基于跨任务SAR数据的多年代海岸线变化监测及SAR相关因子影响评估

《IEEE Journal of Oceanic Engineering》：Using Cross-Mission SAR Data for a Multidecadal Coastline Change Monitoring and Assessing the Influences of SAR-Related Factors

　　本研究针对河口蓝碳环境保护需求，提出一种融合多源SAR数据的自动海岸线提取方法。通过结合形态学活动轮廓模型（MorphACWE）与同极化归一化雷达散射截面（NRCS），在台湾曾文河口实现19年（2003-2021）潮汐效应控制下的海岸线动态监测。结果显示河口沙洲遭遇-40.8米/年的极端侵蚀，并证实SAR传感器辐射质量（NESZ和辐射分辨率）是影响监测可靠性的决定性因素。该方法为海岸带管理提供了突破光学数据限制的技术支撑。

　　

在全球气候变化背景下，河口蓝碳（Blue Carbon, BC）生态系统的保护已成为国际焦点。这些生态系统不仅具有强大的碳封存能力，还能提供抵御极端气候的缓冲功能。然而，受水产养殖扩张、水库建设等人类活动影响，全球海岸线正面临严重威胁。传统光学遥感监测受云层、水体浊度限制，难以实现连续观测。合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）虽具备全天候观测优势，但现有研究多局限于短期分析，且普遍采用易受散斑噪声影响的像素级方法。

为解决这一难题，台湾大学的Ya-Lun S. Tsai博士团队在《IEEE Journal of Oceanic Engineering》发表研究，创新性地整合ERS-1/2、Envisat ASAR和Sentinel-1等跨任务SAR数据，建立了一套自动化的海岸线提取流程。通过同步潮汐站数据控制水位影响，系统比较了不同SAR衍生信息（NRCS、干涉相干性、极化参数）与区域分析方法（活动轮廓模型、面向对象图像分析）的组合效果，最终确定同极化NRCS结合形态学活动轮廓模型（Morphological ACWE）为最优方案。

研究方法核心包括三方面技术突破：首先采用多卫星平台SAR数据标准化处理，将不同传感器数据重采样至10米网格；其次开发基于形态学活动轮廓模型的边缘检测算法，通过能量函数最小化实现海岸线精准追踪；最后利用美国地质调查局（USGS）数字海岸线分析系统计算线性回归速率（Linear Regression Rate, LRR），实现海岸变化定量评估。特别值得注意的是，研究首次系统分析了海面风速、波高与SAR辐射质量的交互影响。

海岸线提取方法的建立

通过对比不同极化方式的NRCS发现，同极化（VV/HH）在海洋/陆地区分度上显著优于交叉极化（VH/HV）。Sentinel-1数据的同极化NRCS在海洋表面呈现更高均匀性，其提取的海岸线连续度比ASAR提升约40%。极化参数（熵值、Alpha角）因需9×9像素窗口平均计算，导致空间细节丢失；而干涉相干性受重复观测周期内降水事件影响，难以保持地物相关性。

方法性能验证

形态学活动轮廓模型（MorphACWE）在参数敏感性测试中表现稳定，迭代次数（30次）和平滑因子（2）的微小变动对结果影响有限。而大规模均值漂移分割（LSMS OBIA）不仅处理耗时增加20倍，其光谱阈值参数的细微调整就会导致海岸线形态剧烈变化。在曾文河口复杂地貌验证中，MorphACWE成功识别出人工堤岸（B段）与自然沙洲（D段）的边界，而OBIA方法出现河道误连现象。

时间序列海岸线变化

潮汐高度控制在0.57-0.67米区间内的19年数据显示，曾文河口呈现高度异质性变化。D段沙洲经历极端侵蚀（-40.8米/年），而C段东部却出现最大30.5米/年的沉积增长。人工防护的B段保持稳定（0.83米/年），但离岸新浮仑沙洲（F段）因周期性潮水淹没导致SAR信号异常，无法获得可靠评估结果。

影响因素机理分析

通过分析86景Sentinel-1图像可用性发现，虽然海面NRCS与风速呈正相关（R²=0.46），但传感器本底噪声（NESZ）才是决定性因素。Sentinel-1因具备-25dB的噪声等效Sigma零值（NESZ），在0-16米/秒风速条件下均能保持93%的图像可用率，而NESZ仅-20dB的ERS数据全部失效。这一发现解释了为何同类研究中TerraSAR-X（NESZ=-19dB）有45%图像出现缺陷。

讨论部分通过与前人Landsat研究对比验证了方法的可靠性，两者在人工岸线段误差小于3.8米/年。但在浅层沉积沙洲区域，SAR对水分含量的敏感性会导致潮间带误判，该局限性在A段和C段尤为明显。研究进一步指出，未来随着NISAR等新型SAR卫星发射，紧凑极化（Compact Polarization）技术和亚米级分辨率数据将突破现有技术瓶颈。

这项研究不仅建立了首套适用于多年代海岸线监测的SAR分析方法，更通过辐射质量指标的系统评估，为全球海岸带遥感监测提供了传感器选型依据。其提出的潮汐控制策略和形态学活动轮廓模型，为《联合国海洋科学十年》计划中的海岸韧性评估提供了关键技术支撑，对正在立法中的台湾海岸带综合管理（ICZM）具有重要实践意义。