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海洋开发与管理
OceanDevelopmentandManagement
ISSN1005-9857,CN11-3525/P
《海洋开发与管理》网络首发论文
题目:基于海洋一号D卫星海岸带成像仪的赤潮遥感监测特征
作者:滕越,邹斌,叶小敏
DOI:.
收稿日期:2021-11-24
网络首发日期:2022-07-22
引用格式:滕越,邹斌,
征[J/OL].:///
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发论文视为正式出版。
:.
.-07-2215:31:31
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基于海洋一号D卫星海岸带成像仪的
赤潮遥感监测特征
滕越1,2,3,邹斌2,3,叶小敏2,3
(;;
)
摘要:为进一步加强对赤潮等海洋生态灾害的动态监测,科学支撑海洋防灾减灾工作,文
章基于海洋一号D卫星搭载的海岸带成像仪数据,选取北部湾、茂名近岸和陵水湾为研究
区域,分析2021年2月发生的4例赤潮事件的遥感影像、叶绿素a浓度和赤潮指数特征。
研究结果表明:遥感影像可清晰呈现赤潮分布状况,叶绿素a浓度和赤潮指数的异常值范
围与遥感影像一致,赤潮水体的叶绿素a浓度和赤潮指数整体高于非赤潮水体。
关键词:赤潮;海岸带成像仪;遥感影像;叶绿素;赤潮指数
收稿日期:2021-11-24;修订日期:2022-07-09
中图分类号:TP79;X834;P71文献标志码:A
基金项目:民用航天技术预先研究项目(D040107).
作者简介:滕越,硕士研究生,研究方向为海洋遥感水色要素和海洋生态灾害监测
0引言
赤潮是复杂的海洋生态异常现象,即海水中的藻类以及某些原生动物或细
菌在特定环境条件下迅速繁殖和聚集而引起水体变色的有害生态现象,根据浮
游生物的种类和繁殖程度[1]可呈现红色和黄褐色等。1990年联合国将赤潮列为
:.
世界近海三大污染问题之一[2]。近年来,我国赤潮呈现发生频率提高、扩张范
围增大和影响危害加重的特点,对近海渔业、滨海旅游业、海洋生态系统和人
类健康都有严重的危害。目前我国对于赤潮的监测手段主要包括船舶定点监测、
岸站和浮标监测以及卫星(航空)遥感监测[3],其中卫星遥感以大尺度、高分
辨率、实时和长时间序列等特点可为赤潮监测和预警预报提供较完善的信息,
与传统监测方法具有很好的互补性,对采取有效措施治理和预防赤潮灾害具有
十分重要的意义。自20世纪80年代以来,随着卫星监测平台和传感器的不断
发展,国内外卫星遥感技术迅速发展,卫星遥感主要依据水体光谱特征的差异
或相关环境因子的异常变化对赤潮进行识别监测[4],研究方法主要包括单波段
法[5-7]、双波段比值法[8-9]、归一化植被指数(NDVI)法[10-11]、多波段差值比值
法[12-17]、叶绿素a浓度法[18-20]、水温水色法[21]、人工神经网络法[22]和数值模拟
法[23-24]。
我国海洋一号D(HY-1D)卫星于2020年6月11日成功发射并与HY-1C卫
星组网,增加海洋观测次数并提高全球覆盖能力。HY-1D卫星载荷海洋水色水
温扫描仪(COCTS)、海岸带成像仪(CZI)、紫外成像仪(UVI)、星上定标光谱仪
和船舶监测系统。其中,CZI主要用于获取陆海交互作用的海岸带的实时图像
资料,了解河口港湾的海洋要素分布规律,并对赤潮和污染物等海洋环境灾害
进行监测和预警;CZI的轨道高度为782km,幅宽不小于950km,空间分辨率
为50m,重访周期为3d,地方时为1:30AM±30min,各波段的应用对象如表1
所示。
表1HY-1D卫星CZI各波段的应用对象
波段/μm应用对象
~、污染、冰、浅海地形
~、低浓度泥沙、污染、滩涂
~、植被、土壤
~、高浓度泥沙、大气校正
国内外学者对卫星赤潮遥感监测技术开展诸多研究,现有的赤潮遥感监测
算法已较成熟。Xu等[25]基于MODIS数据比较历史记载赤潮事件的光谱曲线和
多年平均光谱曲线,提出基于背景场的赤潮监测算法并用于提取东海赤潮信息,
可有效地确定赤潮发生的位置;Yuji等[26]基于Sentinel-2MSI的红~近红波段数:.
