基于MODIS熒光基線高度的赤潮監(jiān)測(cè)多源數(shù)據(jù)對(duì)比分析

摘" 要：為了評(píng)估海洋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，文章采用MODIS數(shù)據(jù)，首先對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、重投影、重采樣、大氣校正等預(yù)處理，然后反演海洋水體的離水輻亮度等數(shù)值，計(jì)算歸一化熒光基線高度（nFLH）產(chǎn)品，對(duì)原有熒光基線高度產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行赤潮探測(cè)。通過(guò)對(duì)比同一時(shí)期發(fā)生Landsat、HY-1D、無(wú)人機(jī)等多源遙感影像進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明基于MODIS數(shù)據(jù)的nFLH產(chǎn)品監(jiān)測(cè)的赤潮范圍和其他遙感影像一致，滿(mǎn)足高時(shí)效的赤潮監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：赤潮監(jiān)測(cè)；水色遙感；MODIS；歸一化熒光基線高度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2025）01-0139-06

Comparative Analysis of Multi-source Data for Red Tide Monitoring Based on MODIS Fluorescence Line Height

Abstract： In order to evaluate ocean dynamic monitoring， this paper uses MODIS data. Firstly， the MODIS data is preprocessed for geometric correction， reprojection， resampling， atmospheric correction， and so on. Then， the values of the water-leaving radiance of the marine water body are inverted， and the normalized Fluorescence Line Height （nFLH） product is calculated. The original Fluorescence Line Height product is improved for red tide detection. By comparing the Landsat， HY-1D， UAV， and other multi-source remote sensing images in the same period， the results show that the red tide range monitored by the nFLH product based on MODIS data is consistent with other remote sensing images， meeting the needs of high-efficiency red tide monitoring.

Keywords： red tide monitoring; water color remote sensing; MODIS; nFLH

0" 引" 言

赤潮是一種在特定海域環(huán)境下，由于海水中的某些藻類(lèi)、浮游植物或原生生物的突然繁殖或聚集而導(dǎo)致的海洋水體顏色異常變化[1-2]。赤潮的暴發(fā)會(huì)使原有海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境、海洋漁業(yè)資源以及人類(lèi)的健康和發(fā)展等帶來(lái)嚴(yán)重的危害[3-4]。近年來(lái)，隨著各種水色遙感衛(wèi)星的快速發(fā)展，具有監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍廣、獲取資料簡(jiǎn)單、圖像容易處理等的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到赤潮監(jiān)測(cè)[5-10]。因此，基于MODIS的赤潮監(jiān)測(cè)研究，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)的健康發(fā)展具有重要的研究?jī)r(jià)值與意義。

赤潮監(jiān)測(cè)研究利用CZCS、SeaWIFS等傳感器探測(cè)到了某些海域的近海岸地區(qū)的赤潮現(xiàn)象。hu等[11]基于MODIS數(shù)據(jù)，使用熒光線基線高度法（Fluorescence Line Height， FLH），研究佛羅里達(dá)州西南部沿海水域的區(qū)域赤潮。研究過(guò)程中，此方法表現(xiàn)出極佳的效果，它受懸浮物以及大氣的影響小，相對(duì)其他方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果，精度高的熒光基線高度數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性，更能反映赤潮的實(shí)際情況。Gower等[12]利用MERIS全分辨率一級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)檢測(cè)強(qiáng)烈的浮游生物水華，使用熒光基線高度法FLH和MCI （Maximum Chlorophyl1 Index）算法進(jìn)行研究，將研究結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)MCI方法具有更高的可靠性和精度。王其茂等[13]通過(guò)對(duì)赤潮水域及其周?chē)虻念l譜特征、葉綠素a含量變化特征的分析，提出了利用 EOS/MODIS通道4與通道3之間的反射比、通道11和通道9的離水輻射率比，并結(jié)合有關(guān)的懸浮物信息，從海洋中提取赤潮信息的方法。姜德娟等[14]基于MODIS數(shù)據(jù)分析了渤海表層水體葉綠素濃度的時(shí)空特征，使用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)研究赤潮，將葉綠素濃度閾值分析和ERGB影像結(jié)合，對(duì)渤海區(qū)域赤潮研究取得了較大成果，獲取到大量的反映該區(qū)域赤潮特征的數(shù)據(jù)。

