陳惠敏

惠安縣海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)中心 福建 泉州 362100

引言

海洋是“藍(lán)色國(guó)土”，具有豐富的資源，我國(guó)40%人口與60%的國(guó)民生產(chǎn)總產(chǎn)值（GDP）集中在海岸帶區(qū)域，這對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)海洋的調(diào)查只能通過(guò)船只在不同時(shí)間和不同地區(qū)對(duì)個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到的數(shù)據(jù)量有限，難以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的要求。要想對(duì)海洋有深入的認(rèn)識(shí)和了解，必須要有更為高效的測(cè)試手段，而遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展?jié)M足了這方面的需求。衛(wèi)星遙感憑借其快速、覆蓋面積大等特點(diǎn)，成為目前海洋污染監(jiān)測(cè)的主要手段之一。遙感監(jiān)測(cè)是利用遙感技術(shù)進(jìn)行海洋污染監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法，主要有赤潮監(jiān)測(cè)、溢油監(jiān)測(cè)等。遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)航空或衛(wèi)星等收集環(huán)境的電磁波信息對(duì)遠(yuǎn)離的環(huán)境目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別，是一種先進(jìn)的環(huán)境信息獲取技術(shù)，在獲取大面積同步和動(dòng)態(tài)環(huán)境信息方面“快”而“全”，是其他檢測(cè)手段無(wú)法比擬和完成的。因此，得到日益廣泛的應(yīng)用。

1 遙感監(jiān)測(cè)的機(jī)理

根據(jù)儀器的工作波譜特性，遙感技術(shù)可分為物理場(chǎng)(如磁場(chǎng))遙感技術(shù)、聲吶遙感技術(shù)和電磁波遙感技術(shù)；根據(jù)傳感器的工作方式，可分為主動(dòng)式遙感和被動(dòng)式遙感；根據(jù)工作平臺(tái)可分為地面遙感技術(shù)、航空遙感技術(shù)和航天遙感技術(shù)；根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，可分為海洋遙感技術(shù)、氣象遙感技術(shù)、環(huán)境遙感技術(shù)和資源遙感技術(shù)。

海洋遙感技術(shù)指的是用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海洋中各種現(xiàn)象和過(guò)程的方法，研究對(duì)象為海洋和海岸帶。其工作原理是：海洋不斷地向周?chē)椛潆姶挪芰?，同時(shí)海面也在反射（或散射）太陽(yáng)照射在海面上以及人造輻射源（如雷達(dá)）覆蓋在海面上的電磁波能量，這些輻射或反射的電磁磁能量能被傳感器接收、記錄，再通過(guò)傳輸、加工和處理，就可以得到海洋的圖像或數(shù)據(jù)資料。

2 海洋監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)

由于海洋是由不斷運(yùn)動(dòng)的水體組成，海洋環(huán)境與陸地、大氣環(huán)境存在極大不同，因此海洋監(jiān)測(cè)與陸地、大氣監(jiān)測(cè)也存在差別，不僅在光譜域特性不同，而且在空間域和時(shí)間域上也有明顯差異，海洋監(jiān)測(cè)有以下的特點(diǎn)：

2.1 全天候、全天時(shí)、不間斷監(jiān)測(cè)

對(duì)于海洋動(dòng)力學(xué)過(guò)程探測(cè)，如海面風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、潮汐、風(fēng)暴潮、漂浮海冰等，要獲得精確的數(shù)據(jù)，要求具有全天候全天時(shí)探測(cè)能力。有些海洋現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間短，如海洋赤潮從發(fā)生到消隱，有時(shí)也只有幾天時(shí)間，溢油污染從發(fā)生到擴(kuò)散，短的只有一兩天；潮汐在一天內(nèi)有漲落變化；熱帶風(fēng)暴潮也是瞬息變化，為了捕捉這些現(xiàn)象，在時(shí)間上需要全天候、全天時(shí)、不間斷監(jiān)測(cè)。

2.2 大區(qū)域監(jiān)測(cè)

為了研究大洋洋底地形、海面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、大氣環(huán)流、冰蓋等全球尺度現(xiàn)象，以及中長(zhǎng)期海況預(yù)報(bào)和海平面變化的研究等，在空間上要求有大區(qū)域，甚至是全球或半球檢測(cè)能力。

