《遥感科学与技术发展现状与态势》出版！遥感在交通运输方面的应用：海上污染监测

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遥感科学与技术是一门新兴学科，是物理、地理学、航空航天、电子、光学、计算机、人工智能等多学科的交叉。它通过空天地平台，主动或被动地采集电磁波信号数据，实现多谱段、全天候、高重访的对地观测，是对陆表、大气、海洋等各种环境要素与目标进行有效感知与评估的手段。遥感在各领域中的应用，已产生显著的社会经济效益。在土地资源调查、生态环境监测、农业监测与作物估产、灾害预报与灾情评估、海洋环境调查、天气预报、空气质量监测、电子地图制图等领域，遥感都发挥了重大作用。

为了反映遥感科学与技术的最新进展，我们组织申请了国家自然科学基金学科发展研究项目“遥感科学与技术发展态势与应对策略”。（龚健雅等著. 北京：科学出版社，2023.7）一书即为该项目资助下撰写的一本综述性专著。

龚健雅院士作为项目负责人组织国内知名学者进行了系统调研与分析，由此构思了本书的内容与结构，邀请了毛庆洲教授、黄昕教授、何涛教授和巫兆聪教授撰写相关的章节。它综述了遥感科学与技术学科的最新进展与发展态势，以遥感传感器、遥感信息处理、定量遥感反演、遥感应用四个部分为主线，通过国内外文献的广泛调研，分析当前国内外遥感科学与技术的现状、问题与发展趋势，提出我国遥感科学与技术的发展对策；同时，为将来我国遥感科技项目立项提供参考。

本文节选“第19章 遥感在交通运输方面的应用”中“海上污染检测”部分内容以飨读者。

海洋是地球上生命的摇篮，蕴藏着巨大的能源，世界上各个国家的发展都离不开海洋。随着我国的发展，我国沿海和内河区域船舶溢油污染、压载水和船舶生活垃圾任意排放量与日俱增，陆源污染物的海洋排放量持续增加，我国沿海水域海水污染问题变得日益严峻，不仅影响着人们的日常生活和身体健康，也制约了我国航运业的发展。传统的海水水质监测方法效率较低，无法获得大范围海水的水质状况，寻找一种更加精确、简便的沿海海域污水监测方法对海水水质进行监测，是一项十分重要的工作。

遥感技术作为海洋环境监测的一种重要手段已经得到广泛的应用，遥感技术应用于海洋水质监测领域，不仅可以对某一区域进行长期监测，从而对海水污染趋势进行预测，而且节约了污水监测成本。遥感监测海水污染的方法主要包括分析法、经验法和半经验法，通过遥感可监测的海洋污染种类逐渐增加，包括叶绿素、悬浮物、黄色物质、海洋溢油、悬浮泥沙等，反演精度也在不断提高。

▋ 汤杨提出了一种基于机器学习方法利用Landsat-8遥感图像进行海洋污染检测的方法，即梯度提升决策树(gradient boosting decision tree，GBDT)算法，分析天津市附近渤海湾的污染变化情况。使用灰度分布(grayscale distribution，GLD)、灰度平均值(grayscale mean value，MV)、灰度标准差(grayscale standard deviation，STD)以及信息熵 (the information entropy，IFE)作为训练集的特征。为了评估研究的方法，对100 个图像样本(50 个污染样本和50 个未污染样本)进行了包括特征评估、参数设置和分类的若干实验。结果表明，机器学习方法的分类精度可以达到98.33％，整个过程(训练和测试)用时0.020s。基于GBDT的方法有助于未来的海洋污染检测。

▋ 杨静等基于HY-1B、Aqua 和Terra 等多源卫星数据对黄东海海域进行的绿潮遥感监测数据分析，研究了2011～2016年绿潮高发季节的变化规律和分布特征，数据包括绿潮发生的时间、位置、分布面积、覆盖面积和影响范围等相关信息。结果表明，绿潮灾害每年爆发的特点是一般在5月开始爆发，6月～7月为绿潮的发展持续期，其主体的漂移生长方向是偏北和偏西方向，8月逐渐消亡。卫星遥感监测绿潮的最大分布面积呈逐年增加的趋势，这可能与全球气候变化等环境因素密切相关。