目前，對(duì)于前景廣闊的葉綠素?zé)晒膺b感領(lǐng)域，人們正進(jìn)行著更深入的研究與探索?？梢园l(fā)現(xiàn)在這些算法中，赤潮監(jiān)測(cè)會(huì)受到成像光譜儀分辨率，水體中的葉綠素濃度變化，及藻群種類(lèi)數(shù)量等多種因素影響，在指示赤潮方面具有一定的局限性，不能反映最新動(dòng)態(tài)[15]。因此，本文將基于MODIS數(shù)據(jù)計(jì)算赤潮水體的離水輻亮度、光譜反射率等多個(gè)參數(shù)，改進(jìn)原有的比值計(jì)算、差值比值計(jì)算的熒光基線高度產(chǎn)品，并用此產(chǎn)品來(lái)監(jiān)測(cè)赤潮的發(fā)生及分布。

1" 數(shù)據(jù)處理方法

MODIS產(chǎn)品的數(shù)據(jù)格式為HDF。HDF數(shù)據(jù)是一種分級(jí)的數(shù)據(jù)管理體系，它能容納各種數(shù)據(jù)，具有豐富的信息量。由于本文研究所采用的MODIS 1B級(jí)產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過(guò)了儀器標(biāo)定，在本文的研究中，對(duì)遙感影像所做的處理工作主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

1）幾何校正。MODIS產(chǎn)品的幾何校正有很多種方式，不同級(jí)別的MODIS產(chǎn)品幾何校正的方法也不盡相同。本文對(duì)MODIS 1B級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作時(shí)選擇使用ENVI的MCTK擴(kuò)展工具進(jìn)行處理，該工具不僅可以在進(jìn)行幾何校正的同時(shí)校正數(shù)據(jù)，而且還可以在校正后自動(dòng)將中心波長(zhǎng)信息添加到生成的圖像中，有利于進(jìn)行FLAASH大氣校正。

2）重投影、重采樣。MODIS產(chǎn)品的空間分辨率包含有250 m、500 m、1 000 m三種。當(dāng)要進(jìn)行波段融合等操作時(shí)，需要借助Raster Management工具下單位Resize Data模塊對(duì)不同分辨率產(chǎn)品的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，并且在新的投影坐標(biāo)系基礎(chǔ)上進(jìn)行重采樣處理。

3）大氣校正。完成預(yù)處理工作后的遙感影像包含投影坐標(biāo)、中心波長(zhǎng)等信息，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行指數(shù)研究，但是當(dāng)遇到一些定量、半定量的觀測(cè)，例如參數(shù)反演、植被指數(shù)的計(jì)算等工作時(shí)，就要對(duì)預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正處理。如圖1所示，過(guò)ENVI平臺(tái)下進(jìn)行FLAASH大氣校正，夠有效地去除大氣的影響，并且可以將轉(zhuǎn)換后得到的輻射亮度值再次進(jìn)行換算為真實(shí)的地表反射率。

2" nFLH計(jì)算方法

2.1" 離水輻亮度計(jì)算

離水輻亮度是指表面的海水所散發(fā)出的太陽(yáng)輻射，在某些計(jì)算方法中，當(dāng)我們了解了海水的輻亮度后，我們就能確定出葉綠素和其他組分的濃度。離水輻亮度的變化主要取決于水體中的重要組分濃度，當(dāng)某些組分濃度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致水體光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而表現(xiàn)為水體的吸收和散射信號(hào)也發(fā)生變化。常使用成像光譜儀來(lái)測(cè)量海水的離水輻射亮度。其計(jì)算方法根據(jù)輻射傳輸原理來(lái)進(jìn)行推算，計(jì)算公式為：

