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(duì)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(jìn)行的綜合調(diào)查，主要包括標(biāo)準(zhǔn)分幅的不同比例尺區(qū)調(diào)或?qū)ｍ?xiàng)調(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(cè)量、單道地震和多道地震地球物理測(cè)量、海洋重力和磁力測(cè)量等。隨著對(duì)各項(xiàng)技術(shù)手段和地球系統(tǒng)認(rèn)知的不斷提升，越來(lái)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(shí)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(shí)間連續(xù)性、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、面狀連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋表面和淺水區(qū)、島礁、海岸帶的監(jiān)測(cè)。

遙感技術(shù)通過(guò)傳感器采集目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)，再通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析，獲取與地物目標(biāo)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(guò)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(cè)等方面有極高的應(yīng)用價(jià)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(guó)家需求為基礎(chǔ)，服務(wù)國(guó)家資源能源安全、生態(tài)文明建設(shè)和海洋權(quán)益維護(hù)[2]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國(guó)家越來(lái)越重視海洋地質(zhì)工作。在我國(guó)加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)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(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定》(國(guó)發(fā)〔2006〕4號(hào))明確提出了“實(shí)施海洋地質(zhì)保障工程，開展區(qū)域海洋地質(zhì)調(diào)查，進(jìn)行海岸帶、大陸架和海底地質(zhì)情況探測(cè)，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(wàn)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(wàn)和1∶5萬(wàn)海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查在我國(guó)重點(diǎn)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(chǎng)和地球化學(xué)場(chǎng)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(wèn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(guó)際1∶100萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅基礎(chǔ)上進(jìn)行更細(xì)的劃分，其中1∶100萬(wàn)為小比例尺，1∶25萬(wàn)為中比例尺，1∶5萬(wàn)是大比例尺。隨著比例尺的增大，調(diào)查密度同時(shí)成倍增加。一般情況下，同一地區(qū)一般先進(jìn)行小比例尺調(diào)查，再進(jìn)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(diǎn)等，按照比例尺的精度要求，進(jìn)行外業(yè)調(diào)查的布設(shè)，包含測(cè)線、站位、遙感等。根據(jù)外業(yè)部署，進(jìn)行野外資料實(shí)測(cè)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(jìn)行樣品測(cè)試、數(shù)據(jù)處理，地震解釋，遙感解譯和反演，結(jié)果分析，報(bào)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(jìn)實(shí)驗(yàn)分析方法和設(shè)備對(duì)獲得的地質(zhì)樣品進(jìn)行分析，取得可靠、高精度的地質(zhì)樣品實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。

2.2 綜合地球物理測(cè)量

外業(yè)綜合地球物理測(cè)量主要指采用單波束測(cè)深、多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶測(cè)量、淺地層剖面測(cè)量、單道地震測(cè)量、重力測(cè)量、磁力測(cè)量等測(cè)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(jìn)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(cè)深是精確測(cè)量測(cè)線上水深的有效方法，其測(cè)量結(jié)果對(duì)綜合地球物理測(cè)量的后期處理和解釋等均有其他測(cè)深手段不可替代的作用；多波束測(cè)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(cè)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(duì)淺海和深海海域進(jìn)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(cè)技術(shù)，主要用于探測(cè)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(cè)深度和精度更高。

除了上述內(nèi)容外，還有多種測(cè)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(cè)量，重力、磁力測(cè)量等。

2.3 海洋動(dòng)力和水文環(huán)境測(cè)量

海洋動(dòng)力測(cè)量采用定點(diǎn)和走航式測(cè)量的方法，獲取圖幅海流流速、流向信息。溫—鹽—深測(cè)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(cè)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(jìn)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(jìn)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(lái)源，有以采集可見(jiàn)光波段為主的TM、ALOS、WorldView、高分二號(hào)等衛(wèi)星影像；也有以采集微波為主的Sentinel-1、高分三號(hào)等數(shù)據(jù)[1]。不同傳感器具有不同的空間和時(shí)間分辨率。在進(jìn)行研究時(shí)，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(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)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(guó)資源衛(wèi)星系列[5]

