我国是海洋大国,拥有面积大于500 m2的海岛6 500余个,其中约94%为无居民海岛;面积在500 m2以下的岛屿和岩礁约有上万个[1]。海岛是促进我国国民经济和社会发展的资源保障,是保护海洋环境和维护生态平衡的重要平台,是捍卫国家权益和保障国防安全的战略前沿[2]。
《中华人民共和国海岛保护法》第二章第十五条规定:国家建立海岛管理信息系统,开展海岛自然资源的调查评估,对海岛的保护与利用等状况实施监视、监测。以法律为依据,国家海洋局于2015年1月9日发布《关于建立县级以上常态化海岛监视监测体系的指导意见》,将海岛监视监测概括为5个方面,即海岛分类监视、海岛及其周边海域保护与利用状况监测、领海基点所在海岛及其周边海域生态系统监视监测、海岛应急监视监测以及创新和集成海岛监视监测技术体系[3]。
目前我国已初步建成国家海岛监视监测业务体系,遥感是海岛监视监测的主要技术手段。遥感技术的劣势是易受云层和地面天气的影响,尤其是光学遥感,在我国南方多云地区长时间难以获得所需的高分辨率遥感影像[4]。合成孔径雷达(SAR)是先进的成像微波遥感器,不受天气影响,可全天候和全天时工作,尤其适用于多云多雨地区的监视监测。
近年来高分辨率SAR技术兴起,TerraSAR-X、COSM O-Sky Med和RADARSA T-2等高分辨率SA R卫星相继发射,所获数据可在海岛监视监测中发挥特殊作用。由于SAR与光学遥感的成像机制不同,对图像处理和信息提取提出更高的要求。本研究结合实际工作,分析高分辨率SAR影像在海岛监视监测中的应用,针对小海岛和船只影像易混淆的问题给出区分方法,并提出进一步应用建议。
SAR在距离向通过脉冲压缩、在方位向利用孔径合成技术,以获得较高的空间分辨率。根据SAR的成像原理可知,其距离向的分辨率为[5]:
式中:c是光速;B是脉冲带宽。因此,提高其距离向的分辨率,需增大脉冲带宽。
方位向的分辨率为[5]:
式中:D AT是天线沿方位向的孔径。因此,提高其方位向的分辨率,需减小天线尺寸。机载SAR系统即采用这一途径实现高分辨率,而星载SAR系统不能一味依靠减小天线尺寸获得较高的方位向分辨率。这是由于天线尺寸变小必将降低增益,进而影响图像信噪比;而要维持较好的图像信噪比又必须大幅提高发射功率,但目前卫星发射功率已很难再大幅提高。因此,目前高分辨率SAR卫星系统采用聚束(spotlight)方式获取高达1 m的方位向分辨率,即通过调整天线在方位向的角度,使SAR在一段时间内凝视同一区域,通过增加积分时间增大合成孔径,进而提高方位向的分辨率。
2007年前后,国际上一系列高分辨率SAR卫星相继发射,标志着SAR进入高分时代。2007年6月8日,意大利军民合用的COSM O-Sky Med星座的第1颗卫星成功发射,该星座由4颗卫星组成,每颗卫星都搭载X波段SAR,具有聚束、条带和扫描3种成像模式,其中聚束模式可获取分辨率达1 m的图像,条带模式可获取分辨率为3~ 15 m的图像,扫描模式可获取幅宽为100~ 200 km、分辨率为30~ 100 m的图像;该星座的其他3颗卫星分别于2007—2010年成功发射,4颗卫星处于1个轨道面上,相位间距90°,具有较高的重访能力,近年来在突发事件和灾害监视监测中发挥了突出作用。2007年6月15日,德国的TerraSAR-X卫星成功发射,其同样是高分辨率SA R卫星,同样工作在X波段,同样具有聚束、条带和扫描3种成像模式,最高分辨率也为1 m;2010年6月21日,其姊妹星TanDEM-X成功发射,搭载同样的SAR,运行在同一轨道,相距300~ 500 m,构成干涉卫星星座,主要进行全球陆地高程高精度测量(World DEM)。2007年12月14日,加拿大的RADARSA T-2卫星成功发射,其是RADARSA T-1的升级版,增加全极化模式和高分辨率模式,最高分辨率最初为2 m; 2009年加拿大国防部为开展专属经济区的船舶监测,又对该星进行升级,提供1 m分辨率的图像,且幅宽更大。此后,欧空局的Sentinel-1 A/B和A LOS-2等卫星也陆续成功发射,都搭载高分辨率SAR传感器,高分辨率SAR数据源越来越丰富,其应用也进入新的时代。
海岛、沙洲和干出礁的SAR成像如同陆地SAR成像,SAR主动发射电磁波并接收从目标散射回来的电磁波。微波成像中的基本散射模型包括表面散射模型、漫散射模型、二次散射模型和体散射模型。
暗沙和暗礁的SAR成像如同水下地形SAR成像,包括3个物理过程,即水下地形对流的调制、对流表面微尺度波分布的调制以及表面微尺度波与雷达波的相互作用。
本研究以西沙群岛的典型海岛礁为例,介绍不同类型的海岛礁在高分辨率SAR影像上的不同表现。
对于植被生长茂盛的海岛,如西沙群岛的东岛,岛上热带植物丛生、树林茂密,天然植被属于珊瑚岛常绿林,植被体散射特征明显,后向散射强度较弱,因此在高分辨率SAR影像中,东岛影像较背景海水暗(图1)。