▋ Garcia-Pineda 等提出了使用多个遥感器快速分类溢油类型和估计厚度的方法，通过这些方法，厚油和油乳状液(可操作的油)的信息可以在一个作业时间内传递给现场的响应人员。在新泽西州的OHMSETT测试设施进行的实验表明，在特定的观测条件下，单极化卫星SAR图像可以记录厚的稳定乳剂和非乳化油之间的信号差异。在墨西哥湾进行的一系列现场测量石油厚度的行动中，获得了多种卫星数据，包括从RADARSAT-2获得的全偏振c波段SAR图像和从ASTER 和WorldView-2获得的多光谱图像，还有以机载偏振UAVSAR l波段传感器获得的数据。

▲ MC20 租赁区块附近的漏油照片

研究基于RADARSAT-2极化图像，利用熵和阻尼比推导得到油/乳状液厚度分类数据。研究提出了从SAR 中计算油层厚度产物的分类方法，并通过海相观测、多光谱图像和UAVSAR数据进行了验证。研究还测试了通过NOAA 各环节以最小延迟向响应设施交付这些产品的能力。这一概念验证测试使用卫星SAR 和多光谱图像来检测乳剂，并将衍生的信息产品以近实时的方式直接发送到船舶上。在墨西哥湾的野外作业中，RADARSAT-2数据采集42min后，一份基于SAR的相对厚度圈定石油的产品被送到了响应船上，这项技术可以在不久的将来将卫星技术用于石油泄漏的战术响应操作。

▋ 郁斢兰以大连海上机场建设为背景，采用卫星遥感技术，实现对大型海上交通枢纽施工引起的海洋悬浮泥沙污染进行多时相监测，试图揭示填海施工形成的大范围海洋悬浮泥沙污染浓度分布及其扩散规律。

• 首先，以计算机数值模拟预测研究区的潮流场变化和悬浮泥沙扩散规律，包括构建二维潮流数学模型，确定污染源强度后通过应用水质预测模块确定各种潮流状态下的悬浮泥沙强度和分布。

• 其次，基于现场水样实测数据和HJ-1A/1B CCD遥感数据构建研究区悬浮泥沙反演模型，并对模型精度进行检验，探讨了研究区不同潮流状态下悬浮泥沙浓度分布。

• 最后，对比分析研究区的潮流数值模拟和悬浮泥沙浓度反演结果，探究工程海域的流场变化与遥感影像中悬浮泥沙分布特征之间的关系，推理出工程期内悬浮泥沙污染的动态变化规律。

结果表明，该监测方法有助于及时预测、监测和验证大型海上施工造成的悬浮泥沙污染扩散及分布状况，制定相应的防护措施，从而实现科学管理。

1. 研究区内大范围流场运动特征在海上机场建设前后基本相同，即工程的实施对整个海域的流场形态影响不大，仅局部海域(海上机场周边)的流场形态变化明显，个别存在回流现象。数值模拟的预测显示，悬浮泥沙的产生主要集中在施工期，预计悬浮泥沙扩散的范围为20.28km²，其中，浓度小于10mg/L 的区域占到77.8%，面积约15.8km²；悬浮泥沙污染在施工结束后，随着水流的稀释作用，污染将基本消散。

2. 现场水样实测数据和HJ.1A/1B CCD第三波段建立的线性模型相关性达到0.95，平均误差为12.9%，可以满足II类水体遥感反演的要求，能客观地揭示施工中海洋悬浮泥沙的浓度分布及其变化特征。

3. 对比分析研究区的潮流数值模拟结果和悬浮泥沙浓度反演结果，得到的机场施工造成的流场变化与遥感影像中悬浮泥沙分布特征比较吻合，证实水动力模型模拟结果基本可信。

本文摘编自《遥感科学与技术发展现状与态势》（龚健雅等著. 北京：科学出版社，2023.7）一书“第19章 遥感在交通运输方面的应用”，有修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-075951-1

责任编辑：姚庆爽

本书是在国家自然科学基金项目“遥感科学与技术发展态势与应对策略”的资助下撰写的一本综述性专著。第一部分是遥感传感器，主要阐述了可见光、高光谱、雷达等多种传感器的性能、参数及研制，并综述和展望了发展趋势。第二部分是遥感信息处理，系统地描述了遥感影像预处理方法，以及遥感影像信息处理和提取的新方法。第三部分从光学、热红外、主动、被动等方面，系统地阐述了定量遥感反演的进展和新趋势。第四部分展示了遥感技术在自然资源、生态环境、城乡建设、交通运输等方面的应用，探讨了当前遥感技术的应用势态。本书适合于高等院校遥感及相关专业的学生阅读，也可供相关专业技术人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

• 信息来源：科学出版社。
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