近日，华东师范大学河口海岸全国重点实验室、崇明生态研究院（Ⅳ类高峰学科“岛屿大气与生态”）谭凯副研究员团队在长江口高浑浊河口潮间带“全空间”高程反演方面取得突破性进展。该研究融合ICESat-2三维光子数据、Sentinel-2多光谱卫星影像数据及机器学习，创新性地利用潮间带特有的潮汐规律、物候特征和不同地物的波段、纹理、指数、时序特征及其在光学遥感影像上的差异，提出了一种不使用任何实测辅助数据的大范围高浑浊河口潮间带“全空间”地形高精度智能反演方法，填补了高浑浊河口潮间带“全空间”高程空白。相关成果以Integrating Temporal Vegetation and Inundation Dynamics for Elevation Mapping Across the Entire Turbid Estuarine Intertidal Zones Using ICESat-2 and Sentinel-2 Data为题，发表于遥感领域国际著名期刊IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing。

研究成果第一作者为华东师范大学河口海岸全国重点实验室硕士生姚思琪，通讯作者为华东师范大学河口海岸全国重点实验室、崇明生态研究院（Ⅳ类高峰学科“岛屿大气与生态”）谭凯副研究员。其他研究成员包括华东师范大学河口海岸全国重点实验室朱建荣研究员、张卫国研究员、田波副研究员、谢卫明副研究员、张婉莹博士，宁波大学孙伟伟教授，武汉大学陶鹏杰副教授，香港理工大学博士后陈春鹏。此外，姚思琪同学据此撰写的硕士学位论文《融合星载激光测高雷达和光学遥感影像的长江口潮间带地形时空反演》荣获华东师范大学地球科学学部“优秀硕士学位论文”。

01 研究背景

潮间带位于平均大潮低潮线和平均大潮高潮线之间。作为海陆交互作用的重要过渡地带，潮间带在消浪护岸、蓝碳固存、抵御极端海洋灾害、维持生物多样性等方面发挥着重要作用。绘制空间连续、高精度、高时空分辨率的数字高程模型有助于科学理解和掌握潮间带侵淤演变和地貌发育模式，可为阐明河口三角洲对人类活动和全球气候变化的响应提供基础数据，对海岸带资源的合理开发、防灾减灾及可持续发展具有重要的科学和技术价值。但是，受周期性潮汐涨落影响且潮间带区域水体浑浊、潮沟纵横、滩面泥泞、植被密集、生境复杂，传统地形测量方法作业效率低、人力物力消耗大且覆盖范围有限。多源异构卫星遥感为大范围、长时序潮间带地形观测提供了重要数据源。但现有基于光学卫星遥感影像的水边线法、淹没频率法等方法只能反演无植被和水体覆盖区域的地形，获得的地形在空间上不连续，且需要依靠潮位数据或者实测数据进行高程校正。目前全球高程产品（如SRTM、NASADEM、AW3D30等）主要覆盖陆地区域，在潮间带区域存在大量的数据空缺。如何利用主被动卫星遥感数据的融合优势填补这一空白，是亟待解决的关键难题。

冰、云和陆地高程卫星2号（Ice, Cloud, and Elevation Satellite-2, ICESat-2）是目前全球唯一的绿波段多光束单光子计数激光雷达，具备很好的植被和水体穿透性以及分米级高程精度，为解决高浑浊河口潮间带高程测量提供了关键数据。然而，ICESat-2 光子点旁向分辨率低，无法满足潮间带地形测绘和数字高程模型制作的高分辨率需求。相反，二维光学卫星遥感影像具备丰富的光谱信息和米级的空间分辨率。因此，如何融合ICESat-2和光学卫星遥感影像，弥补ICESat-2在光谱信息和空间分辨率方面的不足，构建光学特征—地物类型—地表高程之间的关联，是实现高浑浊河口潮间带地形高精度反演的关键解决方案。

