基于MODIS数据的日照市近海浒苔监测及影响因子分析

孙慧， 谢小平

(曲阜师范大学地理与旅游学院，日照　276826)



基于MODIS数据的日照市近海浒苔监测及影响因子分析

孙慧， 谢小平

(曲阜师范大学地理与旅游学院，日照276826)

摘要：基于遥感和地理信息系统技术，利用MODIS全球地表反射数据，结合浮游藻类指数(floating algae index，FAI)方法，以山东省日照市近海为研究对象，进行浒苔信息识别与提取，分析2012年和2013年浒苔的时空分布特征与发展趋势，并结合海水表面温度(sea surface temperature，SST)和热带测雨卫星(tropical rainfall measuring mission satellite，TRMM)提供的逐月降水资料，揭示气象因子与浒苔之间的关联机制，为控制和治理浒苔提供信息支持。结果表明： 运用FAI指数方法能够较好地反演出日照市近海2012年及2013年5—7月海面浒苔分布面积及时空特征； 提取的浒苔信息表明，2013年浒苔强度与面积总体上均大于2012年； 海水表面温度与月降水量对浒苔的生长爆发有重要影响，浒苔在20℃~21℃之间最易繁殖，降水量的增加为浒苔生长提供了更加有利的条件，2013年5—7月的水文气象条件相对2012年更加有利于浒苔的生长。

关键词：浒苔； FAI指数； 海水表面温度(SST)； 降水； 日照市近海

0引言

1研究区概况

日照市位于山东省东南部黄海之滨，全市陆域面积5 310 km2，海域面积6 000 km2。日照市海岸北起白马河口，南至鲁苏交界处的绣针河口，海岸线总长168.5 km。

2007年以来，黄海中部连续多年出现以浒苔为主的绿潮灾害，并多次影响日照市，使日照市近海海域成为绿潮高风险区[11]。浒苔灾害的频繁爆发给日照市沿海生态环境、水产养殖以及旅游业等造成了巨大的危害。本文以日照市近海为研究对象，为确保对浒苔发展过程研究的完整性，研究区选在E 119°~121.5°，N 34.5°~36.5°之间(图1)。

图1　研究区范围示意图

图1中虚线所示部分为浒苔集中区域，此区域将被应用于浒苔和气象要素的分析中。

2数据源及其预处理

MODIS数据有较高的光谱和时间分辨率，对开展自然灾害与生态环境监测、全球环境和气候变化研究以及全球变化综合性研究等发挥着重要作用。本文选用的影像数据来自NASA-MODIS网站(http: //reverb.echo.nasa.gov/reverb)提供的L1B级MODIS/TERRA数据产品MOD02(表1)和Oceans NASA网站(http: //oceancolor.gsfc.nasa.gov)提供的空间分辨率为4 km的逐日及逐月平均海水表面温度(sea surface temperature，SST)数据，以及空间分辨率为0.25°的TMI星载微波成像仪逐月降水数据(http: //mirador.gsfc.nasa.gov)。

表1　MODIS数据选用波段信息详情表

根据北海区海洋环境公报以及于风[12]对黄海浒苔研究得出的结论，每年的5—7月为黄海海域浒苔的高发时期。因此本文选取2012和2013年日照市近海海域5—7月的MODIS数据产品作为数据源。选取其中天气晴朗、云量较少的6景数据(2012年5月26日、6月22日、7月6日和2013年6月2日、6月20日、7月5日)进行分析。由于2013年5月影像数据的遥感数据云量较大，质量不够理想，因此本文选用了同年6月2日的数据来反映5月份的浒苔情况。MODIS L1B数据自带地理坐标，通过ENVI 5.0的MRT模块对其进行投影转换并运用FLAASH模块进行大气校正，消除由大气散射引起的辐射误差。由于MODIS数据分辨率相对较低，利用最近邻域法将其空间分辨率为500 m的1，2波段重采样成250 m。运用SeaDAS海洋遥感分析软件将SST数据重采样成250 m，进行掩模处理，并运用彩色合成原理将原始灰度图像转换成彩色影像，进行研究区域的影像数据解译。

3研究方法

浒苔是1种富含叶绿素的大型绿藻，当其覆盖海面时，叶绿素对太阳光的吸收、反射与散射作用会使海水表面的光谱特征发生改变。在波谱曲线上，水体在红光波段、近红外波段以及短波红外波段表现为强烈的吸收特征，而含有浒苔的水体在近红外波段(如MODIS的第2波段，参见表1)出现类似于植被光谱曲线的高反射峰[13-15]。基于这些波谱特征，本研究使用胡传民[10]提出的FAI指数法来提取浒苔信息。

