基于海洋一号D卫星海岸带成像仪的赤潮遥感监测特征

60

海洋开发与管理

2022 8

年第期

基于海洋一号卫星海岸带成像仪的

D

赤潮遥感监测特征

2333122

,,,,

,,

滕越

邹斌叶小敏

(;;

国家海洋环境预报中心北京国家卫星海洋应用中心北京

1 11.000812.00081

)

自然资源部空间海洋遥感与应用研究重点实验室北京

13.00081

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

:,,

叶绿素浓度和赤潮指数特征研究结果表明遥感影像可月发生的例赤潮事件的遥感影像

a24

。:、

清晰呈现赤潮分布状况叶绿素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

,,

a

素浓度和赤潮指数整体高于非赤潮水体

a

。

关键词赤潮海岸带成像仪遥感影像叶绿素赤潮指数

:;;;;

();;

中图分类号文献标志码文章编号

:::

TP79X834P71 A 1005-9857202208-0060-07

洋一号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年

D2021

,、,

RemoteSensinonitorinharacteristicsofRedTideMC

gg

BasedonCZIontheHY-1DSatellite

1232323

,,

TENGYueZOUBinYEXiaomin

,,,,

(,;,

1.NationalMarineEnvironmentalForecastinenterBeiin00081ChinaC1

gjg

,),,

3.KeaboratorfSaceOceanRemoteSensinndAlicationMNRBeiin00081ChinaLoa1

yypgppjg

,;,

2.NationalSatelliteOceanAlicationServiceBeiin00081China1

ppjg

,

tidesandscientificalluortmarinedisasterreventionandmitiationthisaerselecteds

ppyppgp

,

imaeschlorohllaconcentrationandredtideindexcharacteristicsfor4casesofredtideevents

gpy

thatoccurredinFebruar021basedonthecoastalzoneimaerdataonboardtheChineseHai-2

,

ygy

,

thedistributionofredtidestheabnormalvalueranesofchlorohllaconcentrationandredtide

gpy

redtideindexofredtidewaterswerehiherthanthoseofnon-redtidewaters.

g

an-1DHY-1Dsatellite.Theresultsshowedthattheremotesensinimaescouldclearlhows

()

gggy

,,

MBeibuGulfaominoastandLinshuiBasthestudreasanalzedtheremotesensinCaa

ggyyyg

:

Abstract

Inordertostrenthenthednamicmonitorinfmarineecoloicaldisasterssuchasredo

gygg

,

indexwereconsistentwiththeremotesensinmaesandthechlorohllaconcentrationandi

ggpy

:,,,,

Kewords

RedtideCoastalzoneimaerRemotesensinimaeChlorohllRedtideindex

gggpy

y

收稿日期

:

修订日期

:;

2021-11-242022-07-09

)

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

:,,

第期滕越等基于海洋一号卫星海岸带成像仪的赤潮遥感监测特征

8D

,:

61

0

引言

到总悬浮物浓度和赤潮指数通过设定这个指标

,

2

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

,

30

][

的日变化有先增后减的规律孙丽雅等利用

;

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

,

][

1

根据浮游生物的种类和繁殖程度可呈现红色和黄

结数据提取年月的东海赤潮信息

MODIS20085

,

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

。

增加海洋观日成功发射并与卫星组网

11HY-1C

,

测次数并提高全球覆盖能力卫星载荷海

。

HY-1D

)、

紫外成像仪

(

星上定标光谱仪和船舶监测系

UVI

统其中主要用于获取陆海交互作用的海岸

。,

CZI

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

,

,,,

空间分辨率为重访周期为地方

53d950km0m

所示

。

和预警的轨道高度为

;

幅宽不小于

CZI782km

,

,:

时为

1130AM±30min

各波段的应用对象如表

表卫星各波段的应用对象

1 HY-1DCZI

波段应用对象

/

m

μ

叶绿素污染冰浅海地形

、、、

叶绿素低浓度泥沙污染滩涂

、、、

中等浓度泥沙植被土壤

、、

植被高浓度泥沙大气校正

、、

褐色等年联合国将赤潮列为世界近海三大

。

1990

][

2

。,

近年来我国赤潮呈现发生频率

污染问题之一

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

、

3

][

(,)、

航空遥感监测其中卫星遥感以大尺度高分辨

我国海洋一号年月

D2HY-1D0206

()