02 研究方法和结果

该研究结合TPXO8 全球潮汐模型和Sentinel-2时序影像，提出了潮间带平均最低潮位线的精准提取方法，解决了因影像阴影、云雾、浑浊水体等干扰导致的边界识别难题，实现了潮间带空间范围的精准确定。以ICESat-2 ATL03 高精度光子高程替代实测/潮位高程作为控制点，基于随机森林模型建立光子高程与Sentinel-2影像光谱特征（波段、纹理、指数和时序）之间的“一对多”关系，从而构建了10 m空间分辨率、分米级垂直精度潮间带地形反演模型，弥补光子高程点空间分辨率的不足（图1）。该方法的创新和优势在于不仅选取了典型波段、纹理、指数特征，还同时构造了植被出现频率和水体淹没频率两个时序特征，这两个特征有效地利用了潮间带独特的潮汐周期性波动现象、植被物候特征和高程趋势规律在遥感时序影像上产生的变化，从而使该方法适用于潮间带整个空间范围内的高程反演，而不仅局限于非植被和非水体区域。

使用该方法构建了2019—2023年长江口岛屿（图2）的潮间带高程反演模型，使用无人机激光雷达和船载测深等数据对反演结果（图3）进行了验证，结果表明：该方法水上和水下地形反演的平均均方根误差分别为0.51 m和0.69 m。本研究还评估及验证了单一年份模型和多年份集成模型的交叉反演精度（图4），结果表明：单一年份模型及多年份集成模型在不同年份的反演能力仅存在细微差别，使用当年的模型反演当年的地形精度较高。因此，在实际应用中，当研究区域没有发生大的地物覆盖类型和高程变化时，利用本方法无需多次按年/季等时间频率重复构建反演模型，只需输入Sentinel-2影像特征即可根据已建立的模型输出高程，证明了本方法在时间尺度上具备较好的延展性和稳健性。此外，利用本文方法以及根据Sentinel-2影像构建多年份集成模型，基于Landsat 5和Landsat 8影像反演了长江口1985—2015年的潮间带地形（图5），虽然Sentinel-2和Landsat系列卫星影像在波段数量和波段范围等参数上存在差异，但反演结果仍展现出了一定的可信性，表明了本研究方法构建模型在不同遥感数据源之间的潜在迁移性和普适性。因此，本研究方法不仅在垂向精度上展现优势，利用构建的模型还可以输出与输入影像时空分辨率一致的高程。当输入影像具备较高时空分辨率时，本研究方法可以得到高精度、高空间分辨率、高时间分辨率的高程，为高动态变化下的潮间带地形精细厘定提供了解决方案。

与已有的局部潮间带地形产品和全球地形产品相比，不论是单一年份模型还是多年份集成模型在垂直精度、时空分辨率和空间连续性等指标上均呈现较高的稳定性和优越性，并在一定程度上弥补了当前全球地形产品中潮间带高程的缺失（图6）。本研究方法在没有任何地面实况调查和对研究区地物类型与地貌特征等先验知识的情况下，仅根据免费公开的主被动卫星遥感数据可以绘制潮间带连续空间的高程，在区域/国家/全球范围高精度、高分辨率潮间带地形反演方面具有巨大潜力和应用价值。

图1. 整体技术路线

图2. 研究区域及使用的设备和数据源

图3. 长江口岛屿2019—2023潮间带地形

图4. 单一年份模型和多年份集成模型的交叉反演

图5. 利用Landsat系列影像和Sentinel-2多年份（2019—2023）集成模型反演长江口近40年潮间带地形

图6. 与现有全球高程产品对比

03 研究资助

研究得到国家自然科学基金（42471473，42171425），上海市科学技术委员会（23590780200，22ZR1420900），科技部重点研发计划（2024YFF0808803）的支持。

04 文章信息

Siqi Yao, Jianrong Zhu, Wanying Zhang, Bo Tian, Weiwei Sun, Weiguo Zhang, Weiming Xie, Pengjie Tao, Chunpeng Chen, and Kai Tan. Integrating Temporal Vegetation and Inundation Dynamics for Elevation Mapping Across the Entire Turbid Estuarine Intertidal Zones Using ICESat-2 and Sentinel-2 Data. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 18: 14517-14534, 2025.

图文、来源 | Ⅳ类高峰学科“岛屿大气与生态”谭凯副研究员科研团队