我國(guó)已陸續(xù)發(fā)射多顆中巴地球資源衛(wèi)星、資源二號(hào)和資源三號(hào)衛(wèi)星。資源衛(wèi)星系列可以長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速地獲取覆蓋全國(guó)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(duì)國(guó)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(cè)繪、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等眾多國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域服務(wù)。

3.1.2 中國(guó)高分系列[5]

高分系列衛(wèi)星，屬于高分專項(xiàng)工程。該專項(xiàng)建立的初衷是建立一整套高時(shí)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(jì)發(fā)射數(shù)十顆衛(wèi)星。其中，高分二號(hào)的全色空間分辨率已達(dá)1m；高分三號(hào)是空間分辨率高達(dá)1m的合成孔徑雷達(dá)，可全天候、全天時(shí)監(jiān)視監(jiān)測(cè)全球海洋和陸地資源，為用戶提供穩(wěn)定觀測(cè)數(shù)據(jù)，有力支撐海洋權(quán)益維護(hù)水資源評(píng)價(jià)與管理。

3.1.3 Landsat衛(wèi)星影像[6]

美國(guó)NASA的陸地衛(wèi)星(Landsat)計(jì)劃是運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的地球觀測(cè)計(jì)劃，自1972年起至今一直在持續(xù)監(jiān)測(cè)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(cè)、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(cè)北極海冰范圍、海冰測(cè)繪、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市地面沉降、溢油監(jiān)測(cè)、海上安全船舶檢測(cè)、洪水淹沒(méi)等。Sentinel-1是極地軌道全天候晝夜雷達(dá)成像，Sentinel-2是多光譜高分辨率成像，Sentinel-3可高準(zhǔn)確度和可靠性地測(cè)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(dá)測(cè)高儀，用于測(cè)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(dú)有的8波段高清晰商業(yè)衛(wèi)星影像，除常規(guī)可見(jiàn)光波段外，還能提供對(duì)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(cè)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(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)；

(2)收集、實(shí)測(cè)控制資料，采集控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)；

(3)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)；

(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(yàn)證；

(7)結(jié)果的檢查與修正。

小比例尺對(duì)遙感影像的空間分辨率要求低，大比例尺對(duì)遙感影像需求高，例如1∶5萬(wàn)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(shí)別和傳感器輻射精度；

(2)傳感器及平臺(tái)的幾何準(zhǔn)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(yàn)；

(6)遙感專題成果的檢查、校正與驗(yàn)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(duì)南海海域珊瑚礁的地貌分類進(jìn)行研究時(shí)，使用高分辨率的遙感影像對(duì)地貌類型進(jìn)行細(xì)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(duì)其進(jìn)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(gè)島礁，其中有多個(gè)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(jìn)入調(diào)查，傳統(tǒng)淺水實(shí)地調(diào)查成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、觀測(cè)點(diǎn)不足。其次，部分島礁不便登島進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，再加上島礁受海洋動(dòng)力以及近年來(lái)吹沙填海的影響，海岸線變化明顯，需要進(jìn)行連續(xù)的時(shí)空監(jiān)測(cè)。所以，在對(duì)島礁區(qū)進(jìn)行調(diào)查分析時(shí)，遙感技術(shù)可應(yīng)用于多個(gè)方面。島礁面積一般較小，對(duì)于大比例尺調(diào)查，需對(duì)島礁區(qū)進(jìn)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(hào)、高分3號(hào)、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(jìn)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(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；

(6)淺水區(qū)微地貌劃分等。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代科學(xué)中，通過(guò)綜合采集不同測(cè)量技術(shù)、不同來(lái)源的遙感數(shù)據(jù)資料，并對(duì)這些資料通過(guò)科學(xué)的研究流程進(jìn)行分析與評(píng)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(gè)方面輔助研究人員進(jìn)行調(diào)查，從而更加有利于海洋地質(zhì)調(diào)查方面的研究。