基于环境卫星CCD数据的黄海浒苔遥感监测

吴传庆，马万栋，王雪蕾，姚延娟，吴 迪

环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094

2007年以来，黄海海域每年均出现大面积的漂浮海藻，经专家初步鉴定该漂浮海藻为浒苔(拉丁学名:Enteromorphaclathrata(Roth)Greville)。浒苔属全球分布的种类，海水淡水中均可生长，甚至有可能附着在船舶上，生长期一般在15 d左右。黄海海域近些年出现的浒苔绿潮，数量多且影响面积大。

浒苔聚集不会影响海水水质，对海洋生态环境不会产生负面作用，但对交通、渔业造成不利影响。如果岸边的浒苔不及时清理，堆积的浒苔将大量发白死亡，死亡的浒苔会腐烂而发出难闻的气味，同时腐烂物质还将污染水体。不及时清理浒苔会对环境造成污染。环保等相关部门对黄海海域的浒苔绿潮高度重视。

实际的浒苔覆盖面积以达数百上千平方公里，依靠地面监测手段很难对其分布和发展变化情况进行监测，采用航空遥感手段在中国也有空域管制、飞机租用等诸多不便，卫星遥感技术为此类环境事件监测提供了一个大范围、快速监测手段。早在20世纪70年代，美国就利用MSS数据和TM数据对海洋赤潮进行了研究和监测。随着遥感技术的发展，卫星传感器的重返周期、分辨率、波段数、信噪比等性能参数都有很大提高，这些都大大增加了对海洋赤潮应急监测和研究的可行性［1-2］。黄海浒苔绿潮也可以归属于赤潮的一种，中国的科研工作者利用遥感手段也对其进行了大量的研究和监测。如赵文静等［3］对浒苔海面光谱响应进行了辐射传输模拟，顾行发等［4］利用多种遥感手段对浒苔灾害进行了立体监测，形成了相应的遥感模型和监测系统，国家海洋部门的蒋兴伟等［5］建立了浒苔灾害卫星遥感应急监视监测系统对浒苔进行监测。这都说明对浒苔这种大范围发生在海域的自然灾害进行监测，遥感手段非常有效。

目前，国内外对浒苔遥感监测使用较多的数据源主要是美国的 MODIS数据［6-7］。MODIS数据1、2波段的地面分辨率为250 m，视幅宽度为2 330 km，非常适合暴发范围为上千平方公里的浒苔绿潮监测。但由于MODIS的分辨率较粗，难以兼顾大块聚集和零散分布的浒苔，笔者通过研究发现，业务化监测中提取面积可能会被夸大20%左右，这与文献［6］观点一致。

2013年采用环境卫星CCD数据对黄海浒苔暴发情况进行连续监测。环境卫星CCD数据:可见近红外范围4个波段设计，地面分辨率分别为30 m，视场幅宽为720 km。采用30 m分辨率的环境卫星数据，能够更加精确地提取浒苔面积，计算靠岸浒苔量，以便政府准确掌握灾情，投入适当的人力物力清理浒苔。

1 提取方法

浒苔为水生绿藻类植物，具有典型的植被光谱特征。根据实地观测，浒苔在水中成片状分布，漂浮在水体上层;当数量众多、大面积聚集时，浒苔厚度可达1 m(图1)，浒苔聚集区植被光谱明显，见图2。

因此，对浒苔分布面积的提取，采用经典的归一化植被指数(NDVI)是最有效的方法，即使在有薄云的情况下，也能很好地提取出浒苔区。水体的NDVI为负值，云的NDVI低于植被NDVI，采用阈值法能很好地区分出浒苔分布区。NDVI的计算公式如下:

式中:Band4、Band3分别为HJ-CCD数据的第4波段(近红外)、第3波段(红波段)的遥感反射率。

图3为浒苔分布遥感监测流程。

图1 浒苔大厚度聚集

图2 正常水体与浒苔反射率曲线对比图

图3 浒苔分布遥感监测流程图

由图3可见，流程主要有三大步:1)环境卫星CCD数据的预处理，包括数据的几何校正、目标区域的截取，利用6s模型进行大气校正从而得到遥感反射率图像;2)水域NDVI计算，首先基于目标区的遥感反射率图像进行全图NDVI计算和水体区域提取，再通过波段运算获得目标水域的NDVI图像;3)阈值分割得到浒苔面积分布图。

2 监测结果分析

此次黄海海域发生的浒苔绿藻潮时间范围为2013年5—8月，在绿藻潮持续期间，共获取环境卫星CCD数据74景，监测到浒苔分布的遥感影像共13景。重点分析了该海域浒苔绿藻潮的分布特点及宏观漂移规律，以及对重点城市(青岛)海滨的影响。结果表明:

1)此次浒苔绿藻潮持续时间长、分布范围广。5月22日在距离青岛159.44 km的南部海域首次监测到浒苔(图4)，最后一次为8月16日，8月17以后未在该海域监测到明显浒苔分布，因此断定浒苔绿藻潮暴发已经结束，此次浒苔绿藻潮持续时间约为86 d。浒苔绿藻潮暴发期间，青岛南部、东部、北部海域利用遥感影像可监测到浒苔的海域面积达4.39万平方公里，浒苔绿藻潮分布的海域分布状况见图5。不同日期浒苔绿藻潮覆盖面积、分布海域面积、离青岛距离等情况见表1。

图4 5月22日浒苔分布

图5 绿藻潮分布中心点漂移趋势

表1 2013年浒苔绿潮分布统计表

2)绿藻潮由南向北移动，逐渐靠岸。此次绿藻潮首发于盐城东部海域，由南向北漂移，面积逐渐扩大。2013年6月29日在青岛附近海岸首次靠岸(图6)，绿藻潮分布区域的中心点向北移动(图5)，8月16日结束于青岛东北部海域。

3)绿藻潮覆盖面积及分布海域面积均呈现先变大，然后逐渐变小的趋势，直至消亡。2013年青岛附近海域绿藻潮覆盖面积和分布面积随时间变化均呈现先逐渐增大，然后逐渐减小的变化趋势(图7)。此次绿藻潮暴发期间，首次监测到绿藻潮覆盖面积是7.42 km2，分布海域面积是945.69 km2;随后绿藻潮覆盖面积逐渐变大，最大覆盖面积663.54 km2(图8);此后，随时间推移，绿藻潮逐渐消亡。

图6 6月29日浒苔分布

图7 2013年浒苔绿潮覆盖面积统计图

图8 7月5日浒苔分布

3 结论

环境卫星以其2 d重返周期、30 m分辨率、720 km宽覆盖的优质多光谱数据，指示了黄海夏季浒苔的发生和发展过程，能够精确计算出浒苔覆盖面积，监测到其靠岸时间、影像范围。基于环境卫星CCD数据的浒苔遥感监测，是服务于环境保护工作的有效手段。

［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］赵文静，张杰，崔廷伟，等．水下悬浮浒苔海面光谱响应的辐射传输模拟［J］．光谱学与光谱分析，2009，29(6):1 656-1 660．

［4］顾行发，陈兴峰，尹球，等．黄海浒苔灾害遥感立体监测［J］．光谱学与光谱分析，2011，31(6):1 627-1 632．

［5］蒋兴伟，刘建强，邹斌，等．浒苔灾害卫星遥感应急监视监测系统及其应用［J］．海洋学报:中文版，2009，31(1):52-63．

［6］钟山，丁一，李振，等．MODIS浒苔遥感监测误差分析研究［J］．遥感信息，2013，28(1):38-42．

［7］刘振宇，江涛．基于MODIS数据的浒苔信息提取方法研究［J］．测绘科学，2008，33(S1):113-114．