卫星于

)、)、(

洋水色水温扫描仪

(

海岸带成像仪

COCTSCZI

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随着世纪年代以来

。,

2080

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

]][[

45-7

,、

别监测

研究方法主要包括单波段法双波段

]][[

8-910-11

、)、(

比值法

归一化植被指数法多波

NDVI

]][[

12-1718-20

、、

段差值比值法浓度法

叶绿素水温水

a

]]][[[

212223-24

、。

色法和数值模拟法

人工神经网络法

0.42~0.50

0.52~0.60

0.61~0.69

0.76~0.89

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

][

25

等基于数据比较历史记载赤潮事件的

MODIS

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

,

提出监测日本湖山池咸的红近红波段数据

MSI~

,

水湖赤潮的模型通过相对大气校正可自动生成叶

,

绿素和赤潮的分布图与实测叶绿素值有很好的

a

,

与实数据并采用荧光基线法监测东海赤潮

MERIS

,

][

28

地观测结果吻合较好陈芸芝等在多时相

;

[]

72

相关性且符合指数回归模型基于等

;

Tao

[]

62

确定赤潮发生的位置基于等

;

SYuientinel-2

j

通过遥感影像叶绿素月发生的例赤潮事件

、,

a24

浓度和赤潮指数进行监测分析从而掌握赤潮分布

,

特征

。

部湾茂名近岸和陵水湾为研究区域针对年

、,

2021

本研究基于选取北卫星的数据

HY-1DCZI

,

1

数据与方法

1.1

遥感数据

均少云且成像清晰包括年月和

,,

L202121BL2A

、

用于呈现研究区域的真彩色影像为各波段经

;

L2A

本研究所用的卫星的数据获取于

HY-1DCZI

综合运用叶绿素浓度阈值数据的基础上

aMODIS

,

法叶绿素浓度距平值阈值法和可视化分析法提

、

a

取并分析不同方法年月东海赤潮分布信息

20085

,

][

29

的条件与不足李阳东等基于数据反演得

;

GOCI

L2CL1B

产品其中为各波段大气层顶辐亮度

。,,

过瑞利散射校正后的反射率用于计算赤潮指数

,;

L2Ca

为叶绿素浓度和水色透明度产品

。

62

海洋开发与管理

:///)。

卫星遥感

tsosdds.nsoas.or.cnOceanColor

pg

数据的成像时间如表所示

2

。

表本研究卫星遥感数据的成像时间

2

覆盖区域

成像时间

(

年

--

月日时分

,:)

据来自国家卫星海洋应用中心数据分发系统

(

ht-

叶绿素数浓度为卫星标准数据产品岸距离为

aHY-1D2.9.71km15km

,

直径约为

,。

2022

年

呈浅红棕色片状横跨北部湾赤潮海域的范围为

;

东西方向

107°17'E-109°9'E20°25'N-21°17'N

、,

为

18.9.59km57km

南北方向为北部湾西部的

,。

赤潮海域呈条带状平行于越南广宁近岸距离长达

,

向东于北部湾中部呈片状覆盖直径为

,;

11.97km

109°7'E0.5km

为中心在距离涠洲岛处呈放射状分

布南北方向为

,

3.03km

。

北部湾海域赤潮的发生可能与近年来北部湾

再向东蔓延至涠洲岛东部近岸以

,;、

24.49km1°7'N

北部湾海域年月日发生的赤潮水体

2021220

北部湾

茂名近岸

陵水湾

2021-02-140556

,:

2021-02-200555

,:

2021-02-230555

,:

2021-02-230554

,:

经济区的迅猛发展过度捕捞和沿海工业开发密切

、

33

][

。,

北部湾海域污染严重藻类繁殖和水体富

相关

1.2

赤潮指数

(),,

根据韩国沿海水域现场实测光谱赤潮水体

MRI

和非赤潮水体在波长范围内呈反向

488~551nm

梯度其中非赤潮水体的梯度为正赤潮水体的梯

,,

度为负利用和波段的归一化离

。

551nm488nm

水辐亮度构建赤潮指数表达式

:

[]

13

基于等数据提出赤潮指数

MOKimDIS

营养化加剧导致赤潮频发

,。

2.1.2

茂名近岸

34

][

。《

根据南

湾众多石油化工业和临港工业发达

,

茂名位于广东西南部海岸线长为

,

220km

港

,

,》

海区海洋灾害公报年茂名近岸海域

2017-2018

2017227317

年月日至月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

积达年月日至月日水东湾

495km201811225

2

,

和博贺湾海域赤潮的面积为

44.96km

2

。

茂名近岸海域年月日发生的赤潮水

2021223

式中和波和分别表示

:

WW

551488

51nm488nm5

段的归一化离水辐亮度

。

考虑到选卫星的载荷个波段

HY-1DCZI4

,

W

551488

-

W

MRI1

=

W

551488

+

W

发生次赤潮赤潮优势种均为球形棕囊藻其中

2

,。,

()

)

取蓝绿个波段生成适用于的赤潮指数

、(

2CZIRI

表达式

:

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至离岸

,,

团状分布海域的南处聚集并呈团状分布

10.06km

,

东西方向为

6111°41'E21°8'N-21°31'N7.07km

、,,

2.1.3

陵水湾

南北方向为

43.22km

。

北方向为

214.41km11°2'E-

赤潮海域的范围为

;

式中和波和分别表示

:

RR

rs560rs460

60nm460nm5

段的遥感反射率

。

R

rs560rs460

-

R

RI2

=

R

rs560rs460

+

R

()

2

赤潮遥感监测特征

2.1

遥感影像

2.1.1

北部湾

陵水湾位于海南东南部近岸通过细长的潮汐

,

北部湾位于我国南海西北部面积为

,

汊道与我国南海相通海岸线长为

,

118.57km

海域

,

[]

523

;“

面积为

1898.9km

陵水湾凭借三湾三岛两湖

[]

223

,;

海岸线长达北部湾三面

16128300km28.6km

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

。

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范围为

;

109°44'E-109°58'E107°57'E-108°56'E20°16'N-21°19'N

、、,

陵水湾海域年月日发生的赤潮水体

2021223

环陆海岛众多是我国重要的渔场和海水养殖区

,,。

呈亮红棕色团絮状分布在北部湾中部赤潮海域的

;

离

北部湾海域年月日发生的赤潮水体

2021214

东西方向为南北方离岸

2118°18'N-8°23'N3.81km0.1.58mm89kma

,,(/,)

向为

8.50km

。

三亚海棠近岸绕蜈支洲岛四周有细/;

条状赤潮分布赤潮海域的离岸距离为

,

0.81km

与

,

藤桥河入海口向南延伸的赤潮海域相接长

2.2 a

叶绿素浓度

2.2.1

各研究区域

叶绿素浓度是主要的赤潮参数之一当叶绿

a

,

达

7.61km

。

第期滕越等基于海洋一号卫星海岸带成像仪的赤潮遥感监测特征

8D

,:

63

3

处的叶绿素浓度约

g

为浓度沿陵水近

0.a50mm

赤潮水体的叶绿素

3

g

/

岸地形走势为不等

0.70~1.50mm

3

。

g

2.2.2

赤潮水体和非赤潮水体

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浓

,

a

度的对比分析

。

2021214①

年月日北部湾非赤潮水体在叶

:

素浓度的变化超过一定的阈值时可能是赤潮发

a

,

生的标志之一因此由反演计算得到各研究区

,

CZI

域的叶绿素浓度分布状况由于各研究区域均有

a

。

陆源入海口环境污染严重藻类物质丰富叶绿素

,,,

/

a0.50mm

浓度均较高且向远海逐级递减至左

3

g

右观察上述个赤潮事件可以发现赤潮水体的

。,

4

叶绿素浓度较周围非赤潮水体存在异常高值高

a

(

/,)