据,提出监测日本湖山池咸水湖赤潮的模型,通过相对大气校正可自动生成叶
绿素a和赤潮的分布图,与实测叶绿素值有很好的相关性且符合指数回归模型;
Tao等[27]基于MERIS数据并采用荧光基线法监测东海赤潮,与实地观测结果吻
合较好;陈芸芝等[28]在多时相MODIS数据的基础上,综合运用叶绿素a浓度
阈值法、叶绿素a浓度距平值阈值法和可视化分析法提取2008年5月东海赤潮
分布信息,并分析不同方法的条件与不足;李阳东等[29]基于GOCI数据反演得
到总悬浮物浓度和赤潮指数,通过设定这2个指标的阈值提取赤潮水体信息,
与相关公报中记录的赤潮位置和分布较吻合,同时发现浙江海域赤潮面积的日
变化有先增后减的规律;孙丽雅等[30]利用MODIS数据提取2008年5月的东海
赤潮信息,结果表明叶绿素浓度异常能更好地反映赤潮变化,综合利用多种指
标更有利于赤潮监测。
本研究基于HY-1D卫星的CZI数据,选取北部湾、茂名近岸和陵水湾为研
究区域,针对2021年2月发生的4例赤潮事件,通过遥感影像、叶绿素a浓度
和赤潮指数进行监测分析,从而掌握赤潮分布特征。
1数据与方法
本研究所用的HY-1D卫星的CZI数据获取于2021年2月,均少云且成像
清晰,包括L1B、L2A和L2C产品。其中,L1B为各波段大气层顶辐亮度,用
于呈现研究区域的真彩色影像;L2A为各波段经过瑞利散射校正后的反射率,
用于计算赤潮指数;L2C为叶绿素a浓度和水色透明度产品。
叶绿素a浓度为HY-1D卫星标准数据产品,数据来自国家卫星海洋应用中
心数据分发系统()。卫星遥感数据的成像
时间如表2所示。
表2本研究卫星遥感数据的成像时间
成像时间
覆盖区域
(年-月-日,时:分)
2021-02-14,05:56
北部湾
2021-02-20,05:55:.
茂名近岸2021-02-23,05:55
陵水湾2021-02-23,05:54
Kim等[31]基于MODIS数据提出赤潮指数(MRI),根据韩国沿海水域现场
实测光谱,赤潮水体和非赤潮水体在488~551nm波长范围内呈反向梯度,其
中非赤潮水体的梯度为正,赤潮水体的梯度为负。利用551nm和488nm波段
的归一化离水辐亮度构建赤潮指数表达式:
𝑊551−𝑊488
MRI=(1)
𝑊551+𝑊488
式中:𝑊551和𝑊488分别表示551nm和488nm波段的归一化离水辐亮度。
考虑到HY-1D卫星的CZI载荷4个波段,选取蓝、绿2个波段生成适用于
CZI的赤潮指数(RI)表达式:
𝑅rs560−𝑅rs460
RI=(2)
𝑅rs560+𝑅rs460
式中:𝑅rs560和𝑅rs460分别表示560nm和460nm波段的遥感反射率。
2赤潮遥感监测特征
北部湾位于我国南海西北部,面积为128300km2,
km[32];北部湾三面环陆,海岛众多,是我国重要的渔场和海水养殖区。
北部湾海域2021年2月14日发生的赤潮水体呈亮红棕色团絮状分布在北
部湾中部;赤潮海域的范围为107°57′E-108°56′E、20°16′N-21°19′N,
,。
北部湾海域2021年2月20日发生的赤潮水体呈浅红棕色片状横跨北部湾;
赤潮海域的范围为107°17′E-109°9′E、20°25′N-21°17′N,东西方向
,。北部湾西部的赤潮海域呈条带状平行于越南
广宁近岸,;向东于北部湾中部呈片状覆盖,;
再向东蔓延至涠洲岛东部近岸,以21°7′N、109°7′E为中心在距离涠洲岛:.