2.3 高精度和高靈敏度

雖然某些海洋現(xiàn)象只需定性測(cè)量，但大部分海洋監(jiān)測(cè)都要求定量測(cè)量，如海面風(fēng)速和風(fēng)向，有效浪高，海平面高度等。同時(shí)為了保證精度，要求儀器的信噪比要高。此外，若要兼顧海岸帶測(cè)量或在有云天氣時(shí)的探測(cè)，探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍要寬，數(shù)據(jù)量化精度也要高。如海洋水色探測(cè)器接收的是離水輻射率，它是指經(jīng)水體各類(lèi)分子散射后離開(kāi)水面的反射通量，其值比陸地上低一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以要求測(cè)量?jī)x器的靈敏度比陸地探測(cè)器要高10倍。

2.4 復(fù)合測(cè)量

海洋過(guò)程是多種因素共同作用的綜合過(guò)程，在研究中需要對(duì)多個(gè)參變量進(jìn)行測(cè)量，但很難用一個(gè)探測(cè)器來(lái)測(cè)量眾多參變量，因而需要多個(gè)探測(cè)器復(fù)合測(cè)量，如風(fēng)生浪，其有效波高可由雷達(dá)高度計(jì)測(cè)得；波長(zhǎng)與波向要用波散射計(jì)或合成孔徑雷達(dá)測(cè)量；浪波圖像則靠合成孔徑雷達(dá)獲取；海面風(fēng)速風(fēng)向靠風(fēng)散射計(jì)測(cè)得。又如極地海冰，其冰面高度可由雷達(dá)高度計(jì)給出，冰面積雪和紋理則要從合成孔徑雷達(dá)圖像得到，海冰聚集度和分類(lèi)則由微波輻射計(jì)測(cè)量。

3 衛(wèi)星遙感在海洋污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 赤潮遙感監(jiān)測(cè)

赤潮，國(guó)際上也稱(chēng)其為“有害藻類(lèi)”或“紅色幽靈”，是在特定的環(huán)境條件下，海水中某些浮游植物、原生動(dòng)物或細(xì)菌爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現(xiàn)象，是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的一種異常現(xiàn)象。它是由海藻家族中的赤潮藻在特定環(huán)境條件下爆發(fā)性地增殖造成的。根據(jù)引發(fā)赤潮的生物種類(lèi)和數(shù)量的不同，海水有時(shí)也呈現(xiàn)黃、綠、褐色等不同顏色。近幾年，我國(guó)沿海地區(qū)赤潮的發(fā)生比較頻繁，嚴(yán)重地破壞了海洋漁業(yè)資源和漁業(yè)生產(chǎn)，惡化海洋環(huán)境，損害海濱旅游業(yè)，給海洋經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失，已成為我國(guó)主要海洋災(zāi)害之一。

對(duì)赤潮特征的研究表明，赤潮發(fā)生時(shí)會(huì)有海水表面溫度升高，甚至出現(xiàn)局部水面高溫現(xiàn)象。也就是說(shuō)，海水溫度是赤潮生物繁殖、赤潮形成與維持的重要因素。利用衛(wèi)星發(fā)送的海溫場(chǎng)資料，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星圖片分析和演算獲得的SST，監(jiān)測(cè)近海水體的異常高溫區(qū)來(lái)判斷赤潮的發(fā)生、發(fā)展、流向和消失。為了排除水體中懸浮物質(zhì)的干擾，將赤潮信息準(zhǔn)確提取出來(lái)，需要計(jì)算監(jiān)測(cè)海區(qū)的生物量，得到監(jiān)測(cè)海區(qū)的生物量分布圖。生物量的變化情況直接反映了海區(qū)中浮游植物的含量情況。研究結(jié)果表明，在赤潮發(fā)生海域，生物量的值明顯偏高。通過(guò)生物量等值線圖，可從整體上獲得浮游植物在海區(qū)中的大體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而使對(duì)赤潮的跟蹤監(jiān)測(cè)成為可能。

3.2 綠潮遙感監(jiān)測(cè)