其中，Lw為計(jì)算時(shí)需要得到的離水輻亮度；Lsky為某一方向上天空漫射光的輻亮度；ρ為總的輻亮度Lt除以Lsky所得到的反射比；Lg為隨機(jī)反射進(jìn)入儀器視場(chǎng)的太陽(yáng)直射光。

2.2" FLH算法

基線熒光高度法的基本原理是使用熒光峰左右兩側(cè)通道（，）的離水輻亮度的連線為基線，計(jì)算熒光通道的離水輻亮度與基線之間的距離，如式（2）所示，這個(gè)距離就是我們所指的熒光線高度（FLH）。熒光峰是指熒光光譜中的一個(gè)或數(shù)個(gè)峰，L為熒光輻射量，為波長(zhǎng)。

水體中葉綠素a濃度較低時(shí)，葉綠素a濃度與FLH能夠表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，熒光高度隨葉綠素a濃度的增大逐漸變緩，當(dāng)其增量過(guò)大時(shí)線性關(guān)系降低，呈現(xiàn)出非線性。Hu等[11]通過(guò)MODIS的FLH產(chǎn)品同現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的葉綠素a濃度建立了如下關(guān)系：

[Chla]=1.255（FLHmod×10）0.86 （3）

下標(biāo)mod表示MODIS傳感器，葉綠素a濃度常用來(lái)表征浮游植物色素濃度，海水中葉綠素a濃度變化在0～102 mg/m-3數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。爆發(fā)赤潮時(shí)，赤潮生物濃度會(huì)產(chǎn)生急劇變化，表層海水的葉綠素a含量通常達(dá)到10 mg/m-3以上，高者可達(dá)幾十mg/m-3，甚至幾百mg/m-3。所以也常利用海水葉綠素a濃度在赤潮過(guò)程中的變化來(lái)反演赤潮的發(fā)生。葉綠素a濃度與熒光高度的關(guān)系隨著葉綠素a的變化而變化，當(dāng)葉綠素a濃度持續(xù)增大時(shí)，其相關(guān)性減弱，呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系。其中，Gower等[12]改進(jìn)了FLH：

其中，a表示與太陽(yáng)高度角、葉綠素?zé)晒庑省⒏∮沃参锏钠骄疃群蛢x器波段設(shè)置有關(guān)的系數(shù)；b表示葉綠素?zé)晒馄骄章?；k表示偏移量，為負(fù)值。NASA網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品中包含有FLH產(chǎn)品，經(jīng)上述參數(shù)設(shè)置等計(jì)算所得的FLH產(chǎn)品可與直接下載的FLH產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)比對(duì)，以驗(yàn)證計(jì)算數(shù)值的正確性。

2.3" nFLH算法

歸一化熒光線高度法是指將680 nm外的熒光峰最大值的輻射率除以560 nm的反射峰或675 nm的吸收峰處的輻射率，得到一個(gè)無(wú)量綱的量，并將這個(gè)無(wú)量綱的值作為歸一化熒光高度，本文選用美國(guó)宇航局提供的算法進(jìn)行計(jì)算，它將不同波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化離水輻亮度作波段。nFLH的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品計(jì)算為：

nFLH=nLw（678）-{nLw（667）+[nLw（754）-nLw（667）]×（678-667）/（754-667）}" " " " " " " " " " " " " " " " （5）