约

0.20mm

异常高值的范围与对应研究区域

3

g

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

。

异常高值时北部湾海域的叶绿素浓度呈现自东

,

a。

向西自近岸向湾中部逐渐递减的规律这与已有

、,

研究结果相一致年月日北部湾海域叶

。

2021214

/)

绿素浓度的最高值

a1.60mm

(

分布在周江入

3

g

海口和北海近岸离岸处的叶绿素浓度

,

13.52kma

/;

降至处赤潮水体的叶

0.470mm6.97km

离岸

3

g

/,

绿素浓度异常增高至

a0.72mm

周围非赤潮水

3

g

20a

日北部湾海域叶绿素浓度的最高值

/;

处的叶绿素浓度降至

a0.70mm

越南广宁离岸

3

g

附近叶绿素浓度处均有赤潮水体分布

1a4.54km

,

/。

增高至

0.72mm

3

g

2021223a

年月日茂名近岸海域叶绿素浓度的

/。

体的叶绿素浓度为年月

a0.52mm20212

3

g

经综合分析当忽略赤潮水体叶绿素浓度的

,

a

/

绿素浓度为时的占比最高

a0.475~0.525mm

3

g

/;

赤潮水体在叶绿

0.585mm7.85%

3

时的占比为

g

/,

在叶绿素

a0.65.93%475~0.525mm

浓度为和

3

g

/

0.605~0.655mm16.83%

3

时的占比分别为和

g

以最高占比来看赤潮水体的叶绿因此

,。,

12.68%

/。

素浓度比非赤潮水体高赤潮水

a0.060mm②

3

g

体和非赤潮水体在叶绿素浓度为

a0.375~

/

素浓度为时的占比最高达

a0.535~0.585mm

3

g

达浓度为

91.02%a0.535~

,

在叶绿素

/

在叶绿素浓度为时均没有分布

a0.425mm

3

,

g

/

0.425~0.475mm0.11%

3

时的占比分别为和

g

0.51%③a0.605~

非赤潮水体在叶绿素浓度为

/,

且其占比随着叶

0.655mm0.60%

3

时的占比为

g

/

赤潮水体在叶绿素浓时没有分布

a1.235mm

3

;

g

绿素浓度升高而逐渐降低当叶绿素浓度高于

aa

,

//、、

度为

0.675~0.725mm0.765~0.815mm

33

gg

//、、

0.865~0.915mm0.975~1.025mm

33

gg

//

1.095~1.145mm1.235~1.285mm

33

和时的

gg

占比分别为

2.66%0.92%0.42%0.22%0.11%

、、、、

和浓度较非赤潮

0.a12%

表明赤潮水体的叶绿素

,

水体高

。

非赤潮水体在叶绿年月日北部湾

2021220

:

(/,)

同样出现在北海近岸离岸

21.60mm2.84km

3

g

北部湾中部离岸处处和涠洲岛

428.00km9.58km

、

/,

0.525mm80.24%19.75%

3

时的占比分别为和

g

/

在叶绿素浓度为时的占比

a0.605~0.915mm

3

g

为浓度高于

0.004%~0.001%a

,

在叶绿素

//

度为和

0.535~0.585mm0.605~0.655mm

33

gg

时的占比分别为浓度和

4a1.4%50.22%

在叶绿素

,

//

为和时

0.675~0.725mm0.765~0.815mm

33

gg

的占比分别为浓度高和有约宽的叶绿素浓度高值区

5.a46%1.41%0.33kma

在叶绿素

,

/

素浓度为和

a0.535~0.585mm0.475~

3

g

3

/),

最高值

(

分布在博贺至新屋近岸从大竹

1.50mm

ga0.915mm

3

/。

周围非赤潮水体的叶绿素浓度为

a0.77mm

g

3

/,

舟至双山岛近岸向南出现异常高值即

0.98mm

g

/

赤潮水体在叶绿素浓时没有分布

3

;

g

2021223

年月日陵水湾沿三亚海棠近岸海域

/。,

于时的占比低于由表可以看出茂名近岸海域的叶绿素平

0.865mm1%3a

随着时此外

g

3

220a

月日赤潮水体和非赤潮水体的叶绿素浓度

/。

比年月日高

20212140.025mm

3

g

赤潮水体和非赤年月日茂名近岸

2021223

:

间的增加叶绿素浓度呈升高趋势即年

,,

a2021

64

海洋开发与管理

2022

年

均浓度最高年月日北部湾海域的叶绿

,

2021214

素平均浓度最低赤潮水体的叶绿素平均浓度

aa

;

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

,

2.3

赤潮指数

比高于

20%

。

:

/

潮水体在叶绿素浓度低于时均没有

a0.605mm

3

g

分布或占比仅约为

0.a001%

非赤潮水体在叶绿素

;

赤潮水体和非赤潮水体在叶绿素浓度为

a0.765~

/

赤潮水体在叶绿素浓度为

a0.865~0.915mm

g

3

/,

浓度为时的占比为

0.675~0.725mm77.92%

3

g

/;

0.815mm88.44%22.07%

3

时的占比分别为和

g

3

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

素浓度有较好的一致性赤潮水体的赤潮指数比

a

,

非赤潮水体高

0.05~0.10

。

对比分析各感兴趣区赤潮水体和非赤潮水体

基于绿波段的遥感反射率应用式蓝

CZI2

,(、

)

/。,

以最高占比因此

0.915mm1%

时的占比低于

g

来看赤潮水体的叶绿素浓度比非赤潮水体

,

a

/。

高

0.090mm

g

3

时的占比为浓度高于

1a0.32%

且在叶绿素

,

的赤潮指数年月日北部湾海域赤潮

:

①2021214

时的占比分别为和

81.91%81.11%

赤潮水体在赤

;

潮指数为和

-0.025~0.0250.025~0.0750.075~

、

非赤潮水体在赤潮指数为和

-0.125~-0.075

-0.025~0.02517.24%1.66%

时的占比分别为和

220

月日北部湾海域非赤潮水体在赤潮指数为

赤潮水体

-0.075~-0.02599.99%

时的占比高达

,

时的占比分别为和年

26.15%70.58%③2021

。

赤潮指数为时的占比分别为

0.025~0.07598.11%

和

9-0.3.08%025~

非赤潮水体在赤潮指数为

,

且在赤潮指数高于时没有分布年

0.175②2021

。

/,

在叶绿素

a0.92.64%425~0.475mm

浓度为和

3

g

/

0.535~0.585mm3.29%

3

时的占比分别为和

g

在其他叶绿素

a4.06%

浓度范围均没有分布赤潮

;

,

/

0.605~0.655mm61.5%

3

时的占比分别为和

g

/,

在叶绿素

a0.30.71%655mm

浓度高于时的占

3

g

浓度整体比非赤潮水体高

。

2.2.3 a

叶绿素平均浓度

比低于

2%a

。,

由此也可看出赤潮水体的叶绿素

/

水体在叶绿素浓度为和

a0.535~0.585mm

3

g

/

素浓度为时的占比最高达

a0.475~0.525mm

3

g

非赤潮水体在叶绿年月日陵水湾

2021223

:

水体和非赤潮水体在赤潮指数为

-0.075~-0.025

0.27515.61%1.38%1%

时的占比分别为和低于

、,

在赤潮指数为和

-0.075~-0.025-0.025~0.025

223

月日茂名近岸海域赤潮水体和非赤潮水体在

水体的差值占比如表所示

3

。

感兴趣区的叶绿素平均浓度以及基于非赤潮

a

表感兴趣区的叶绿素平均浓度与差值占比

3 a

感兴趣区差值占比

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

(/

·)

mam

叶绿素平均浓度

g

赤潮水体非赤潮水体

0.57070.503413.37

0.61430.538714.03

0.81490.740110.11

0.60480.496321.86

-3

/

%

赤潮水体在赤潮指数为

0.0256.92%

时的占比为

,

0.075~0.1251.81%④20212

时的占比为年月

。

23

日陵水湾海域非赤潮水体在赤潮指数为

在赤潮

-0.075~-0.02596.42%

时的占比最高达