綠潮是在特定的環(huán)境條件下，海水中某些大型綠藻（如滸苔）爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現(xiàn)象，也被視作和赤潮一樣的海洋災(zāi)害。綠潮是一種海洋大型藻類(lèi)大量聚集的現(xiàn)象，發(fā)生在我國(guó)海域的綠潮藻類(lèi)主要是滸苔，滸苔藻體呈鮮綠色或淡綠色，藻體長(zhǎng)可達(dá)1～2m，直徑可達(dá)2～3mm[1]。滸苔可以食用、入藥，還可以作為農(nóng)業(yè)肥料和添加飼料使用。但其在近海近岸大量聚集堆積死亡后，會(huì)腐爛發(fā)臭，從而影響海水水質(zhì)、岸邊景觀和船舶航行。如2008年青島近海的綠潮災(zāi)害，直接危及青島奧帆賽的舉行。

綠潮生物體內(nèi)含有大量的葉綠素，顏色類(lèi)似植物的綠色，所以其在海洋上層大規(guī)模聚集可通過(guò)衛(wèi)星光學(xué)遙感的方式進(jìn)行識(shí)別。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)綠潮進(jìn)行了大量的研究工作，提出了許多綠潮遙感監(jiān)測(cè)算法，如單波段分割算法、多波段比值算法、監(jiān)督分類(lèi)法、支持向量機(jī)、輻射傳輸模型法等。

3.3 溢油遙感監(jiān)測(cè)

在石油勘探、開(kāi)發(fā)、煉制及運(yùn)儲(chǔ)過(guò)程中，由于意外事故或操作失誤，造成原油或油品從作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或儲(chǔ)存器里外泄，溢油流向地面、水面、海灘或海面，同時(shí)由于油質(zhì)成分的不同，形成薄厚不等的一片油膜，這一現(xiàn)象稱(chēng)為溢油。衛(wèi)星遙感可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋大范圍、全天候的污染監(jiān)測(cè)，利用衛(wèi)星上的可見(jiàn)光/多光譜輻射傳感器，不僅可以測(cè)定海面油膜的存在，還可以測(cè)定油膜擴(kuò)散的范圍、油膜厚度及污染油的種類(lèi)。通過(guò)監(jiān)測(cè)水溫、水色和海面磷酸鹽濃度等因素及其變化，可以給出赤潮的位置、范圍及擴(kuò)散漂移方向等信息。應(yīng)用衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、大范圍地獲取溢油信息，同時(shí)可以引導(dǎo)船只進(jìn)行執(zhí)法監(jiān)察，并可依據(jù)遙感衛(wèi)星連續(xù)跟蹤油污范圍和溢油擴(kuò)散方向，利于確定最佳油污清除方案。

溢油量的確定取決于油膜厚度的確定，根據(jù)油膜厚度的分布以及溢油范圍的分布可以估算溢油總量。溢油厚度通過(guò)建立相關(guān)反演模型，通過(guò)算法估算而實(shí)現(xiàn)。由于隨著油膜厚度的變化，入射油層的入射光在油膜以及水面下的輻射傳輸會(huì)有所不同，這正是建立油膜厚度反演模型的理論依據(jù)。由于油膜對(duì)入射光的分子散射作用，使得油膜光譜反射率會(huì)隨著油膜厚度的變化而發(fā)生改變。溢油量的監(jiān)測(cè)屬于定量遙感范疇，故受到各方面因素的影響，監(jiān)測(cè)可行性、精度都存在不足，不如溢油范圍監(jiān)測(cè)那么成熟。

4 衛(wèi)星遙感在海洋污染監(jiān)測(cè)中的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)與海洋的關(guān)系越來(lái)越密切，對(duì)海洋環(huán)境的保護(hù)也越發(fā)重要。傳統(tǒng)海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)主要適應(yīng)近海環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍短，采用低維度監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)精度低，對(duì)污染源監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)某處存在污染源后由于監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，污染源可能已漂到另一區(qū)域，對(duì)此，提出海洋環(huán)境污染信息智能圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的海洋環(huán)境污染信息智能圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)全覆蓋的高精度海洋污染監(jiān)測(cè)，并可以提取海洋環(huán)境污染樣品信息。

4.1 引入智能數(shù)字遙感技術(shù)