其中，nFLH為歸一化為太陽(yáng)輻照度輸入的FLH，nLw為標(biāo)準(zhǔn)化離水輻射。

3" 基于SeaDAS的nFLH計(jì)算

SeaDAS是NASA OBPG科學(xué)軟件的官方發(fā)行用于對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、分析和質(zhì)量控制，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并生成科學(xué)質(zhì)量的OBPG產(chǎn)品。SeaDAS中的OCSSW工具（包含大氣校正等模塊）目前只能運(yùn)行在Linux或者M(jìn)acOS系統(tǒng)下。因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)選擇了在Ubuntu系統(tǒng)下安裝和配置SeaDAS以及OCSSW。用SeaDAS來(lái)直接處理Modis影像可以減少前面提到的各種波段計(jì)算以及參數(shù)計(jì)算，會(huì)方便很多。研究過(guò)程中用到的MODIS 0級(jí)數(shù)據(jù)可以在NASA官網(wǎng)上面直接下載。將modis的0級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品導(dǎo)入SeaDAS中開(kāi)始生產(chǎn)，具體生產(chǎn)流程如圖2所示。注意：從0級(jí)開(kāi)始而不是從2級(jí)開(kāi)始的目的是生成幾個(gè)用于綜合赤潮信息系統(tǒng)（IRIS）的非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。由瑞利校正反射率（Rrc，無(wú)量綱）生成的圖像。使用NASA標(biāo)準(zhǔn)處理包（SeaDAS）處理0級(jí)數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)產(chǎn)品。前者包括nFLH（即歸一化為太陽(yáng)輻照度輸入的FLH）、光譜Rrs、光譜nLw和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)志。后者包括光譜Rrc和由Rrc生成的產(chǎn)品（例如，用于可視化的紅綠藍(lán)圖像和用于檢測(cè)漂浮大型藻類(lèi)和毛藻的漂浮藻類(lèi)索引）。所有的數(shù)據(jù)產(chǎn)品都被映射到一個(gè)柱面等距投影上，通過(guò)重采樣獲得1 km分辨率。

4" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析

以上算法均存在其可行性，可通過(guò)某一年份的MODIS數(shù)據(jù)作驗(yàn)證，將上述算法進(jìn)行一一復(fù)現(xiàn)。經(jīng)算法比較后，本文著重選用基于離水輻亮度計(jì)算出的歸一化熒光基線高度產(chǎn)品用于驗(yàn)證階段，選擇了不同地區(qū)發(fā)生赤潮的影像數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證影像與nFLH產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)。以此來(lái)指示nFLH結(jié)果的科學(xué)性與普適性。

4.1" HY-1D驗(yàn)證

HY-1D衛(wèi)星作為海洋水色衛(wèi)星，增加了紫外觀測(cè)波段和星上定標(biāo)系統(tǒng)來(lái)提高近岸渾濁水體的大氣校正精度和水色定量化觀測(cè)水平，并通過(guò)加大海岸帶成像儀的覆蓋寬度并提高空間分辨率，可以很好地滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要。HY-1D效果對(duì)比圖如圖3所示。圖3（a）顯示是2020年8月17日東海夜光藻赤潮期間HY-1D CZI所提供的遙感圖像。將遙感影像的真彩色合成圖像與圖（b）對(duì)應(yīng)區(qū)域的nFLH產(chǎn)品對(duì)比?？梢钥闯?，海洋一號(hào)提供的真彩色影像中所顯示的赤潮區(qū)域與nFLH產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的赤潮區(qū)域恰好對(duì)應(yīng)。

4.2" MODIS驗(yàn)證

MODIS數(shù)據(jù)具有36個(gè)光譜波段，所覆蓋的電磁波譜范圍比較廣，具有三種不同空間分辨率的產(chǎn)品。對(duì)比大多數(shù)的衛(wèi)星而言，它還具有較高的時(shí)間分辨率和光譜分辨率，所以可選擇MODIS數(shù)據(jù)對(duì)其自身生產(chǎn)的歸一化熒光基線高度產(chǎn)品做進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖4顯示為2011年2月13日由MODIS Aqua衛(wèi)星觀測(cè)到的墨西哥灣海域赤潮影像，圖像是MODIS產(chǎn)品的L1B級(jí)產(chǎn)品中MOD021KM數(shù)據(jù)的1（R）、4（G）、3（B）波段的真彩色合成圖像及其對(duì)應(yīng)nFLH產(chǎn)品，nFLH產(chǎn)品圖中的深紅色顯示為淺海區(qū)域，而非赤潮，近海岸區(qū)的熒光顯示才是對(duì)應(yīng)的赤潮。由對(duì)比圖可以看出，MODIS Aqua衛(wèi)星的真彩色影像所顯示的墨西哥灣海域赤潮區(qū)域與nFLH產(chǎn)品指示的赤潮區(qū)域大致對(duì)應(yīng)。

