海岸带遥感智能解译与典型应用

第1章绪论 　　1.1海岸带遥感监测的必要性和意义 　　1.海岸带遥感监测的必要性 　　海岸带是海洋和陆地相互作用的地带，即陆地向海洋过渡的地带。海岸带以其特殊的地理位置和组成结构，承载了大量的自然与人文功能。它既是地球表面*为活跃、各种现象与过程*为丰富和复杂的自然区域，也是资源类型、开发区位与环境条件*为优越的区域。我国沿海地区以全国13%的陆地总面积承载着全国50%的人口，创造的产值约占全国国内生产总值的60%以上，是国民经济和社会发展*为先进的地区，具有港口、航道、海盐、生物资源、海岸湿地、海滨旅游、海洋空间以及相关的海洋化工、海洋药物等特有的资源。水产养殖业被誉为“蓝色革命”极大地缓解人类对食物需求的压力，同时避免了对海洋过度捕捞，备受世界关注。水产养殖业快速发展的同时，也带来一系列生态环境问题，过度的海水养殖不仅引发赤潮，还会导致海洋环境复合污染。沿海地区拥有大量的盐田资源，总量超过10万公顷，构成丰富的土地后备资源。改革开放以来，我国沿海地区港口运输业取得非凡的成就，有效地支撑了我国经济发展。 　　海岸带拥有丰富的自然资源、生物多样性，具有独特的环境，是大气圈、水圈和岩石圈相互作用的活跃和敏感地带。此外，海岸带又难以被管理，是一个动态的自然系统，并受到日益增长的社会经济因素的影响。海岸线是海陆相互交汇的界线。海岸线的时空变迁对海岸带的自然地理环境有重要指示作用，不但是海岸线位置变迁和类型转变，还将引起海岸带滩涂资源的演化，对生物多样性、滨海湿地生态系统及近岸海洋环境产生影响，进而影响人类的生存环境。获得不同时期的海岸线信息是海岸带管理的基础工作，海岸线信息的提取与海岸线变化的监测对海岸资源管理、海岸环境保护、海岸可持续发展以及合理规划起到至关重要的作用。 　　随着社会经济的高速发展和人口的剧烈增长，土地的需求量急剧增加，人地矛盾日益突出。沿海地区经济的发展严重受制于土地资源的不足。而围填海既可解决土地资源不足的问题，又一定程度上避免政策制约，因此，沿海各省份均大规模兴建海岸工程。养殖用海、盐田用海和港口码头是围填海的主要形式，也是沿海滩涂开发利用的主要形式和海岸带土地利用的主要类型[5]。围填海在创造丰厚社会效益的同时也改变了沿海地区海岸格局，导致海洋生态系统失衡，引发一系列严重的生态环境灾害。海岸带资源环境面临严峻挑战：污染与日俱增，环境质量急剧下降；大量不合理的人为活动破坏了典型的海洋生态系统，使得许多海洋生物濒临绝迹，渔业产量大幅度下降；海岸带灾害频发，损失加重。这些都已成为海洋经济可持续发展的严重阻碍。因此，快速、准确地监测海岸带成为海岸带资源环境调控和综合管理的一项重要任务。 　　当前，中国海岸带环境质量的退化已成为限制海岸带经济进一步发展的瓶颈。沿海滩涂湿地、红树林和珊瑚礁均遭受严重破坏。中国红树林面积正急剧萎缩，至2019年现有面积仅约290km2。中国南海珊瑚礁资源衰退极其严重，多达90%遭到破坏，其中占全国珊瑚礁总面积98%的海南省，因不科学、过度的开发利用，加之受海洋环境污染等因素影响，80%～95%的珊瑚礁被破坏。近年来，中国近岸海域赤潮频发，2000年以后进入赤潮高发期，从北到南都有分布，河口、内部海湾更是多发区。一些不合理的海岸带资源开发与海岸工程建设带来诸如海岸侵蚀、海水倒灌等严重的环境问题，使得湿地、堤顼受破坏，水产养殖业受损。目前一些缓发性海洋地质灾害如海岸侵蚀、海平面上升、沿岸土地盐渍化和海水入侵地下淡水等，呈现恶性发展趋势。另外，风暴潮每年也给我国造成近百亿元的经济损失。 　　遥感技术受时空限制小，能够客观、准确地监测海岸线与海岸工程开发利用和动态变化过程。开展海岸带的遥感监测研究，正确地把握我国海岸带的开发现状，能完成宏观、动态、同步监测海岸带区域生态环境和资源开发利用状况，弥补常规观测方法的不足。