面辅助研究人员进行调查，从而更加有利于海洋地质调查方面的研究。