,。
北部湾海域赤潮的发生可能与近年来北部湾经济区的迅猛发展、过度捕捞
和沿海工业开发密切相关[33]。北部湾海域污染严重,藻类繁殖和水体富营养化
加剧,导致赤潮频发。
茂名位于广东西南部,海岸线长为220km,港湾众多,石油化工业和临港
工业发达[34]。根据《南海区海洋灾害公报》,2017-2018年茂名近岸海域发生2
次赤潮,赤潮优势种均为球形棕囊藻。其中,2017年2月27日至3月17日放
鸡岛至大竹洲岛附近海域以及水东湾和博贺湾海域赤潮的最大面积达495km2,
。
茂名近岸海域2021年2月23日发生的赤潮水体呈亮红棕色,从沙坝和上
洋近岸的小港口开始向南蔓延,在入海口处呈条带状分布,
聚集并呈团状分布,;赤潮海域的范围为
111°2′E-111°41′E、21°8′N-21°31′N,,南北方
。
陵水湾位于海南东南部近岸,通过细长的潮汐汊道与我国南海相通,海岸
,[35];陵水湾凭借“三湾三岛两湖一
山一水”的自然资源优势,海洋旅游业和海洋渔业发展迅速。
陵水湾海域2021年2月23日发生的赤潮水体呈红棕色细条状,从蜈支洲
岛南近岸向北延伸至陵水湾;赤潮海域的范围为109°44′E-109°58′E、18°
18′N-18°23′N,,。三亚海棠近岸
绕蜈支洲岛四周有细条状赤潮分布,,与藤桥河
。
叶绿素a浓度是主要的赤潮参数之一,当叶绿素a浓度的变化超过一定的
阈值时,可能是赤潮发生的标志之一,因此由CZI反演计算得到各研究区域的
叶绿素a浓度分布状况。由于各研究区域均有陆源入海口,环境污染严重,藻:.
类物质丰富,。观察
上述4个赤潮事件可以发现,赤潮水体的叶绿素a浓度较周围非赤潮水体存在
异常高值(),异常高值的范围与对应研究区域赤潮遥感影像的
位置相符,且在不同研究区域具有较好的一致性。
经综合分析,当忽略赤潮水体叶绿素a浓度的异常高值时,北部湾海域的
叶绿素a浓度呈现自东向西、自近岸向湾中部逐渐递减的规律,这与已有研究
结果相一致。2021年2月14日北部湾海域叶绿素a浓度的最高值()
分布在周江入海口和北海近岸,
mg/m3;,周
。2021年2月20日北部湾海域叶绿
素a浓度的最高值()同样出现在北海近岸,
;、
,
mg/m3。
2021年2月23日茂名近岸海域叶绿素a浓度的最高值()分布
在博贺至新屋近岸,,
。
度高值区(),;赤
~。
利用目视法选取各研究区域的小范围为感兴趣区,选取赤潮水体和非赤潮
水体进行叶绿素a浓度的对比分析。
2021年2月14日北部湾:①~
mg/%,~
%;~
%,~~
%%。因此,以最高占比来看,赤潮水体的叶绿素a浓度比:.
。②赤潮水体和非赤潮水体在叶绿素a浓度为
~,~
%%。③~
mg/%,且其占比随着叶绿素a浓度升高而逐渐降低,当叶绿
;~
、~、~、~、
~~%、%、
%、%、%%,表明赤潮水体的叶绿素a浓度较非赤潮水体高。
2021年2月20日北部湾:~
mg/~%%,在叶绿素a浓
~%~%,在叶绿素a浓度高于
;~
~%%,在叶绿素a浓度为
~~%%,在
%。此外,随着时间的增加,叶
绿素a浓度呈升高趋势,即2021年2月20日赤潮水体和非赤潮水体的叶绿素a
。
2021年2月23日茂名近岸:赤潮水体和非赤潮水体在叶绿素a浓度低于
%;非赤潮水体在叶绿素a浓度为
~%,赤潮水体和非赤潮水体在叶绿素a浓
~%%;赤潮水体在叶绿素
~%,
mg/m3时的占比低于1%。因此,以最高占比来看,赤潮水体的叶绿素a浓度比
。:.