对于人工建筑物较多的海岛,如西沙群岛的永兴岛,岛上建有银行、邮局和商店等各类建筑,人工建筑物二次散射特征明显,后向散射强度较强,因此在高分辨率SAR影像中,永兴岛影像较背景海水亮。同时,永兴岛上椰子树较多,树干和地面也形成二次散射,因此在高分辨率SAR影像中也较亮。而永兴岛的机场跑道近似于镜面反射,后向散射强度较弱,因此在高分辨率SAR影像中发暗(图2)。
对于无植被或植被较少的沙洲,如西沙群岛的西沙洲,其是椭圆形沙洲,上面白沙一片,近似于镜面反射,后向散射强度较弱,因此在高分辨率SAR影像中较背景海水暗(图3)。
对于珊瑚环礁,如西沙群岛的华光礁和羚羊礁,其中华光礁南北向都有口门与外海相通,因此在高分辨率SAR影像中,其环内澙湖和环外背景海水亮度较一致(图4);而羚羊礁属于封闭式的珊瑚环礁,因此在高分辨率SAR影像中,其潟湖较礁外背景海水略暗(图5)。
由于SA R影像没有光谱信息,即使利用高分辨率SAR影像进行海岛地物信息提取,地物分类精度也会受到一定的影响。但由于SAR影像与光学遥感影像的成像机制不同,其在海岛尤其是小海岛识别和海岛开发工程监视监测等方面具有特殊优势。
在开展全国海岛遥感调查工作的过程中,发现部分面积小于500 m2的小海岛特征模糊,尤其是面积较小的基岩海岛,常年被海水冲刷,岛上少有植被且礁石颜色偏暗,导致其在光学遥感影像中极不清晰。而目前高分辨率SAR卫星的空间分辨率最高可达1 m,且具有全天候和全天时的工作能力,可有效识别小海岛(图6),还可提取海岛的地理位置、面积和岸线长度等信息,还可与光学遥感影像提取结果互相验证,大大提高海岛调查工作效率和降低成本。
图6所示海岛已经现场核实验证,隶属于广东省珠海市斗门区,位于三角山岛西侧,距离三角山岛约85 m,海岛面积约240 m2。
高分辨率SAR影像在海岛开发工程监视监测方面也具有独特的应用潜力,这是海岛监视监测工作的主要任务之一。在本研究获取的SAR影像覆盖范围内,正在进行珠海高栏港大(杧)荷(包)防波堤工程施工,通过影像可看到工程概况(图7)。大杧岛至杧仔岛的工程已基本完工,由影像测得其长度约700 m、中间段宽约10 m、两侧宽约15 m,其中虚线为未建部分(图7(a));大杧岛和杧仔岛上的深色线条是施工便道,在防波堤靠近大杧岛处的若干较强散射点(圆圈部分)是施工车辆(图7(b));沿着荷包岛边缘也可看到施工便道,便道一直延伸到海岛深处,长约1. 7 km,从影像判断该处应为采石场(图7(c))。显然,杧仔岛至荷包岛的防波堤工程是从两端相向推进的,至影像成像时共完成644 m,当时的新闻报道证实了SAR影像的解译结果。
广东省黄茅海的SPOT-5影像(图8(a))于2006年12月31日成像,分辨率为2. 5 m;相同区域的RADARSA T-2 SAR影像(图8(b))于2009年10月31日成像,成像模式为超精细,H H极化,中心入射角为40. 5°,分辨率为3 m×3 m。
由图8可见,SPOT-5影像和RADARSAT-2 SAR影像对大襟岛、大杧岛、荷包岛、三角山岛和獭洲岛等较大海岛成像特征较一致,但RADARSAT-2 SAR影像中有更多亮点出现,这是由于SAR影像比光学影像对海上船只有更好的成像能力。由于小海岛在SAR影像上也表现为小亮斑,易与船只混淆,有必要对小海岛和船只进行区分。
有些海岛可直接从形状上进行识别(图9(a)),但有些海岛在SAR影像中与船只的形状几乎一致(图9(b))。为识别这种细长型海岛,需分析船只的SAR影像特征。
一般来说,船只的规则几何形状易形成二面角反射,在SAR影像中的表现近似角反射器,其影像特征是较亮的“十字星”[6]。从图8(b)中选取典型船只的SA R影像(图10),“十字星”特征显而易见,且在方位向较突出。而海岛表面地形很少有规则几何形状,难以形成二面角反射,就很少具有“十字星”特征。因此,可以此为依据区分小海岛和船只。
SAR不受云雾干扰,易于快速获取,空间分辨率也不断提高(COSMO-Sky Med SAR和TerraSAR的分辨率已达到1 m),但由于不具备光谱信息,在海岛监视监测中的应用有限;光学影像的空间分辨率较低,但光谱信息丰富,且重访周期短(国产高分卫星和环境卫星可实现4 d重访)和刈幅宽,在多云多雨地区仍能抓住良好天气的窗口时机进行拍摄,影像获取有保证。将高分辨率SAR影像与中分辨率光学影像相结合,可实现优势互补的目标,目前已成功应用于农作物业务化监测[7]和土地利用(覆盖)制图[8]等工作。
因此,建议利用高分辨率SAR影像与中分辨率光学影像相结合的方式进行海岛监视监测,作为对其他影像数据的有效补充,消除海岛监视监测“盲区”,全面获取海岛的岸线位置、类型和开发利用情况等基本信息,实现对海岛的动态监管,为我国海岛保护和管理提供数据支持和技术支撑。
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