开展对海岸工程建设造成的海岸线变化、土地利用变化的研究，可以探讨其对陆地、海洋生态环境影响，指导合理规划海岸工程，更好地推动沿海地区经济、资源与环境的可持续发展；同时，为海洋经济的发展、海岸带资源的开发、自然环境及生态系统保护等提供参考；为更深入的研究夯实基础，为土地可持续利用提供数据支持和技术支撑。 　　2.海岸带遥感监测的意义 　　海岸带地处海洋和陆地的接壤部分，受到近岸海域和滨海陆地环境的双重影响，具有独特的生态系统，其中包括岩石圈、水圈、大气圈以及生物圈的相互作用。该系统的生态稳定性不强，较易受到海洋和陆地自然环境变化以及人类活动等因素影响。正因为其独特的地理环境，大量动植物选择在这里栖息生存，繁殖后代；同时，全世界六分之一的人口沿海而居，沿海区域的经济社会发展水平普遍较高。海陆环境变化和人类活动不断地影响着海岸带生态境况，而海岸带对这两者的敏感程度提示我们可以通过了解其动态变化规律，及时发现气候变化、海洋生态等区域乃至全球环境变化，评估、监测和预测海岸带发展。我国拥有众多沿海区域，充分利用海洋资源可以带来诸多便利，一方面缓解了人地矛盾，另一方面带来社会的高速发展，但其对环境造成的影响也不容忽视。近年来，填海造陆活动频繁，海岸的自然属性受到人为因素影响较大，海岸带自身的生态系统平衡紊乱，生态恢复能力下降，如此发展的结果不利于人与环境的和谐相处。传统的地面采样方法主要通过常规测量坐标顺序连接而成。测量点数据之间的间隔大小和疏密程度直接影响测量结果。在某些人难以到达的海岸，需消耗较多的人力、物力才可以进行测量。借助GIS和遥感技术的发展实现海岸线的精准提取与测量，受到众多临海国家的青睐。遥感技术的发展可以克服地面调查的种种限制，并凭借大面积、同步观测、低成本、较高空间分辨率和定位精度的自身优势实现对海岸带的动态监测。利用遥感技术监测海岸带的意义主要体现在3个方面。 　　1）海岸带类型及资源调查 　　在我国近1.8万千米的大陆岸线上，海岸类型复杂多样，主要呈线状或带状结构，在遥感影像上反差明显。结合其他资料，相互印证、综合解译，可以精确分辨各类海岸形态类型，并可由此推断其稳定性。此外，根据遥感影像呈现的古海岸形迹和特征，各年代段的海岸线位置可以精确地被绘出。在潮汐期间，遥感影像可以获得不同时间段的海岸线变化及海岸地貌特征信息。因此，遥感技术是厘清海岸带形态类型和研究海岸带变迁的有效手段。此外，海岸带是海陆过渡带，拥有富饶和宝贵的生态资源，其中包括河口、潟湖、沿岸湿地和珊瑚礁等生境，还有着十分丰富的旅游资源。海岸带也是蕴藏着巨大天然能源的场所，栖息着大量生物。利用遥感技术对这些海岸带资源进行调查，相对传统的调查手段具有周期短、费用低的特点。通过多学科、多专业综合研究相印证，有利于提高对海岸带区域景观和各种资源的认识水平，科学地把海岸带展现在人类面前，这对我国海岸带开发规划及管理具有十分重要的意义。 　　目前实施的我国近海海洋综合调查与评价，正充分利用高分辨率遥感数据进行中国*大规模的海岸带遥感调查与研究，调查内容涉及海岸带中的海岸线、潮间带、围填海、植被、港口、航道、旅游区、海洋保护区、滨海湿地，还包括海岸带地貌要素的类型、面积、长度与分布及海岸线变迁。通过本次调查，我国将全面系统地掌握海岸带资源分布、开发利用现状和潜力，以满足海岸带规划、管理、保护和合理利用的需要，实现海岸带环境资源保护和开发的协调发展。 　　2）沿海水质监测 　　沿海城市的发展及海岸带的扩张开发，导致部分沿海地区海域污染加剧，由此引起的赤潮，无论在规模及发生频率上都呈不断上升的趋势，海洋生态环境日趋退化、渔业资源严重萎缩，水产品质量和人类健康受严重影响，海洋经济的可持续发展同时也受到影响。遥感技术能够实时监测沿海水质状况，弥补常规水质监测成本高、耗时长、同步性差的缺陷，逐渐成为沿海各省份加强海洋生态环境监测，开展保护和治理的有效技术手段。