2021年2月23日陵水湾:~
mg/%,~
~%%,在其他叶绿素a浓度范围
均没有分布;~~
mg/%%,
占比低于2%。由此也可看出,赤潮水体的叶绿素a浓度整体比非赤潮水体高。
感兴趣区的叶绿素a平均浓度以及基于非赤潮水体的差值占比如表3所示。
表3感兴趣区的叶绿素a平均浓度与差值占比
叶绿素a平均
感兴趣区浓度/(mg·m-3)差值占比/%
赤潮水体非赤潮水体
北部湾
2021-02-14
北部湾
2021-02-20
茂名近岸
2021-02-23
陵水湾
2021-02-23
由表3可以看出:茂名近岸海域的叶绿素a平均浓度最高,2021年2月14
日北部湾海域的叶绿素a平均浓度最低;赤潮水体的叶绿素a平均浓度均比非
赤潮水体高,其中北部湾海域和茂名近岸海域的差值占比均低于15%,而陵水
湾海域的差值占比高于20%。
基于CZI蓝、绿波段的遥感反射率,应用式(2)计算各研究区域的赤潮指
数,结果表明各研究区域赤潮分布的空间形态特征与赤潮遥感影像和叶绿素a
浓度有较好的一致性,~。
对比分析各感兴趣区赤潮水体和非赤潮水体的赤潮指数:①2021年2月14
日北部湾海域赤潮水体和非赤潮水体在赤潮指数为-~-
%%;赤潮水体在赤潮指数为-~、~
~%、%和低于1%,非赤潮水体在赤潮指
数为-~--~%%且在赤潮指:.
。②2021年2月20日北部湾海域非赤潮水体在赤潮指
数为-~-%,赤潮水体在赤潮指数为-~-
-~%%。③2021年2月23日
~
%%,非赤潮水体在赤潮指数为-~%,
~%。④2021年2月23日陵
水湾海域非赤潮水体在赤潮指数为-~-%,在
赤潮指数为-~%,在其他赤潮指数范围没有分布;
赤潮水体在赤潮指数为-~-、-~、~~
%、%、%%。
感兴趣区的平均赤潮指数以及基于非赤潮水体的差值占比如表4所示。
表4感兴趣区的平均赤潮指数与差值占比
平均赤潮指数
感兴趣区差值占比/%
赤潮水体非赤潮水体
北部湾
--
2021-02-14
北部湾
--
2021-02-20
茂名近岸
2021-02-23
陵水湾
--
2021-02-23
由表4可以看出:赤潮水体的平均赤潮指数均比非赤潮水体高,这与叶绿
素a平均浓度的分布特征相一致;茂名近岸海域的平均赤潮指数与差值占比最
高,2021年2月14日北部湾海域的平均赤潮指数与差值占比最低。
3结语
HY-1D卫星的CZI载荷具有空间分辨率较高和重访周期较短的优势,可实
现对赤潮等海洋生态灾害的动态监测。本研究基于CZI数据分析研究区域的遥
感影像、叶绿素a浓度和赤潮指数的主要特征,其中遥感影像可清晰呈现赤潮
分布状况即形状各不相同、覆盖范围很广以及均呈红棕色,叶绿素a浓度和赤
潮指数的异常值范围与遥感影像一致,赤潮水体的叶绿素a浓度和赤潮指数整
体高于非赤潮水体。由于赤潮的发生与海面温度、盐度、风向和洋流等环境因
子和地理水文要素密切相关,后续研究重点为环境因子和地理水文要素等对赤:.
潮生消过程的影响。
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