圖5顯示為2021年9月30日由MODIS Aqua衛(wèi)星觀測(cè)到的福建灣海域赤潮影像，圖5（a）是MODIS產(chǎn)品的L1B級(jí)產(chǎn)品中MOD02HKM與MOD02QKM兩個(gè)數(shù)據(jù)的合成影像，選擇MOD02QKM的1（R）、4（G）、3（B）波段分別放入R、G、B通道，得到真彩色合成圖像及其對(duì)應(yīng)nFLH產(chǎn)品如圖5（b）所示。對(duì)比圖可知福建灣海域赤潮地區(qū)與nFLH產(chǎn)品指示的赤潮區(qū)域基本對(duì)應(yīng)。

4.3" Landsat8 OLI驗(yàn)證

Landsat 8雖為陸地資源衛(wèi)星，但它具有較高的空間分辨率，且空間跨度也比較大。在OLI陸地成像儀新增的2個(gè)波段中，還包括有主要應(yīng)用海岸帶觀測(cè)的藍(lán)色波段band 1，此外近紅外band 5和短波紅外band 9與MODIS對(duì)應(yīng)的波段接近，可選擇其作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)影像。圖6為2020年8月18日東海夜光藻赤潮期間的Landsat 8 OLI圖像及其對(duì)應(yīng)同一區(qū)域時(shí)間的nFLH影像對(duì)比。由對(duì)比圖6可知，Landsat 8 OLI的真彩色影像所指示的東海夜光藻赤潮與對(duì)應(yīng)的nFLH產(chǎn)品指示的赤潮區(qū)域基本吻合。

4.4" 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)對(duì)比其他水色衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，可以快速、高效地進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)，而且在短時(shí)間內(nèi)可以生成測(cè)區(qū)的高清圖像數(shù)據(jù)，兼具衛(wèi)星影像的效果和航拍的快速采集優(yōu)勢(shì)。圖7為2022年4月22日福建平潭豐田村海域的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)圖像及其對(duì)應(yīng)時(shí)段的nFLH對(duì)比圖。由對(duì)比圖可知，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)影像指示赤潮區(qū)域也可以與對(duì)應(yīng)時(shí)間段的nFLH產(chǎn)品指示相呼應(yīng)。雖然受空間分辨率等因素的影響，nFLH產(chǎn)品中顯示的赤潮形狀不夠細(xì)致，但是由數(shù)值來(lái)看，能夠精確的指示出對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)時(shí)間的赤潮現(xiàn)象。

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，可以看出無(wú)論是中分辨率成像光譜儀MODIS，中高分辨率衛(wèi)星Landsat 8，海洋水色系列衛(wèi)星HY-1D，還是無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)等影像數(shù)據(jù)，都可以通過(guò)對(duì)應(yīng)日期對(duì)應(yīng)區(qū)域的MODISnFLH數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證，從而證明了nFLH顯示赤潮的科學(xué)性。

5" 結(jié)" 論

本文通過(guò)研究MODIS數(shù)據(jù)的歸一化熒光基線高度產(chǎn)品，探索出了監(jiān)測(cè)赤潮的一種更加有效的方法。通過(guò)將MODIS提取的nFLH產(chǎn)品用于赤潮監(jiān)測(cè)，將結(jié)果與Landsat8、HY-1C/D，以及無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)影像進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的赤潮監(jiān)測(cè)遙感良好，而且由于MODIS具有高時(shí)效的數(shù)據(jù)獲取特性，有利于赤潮的高效監(jiān)測(cè)。

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