在长三角联合攻关和浙江省科技兴海重大攻关专项资助下，“浙江沿海水质遥感实时监视和速报系统”得以建立。该系统集船测-机载-卫星遥感系统为一体，自动接收多颗卫星遥感资料，融合处理后实时制作近海水质分类、水温、悬浮体浓度、赤潮监测专题图及重点海区污染状况图，充分发挥卫星遥感大范围、高重复性监测、图像资料易于处理和解译的优点；结合航空遥感监测灵活、机动的优势，利用卫星监测水环境异常，指导飞机进行巡航监测，再利用船只进行现场勘查，实时地向浙江省相关政府部门、沿海生产部门提供浙江沿海环境状况。该系统已成为浙江省科学高效的海洋生态安全预警体系中的一个实用子系统，取得了良好的社会和经济效益。此外，目前正在实施的我国近海海洋综合调查与评价，利用8年共11颗卫星的海洋水色水温遥感资料，实现了对我国近海和邻近海域海洋环境参数(包括叶绿素含量、悬浮泥沙浓度、海表温度、海水透明度、水漫射衰减系数、离水辐亮度和气溶胶光学厚度）的大范围、长时相遥感调查，弥补传统调查手段在时空连续性等方面的不足。同时，我国已在沿海7个城市建立了海洋环境卫星遥感接收和应用系统及多种海洋遥感应用示范系统，广泛应用于渔场环境监测、沿海水质监测、赤潮监测和海岸带航空监测等领域，并初步建立了沿海水质遥感产品网上发布系统，在海洋环境监测、资源管理及国家安全等领域发挥着不可替代的作用。 　　3）海岸带灾害监测 　　海岸带具有对环境变化反应敏感和应对灾害影响脆弱的特点，是灾害发生的集中区域。我国海岸带的灾害主要包括风暴潮、赤潮和突发性污染事件(如溢油等）、海岸侵蚀、海水入侵、海雾和海冰等。利用遥感技术(包括卫星和航空平台）进行监测，通过营养盐浓度、海水叶绿素含量、浮游生物种类和密度等指标可以获得实时及连续的监测数据，减轻灾害损失。 　　1.2我国海岸带监测的现状分析 　　1.海岸带功能分析 　　1）海岸带基本概念 　　海岸带是我国生产要素空间分布较密集的地带，对其空间资源的合理开发和利用关系海洋经济的发展质量和沿海区域的可持续发展。合理开发利用与保护海岸带、科学发展海洋产业已成为发展的必然趋势。海岸带是指海陆之间相互作用的地带，包括每天受潮汐涨落影响的潮间带及其两侧一定范围内的陆地和浅海的海陆过渡地带；通常表示的是海岸线向海陆两侧扩展一定宽度的带状区域，是大陆地貌与海洋地貌的交错带，是独特的地貌单元；也是海陆生态系统的交错带，是独特的生态区域单元。 　　海岸带拥有富饶和宝贵的生物圈环境，包括河口、沿岸湿地等，具有重要空间资源和丰富的食物资源。我国的海岸带地区集中了全国约70%以上的大城市、50%的人口和60%的国内生产总值；同时海岸带作为**海洋经济区，具有复合性、边缘性和活跃性等一系列特征；陆海两类经济荟萃，生产力内外双向辐射，因此被称为社会经济地域中的黄金地带。海岸带是邻海国家宝贵的国土资源，同时也是海洋开发、经济发展的基地，是对外贸易和文化交流的枢纽，在我国社会经济发展中具有重要战略地位。 　　2）研究海岸带功能目的 　　20世纪以来，随着社会的发展和全球范围人口、资源环境问题的日益加剧，人类不得不把目光投向面积广阔、资源量巨大的海洋，寻找可持续发展的*后空间和资源[12]。研究海岸带的功能，是为了保证海洋功能区划的客观性、社会性和可实施性，也可以为沿海地区和地方政府对海岸带规划决策提供依据。 　　我国早期的海洋开发主要集中于航运及传统产业，对海洋的开发活动相对少。随着社会的发展，我国的海洋经济进入了一个高速发展的阶段，国家越来越重视海洋工作，沿海各地也先后提出了开发海洋的战略目标和规划，并不断加大对海洋开发的投入和规模。但是随着对海洋资源开发利用的逐渐加强，海岸带开发利用过程中出现了一系列的矛盾，如海岸线资源利用不合理、海洋生态环境恶化、产业集聚效应低等。这就要求我们合理利用海洋资源，更好地规范和部署海岸带区域海洋开发活动类型、开发方式和强度，协调海岸带地区人口、资源、环境和经济发展的关系，促进海岸带地区的可持续发展。