引入智能數(shù)字遙感技術(shù)是依托遙感衛(wèi)星，構(gòu)建智慧型數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)，通過(guò)多層數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行篩選分析獲得可用信息。智能數(shù)字遙感技術(shù)結(jié)構(gòu)包括圖像層、海洋信息表示層及海洋分析顯示層[2]。圖像層作用是利用遙感衛(wèi)星對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行遙感識(shí)別，將拍攝圖片進(jìn)行簡(jiǎn)單處理打包，通過(guò)無(wú)線傳輸送到海洋信息處理界面。海洋信息處理層將圖像層所監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行數(shù)字化表示，依托海洋對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)、海洋環(huán)境物理場(chǎng)分析數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳遞到分析顯示層，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。分析顯示層對(duì)海洋信息表示層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接納，利用數(shù)據(jù)鏈路模式、圖像數(shù)據(jù)模塊以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等進(jìn)行圖像處理，智能數(shù)據(jù)遙感數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)流程如圖4-1所示。

海洋衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)庫(kù)主要作用是對(duì)衛(wèi)星圖像處理分割、對(duì)象識(shí)別，構(gòu)建多維圖像組織，計(jì)算圖像物理間距。海洋對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)主要作用是對(duì)海洋環(huán)境物理場(chǎng)流形，海洋物理場(chǎng)流形內(nèi)嵌維度，低微分布分析，海洋對(duì)象特征提取。

4.2 利用水質(zhì)傳感器采集污染源數(shù)據(jù)

水質(zhì)傳感器作為海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)技術(shù)重要手段之一，本文利用水質(zhì)傳感器進(jìn)行海水pH值監(jiān)測(cè)、海水溶解氧監(jiān)測(cè)、海水電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)、海水溫度監(jiān)測(cè)。水質(zhì)傳感器包含傳感器及對(duì)應(yīng)作用如表1所示。

表1 傳感器名稱(chēng)及對(duì)應(yīng)作用

水質(zhì)立體傳感裝置包含立體感應(yīng)原件，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)集成pH值監(jiān)測(cè)裝置、海水溶解氧監(jiān)測(cè)裝置、海水電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)裝置以及海水溫度監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行綜合信號(hào)的采集。傳輸裝置將感應(yīng)信號(hào)，以脈沖電流形式進(jìn)行無(wú)線傳輸，顯示在計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)中。

4.3 優(yōu)化大數(shù)據(jù)對(duì)比分析法

依托智能數(shù)字遙感技術(shù)和水質(zhì)傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)的綜合數(shù)據(jù)采集，對(duì)污染信息充分提取，由于提取數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)比分析難度大。針對(duì)以上問(wèn)題，優(yōu)化大數(shù)據(jù)對(duì)比分析法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[3]。首先將采集的數(shù)據(jù)源類(lèi)型進(jìn)行重新定義，通過(guò)對(duì)圖像信息以及數(shù)據(jù)源的提取，與標(biāo)準(zhǔn)污染圖像以及污染參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)對(duì)比，得出綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果?；诤Ｑ髮?shí)際情況，存在逆流、順流、海風(fēng)、能見(jiàn)度低等因素，對(duì)采集的大數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生“合理量化”影響，當(dāng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)渦流時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析量化會(huì)有所變化。數(shù)據(jù)渦流對(duì)污染數(shù)據(jù)分析造成很大的難度。因此需要對(duì)不同數(shù)據(jù)變相、數(shù)據(jù)矢量以及數(shù)據(jù)失衡度進(jìn)行統(tǒng)一量化。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是一個(gè)毗鄰太平洋的海洋大國(guó)，海域廣袤、海岸線漫長(zhǎng)、島嶼眾多。頻發(fā)的海洋災(zāi)害給我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了巨大的影響。隨著我國(guó)海洋衛(wèi)星的發(fā)展，其快速、高頻次、長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)優(yōu)勢(shì)成為觀測(cè)海洋，監(jiān)測(cè)海洋污染的技術(shù)支撐和保障服務(wù)手段，也成為中國(guó)空間基礎(chǔ)設(shè)施和海洋立體監(jiān)測(cè)體系的重要組成部分。海洋污染的遙感監(jiān)測(cè)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)海洋防災(zāi)減災(zāi)，發(fā)揮了重要的作用，最大限度地減輕了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。