基于環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的黃海滸苔遙感監(jiān)測

吳傳慶，馬萬棟，王雪蕾，姚延娟，吳 迪

環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094

2007年以來，黃海海域每年均出現(xiàn)大面積的漂浮海藻，經(jīng)專家初步鑒定該漂浮海藻為滸苔(拉丁學(xué)名:Enteromorphaclathrata(Roth)Greville)。滸苔屬全球分布的種類，海水淡水中均可生長，甚至有可能附著在船舶上，生長期一般在15 d左右。黃海海域近些年出現(xiàn)的滸苔綠潮，數(shù)量多且影響面積大。

滸苔聚集不會影響海水水質(zhì)，對海洋生態(tài)環(huán)境不會產(chǎn)生負(fù)面作用，但對交通、漁業(yè)造成不利影響。如果岸邊的滸苔不及時清理，堆積的滸苔將大量發(fā)白死亡，死亡的滸苔會腐爛而發(fā)出難聞的氣味，同時腐爛物質(zhì)還將污染水體。不及時清理滸苔會對環(huán)境造成污染。環(huán)保等相關(guān)部門對黃海海域的滸苔綠潮高度重視。

實際的滸苔覆蓋面積以達(dá)數(shù)百上千平方公里，依靠地面監(jiān)測手段很難對其分布和發(fā)展變化情況進(jìn)行監(jiān)測，采用航空遙感手段在中國也有空域管制、飛機(jī)租用等諸多不便，衛(wèi)星遙感技術(shù)為此類環(huán)境事件監(jiān)測提供了一個大范圍、快速監(jiān)測手段。早在20世紀(jì)70年代，美國就利用MSS數(shù)據(jù)和TM數(shù)據(jù)對海洋赤潮進(jìn)行了研究和監(jiān)測。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星傳感器的重返周期、分辨率、波段數(shù)、信噪比等性能參數(shù)都有很大提高，這些都大大增加了對海洋赤潮應(yīng)急監(jiān)測和研究的可行性［1-2］。黃海滸苔綠潮也可以歸屬于赤潮的一種，中國的科研工作者利用遙感手段也對其進(jìn)行了大量的研究和監(jiān)測。如趙文靜等［3］對滸苔海面光譜響應(yīng)進(jìn)行了輻射傳輸模擬，顧行發(fā)等［4］利用多種遙感手段對滸苔災(zāi)害進(jìn)行了立體監(jiān)測，形成了相應(yīng)的遙感模型和監(jiān)測系統(tǒng)，國家海洋部門的蔣興偉等［5］建立了滸苔災(zāi)害衛(wèi)星遙感應(yīng)急監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)對滸苔進(jìn)行監(jiān)測。這都說明對滸苔這種大范圍發(fā)生在海域的自然災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，遙感手段非常有效。

目前，國內(nèi)外對滸苔遙感監(jiān)測使用較多的數(shù)據(jù)源主要是美國的 MODIS數(shù)據(jù)［6-7］。MODIS數(shù)據(jù)1、2波段的地面分辨率為250 m，視幅寬度為2 330 km，非常適合暴發(fā)范圍為上千平方公里的滸苔綠潮監(jiān)測。但由于MODIS的分辨率較粗，難以兼顧大塊聚集和零散分布的滸苔，筆者通過研究發(fā)現(xiàn)，業(yè)務(wù)化監(jiān)測中提取面積可能會被夸大20%左右，這與文獻(xiàn)［6］觀點一致。

2013年采用環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)對黃海滸苔暴發(fā)情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù):可見近紅外范圍4個波段設(shè)計，地面分辨率分別為30 m，視場幅寬為720 km。采用30 m分辨率的環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能夠更加精確地提取滸苔面積，計算靠岸滸苔量，以便政府準(zhǔn)確掌握災(zāi)情，投入適當(dāng)?shù)娜肆ξ锪η謇頋G苔。

1 提取方法

滸苔為水生綠藻類植物，具有典型的植被光譜特征。根據(jù)實地觀測，滸苔在水中成片狀分布，漂浮在水體上層;當(dāng)數(shù)量眾多、大面積聚集時，滸苔厚度可達(dá)1 m(圖1)，滸苔聚集區(qū)植被光譜明顯，見圖2。

因此，對滸苔分布面積的提取，采用經(jīng)典的歸一化植被指數(shù)(NDVI)是最有效的方法，即使在有薄云的情況下，也能很好地提取出滸苔區(qū)。水體的NDVI為負(fù)值，云的NDVI低于植被NDVI，采用閾值法能很好地區(qū)分出滸苔分布區(qū)。NDVI的計算公式如下:

式中:Band4、Band3分別為HJ-CCD數(shù)據(jù)的第4波段(近紅外)、第3波段(紅波段)的遙感反射率。

圖3為滸苔分布遙感監(jiān)測流程。

圖1 滸苔大厚度聚集

圖2 正常水體與滸苔反射率曲線對比圖

圖3 滸苔分布遙感監(jiān)測流程圖

由圖3可見，流程主要有三大步:1)環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)的幾何校正、目標(biāo)區(qū)域的截取，利用6s模型進(jìn)行大氣校正從而得到遙感反射率圖像;2)水域NDVI計算，首先基于目標(biāo)區(qū)的遙感反射率圖像進(jìn)行全圖NDVI計算和水體區(qū)域提取，再通過波段運算獲得目標(biāo)水域的NDVI圖像;3)閾值分割得到滸苔面積分布圖。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

此次黃海海域發(fā)生的滸苔綠藻潮時間范圍為2013年5—8月，在綠藻潮持續(xù)期間，共獲取環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)74景，監(jiān)測到滸苔分布的遙感影像共13景。重點分析了該海域滸苔綠藻潮的分布特點及宏觀漂移規(guī)律，以及對重點城市(青島)海濱的影響。結(jié)果表明:

1)此次滸苔綠藻潮持續(xù)時間長、分布范圍廣。5月22日在距離青島159.44 km的南部海域首次監(jiān)測到滸苔(圖4)，最后一次為8月16日，8月17以后未在該海域監(jiān)測到明顯滸苔分布，因此斷定滸苔綠藻潮暴發(fā)已經(jīng)結(jié)束，此次滸苔綠藻潮持續(xù)時間約為86 d。滸苔綠藻潮暴發(fā)期間，青島南部、東部、北部海域利用遙感影像可監(jiān)測到滸苔的海域面積達(dá)4.39萬平方公里，滸苔綠藻潮分布的海域分布狀況見圖5。不同日期滸苔綠藻潮覆蓋面積、分布海域面積、離青島距離等情況見表1。

圖4 5月22日滸苔分布

圖5 綠藻潮分布中心點漂移趨勢

表1 2013年滸苔綠潮分布統(tǒng)計表

2)綠藻潮由南向北移動，逐漸靠岸。此次綠藻潮首發(fā)于鹽城東部海域，由南向北漂移，面積逐漸擴(kuò)大。2013年6月29日在青島附近海岸首次靠岸(圖6)，綠藻潮分布區(qū)域的中心點向北移動(圖5)，8月16日結(jié)束于青島東北部海域。

3)綠藻潮覆蓋面積及分布海域面積均呈現(xiàn)先變大，然后逐漸變小的趨勢，直至消亡。2013年青島附近海域綠藻潮覆蓋面積和分布面積隨時間變化均呈現(xiàn)先逐漸增大，然后逐漸減小的變化趨勢(圖7)。此次綠藻潮暴發(fā)期間，首次監(jiān)測到綠藻潮覆蓋面積是7.42 km2，分布海域面積是945.69 km2;隨后綠藻潮覆蓋面積逐漸變大，最大覆蓋面積663.54 km2(圖8);此后，隨時間推移，綠藻潮逐漸消亡。

圖6 6月29日滸苔分布

圖7 2013年滸苔綠潮覆蓋面積統(tǒng)計圖

圖8 7月5日滸苔分布

3 結(jié)論

環(huán)境衛(wèi)星以其2 d重返周期、30 m分辨率、720 km寬覆蓋的優(yōu)質(zhì)多光譜數(shù)據(jù)，指示了黃海夏季滸苔的發(fā)生和發(fā)展過程，能夠精確計算出滸苔覆蓋面積，監(jiān)測到其靠岸時間、影像范圍。基于環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的滸苔遙感監(jiān)測，是服務(wù)于環(huán)境保護(hù)工作的有效手段。

［1］Kutser T，Metsamaa L，Strombeck N，et al．Monitoring cyanobacterial blooms by satellite remote sensing［J］．Estuarine Coastal and Shelf Science，2006，67(1/2):303-312．

［2］Wei Guifeng，Tang Danling，Wang Sufen，etal．Distribution of chlorophyll and harmful algal blooms(HABs):A review on space based studies in the coastal environments of Chinese marginal seas［J］．Advances in Space Research，2008，41(1):12-19．

［3］趙文靜，張杰，崔廷偉，等．水下懸浮滸苔海面光譜響應(yīng)的輻射傳輸模擬［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2009，29(6):1 656-1 660．

［4］顧行發(fā)，陳興峰，尹球，等．黃海滸苔災(zāi)害遙感立體監(jiān)測［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2011，31(6):1 627-1 632．

［5］蔣興偉，劉建強，鄒斌，等．滸苔災(zāi)害衛(wèi)星遙感應(yīng)急監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］．海洋學(xué)報:中文版，2009，31(1):52-63．

［6］鐘山，丁一，李振，等．MODIS滸苔遙感監(jiān)測誤差分析研究［J］．遙感信息，2013，28(1):38-42．

［7］劉振宇，江濤．基于MODIS數(shù)據(jù)的滸苔信息提取方法研究［J］．測繪科學(xué)，2008，33(S1):113-114．