FAI定义为

短期旋回基准面下降期沉积的地层主要由三角洲平原和三角洲前缘富砂沉积物构成。在平行物源方向的地震剖面上通常显示明显的楔状体几何形态，内部连续、低角度的前积反射发育［3］。在三角洲进积过程中，前缘沉积物发生滑塌，经常在三角洲进积体的坡角处或更远的深水湖区形成滑塌浊积岩，呈小型透镜体状，分布面积有限，厚度较薄，一般数米厚。

(1)

其中

(2)

(3)

式(2)—(3)中：L为传感器经过辐射定标的辐射率；F0为大气层外垂直入射的太阳辐照度；θ0为太阳天顶角；Rr为用6S模型[16]估算的瑞利散射反射率； 得到Rrc为瑞利校正后的遥感反射率值；Rrc，RED，Rrc，NIR和Rrc，SWIR分别为红波段、近红外波段和短波红外波段经瑞利校正后的反射率值；λ为MODIS各波段的中心波长，本文中λRED=645 nm，λNIR=859 nm，λSWIR=1 240 nm。

选取2012年和2013年5—7月每个月浒苔爆发面积最大的1景影像，代表当年当月的浒苔发生情况。陆地的FAI值偏高，容易被误判为浒苔覆盖区域。为了消除陆地植被对浒苔监测结果的影响，首先对陆地进行掩模处理。在获取FAI后，利用阈值法综合判断提取检测海域的浒苔信息。不同时期浒苔分布范围的大小、形状特征均有不同，通常在5月份浒苔初步形成时，其分布较为分散且个体较小，故与周围水体差别较小。为了准确地提取浒苔分布图斑，本文基于已有研究，利用梯度法计算相邻像元之间FAI值的梯度变化，并最终根据FAI值梯度确定阈值，利用阈值结合目视解译提取浒苔图斑。最后将浒苔提取结果输入ArcGIS软件中，计算浒苔面积等相关要素以便进行后续分析。

4结果与分析

4.1浒苔的空间分布

根据FAI方法利用MODIS数据提取的浒苔信息显示，浒苔从“出现—生长爆发—消亡”存在一个显著的周期性[17]。浒苔出现初期，日照市近海海域浒苔的面积和范围较小，成片的浒苔主要集中于江苏连云港以东的海面上，在东南风以及由南向北黄海表层流的作用下浒苔逐步向日照市海域移动； 6月份浒苔集中于营养盐丰富、降水与温度适宜的黄海中部海域，浒苔进入生长爆发阶段，繁殖速度加快，分布范围明显扩大，日照市近海的浒苔达到最大规模； 此后由于浒苔的移动以及人为打捞和自然死亡，日照市近海浒苔覆盖面积逐步减少、趋于消亡。

从年际变化看，2013年日照市近海以及整个黄海海域的浒苔覆盖面积明显高于2012年。2012年浒苔出现初期(即5月)，日照市近海只有零星浒苔出现； 2013年初期成片浒苔已经出现在日照市近海，浒苔的覆盖面积和规模明显较2012年大且有不断扩大的趋势。浒苔进入生长爆发阶段时，大面积浒苔出现在日照市近海以及黄海海域。MODIS图像处理结果显示，2013年6月日照市近海浒苔覆盖面积高达1 504.49 km2，远远高于2012年同时期的86.22 km2。7月初浒苔沿着海岸线向东北漂移，徘徊数日后到达青岛及烟台沿岸。日照市近海浒苔逐渐消亡，最终因风力和洋流的共同作用向外海移动。此时，黄海西北部海域的浒苔面积也明显减少(图2)。

(a) 2012年 (b) 2013年

图22012和2013年卫星监测浒苔分布图

Fig.2The distribution of algae detected by MODIS in 2012 and 2013

4.2气象因子对浒苔的影响

海域浒苔的时空变化包含着海区基本的生态信息，同光照、温度、盐度以及风潮流等各种因素密切相关。浒苔爆发不仅取决于藻类生长的营养物质条件，也取决于其生长所处的生态环境条件。本文主要从温度与降水2个方面着手，分析气象因子对浒苔生长及时空变化规律的影响。

4.2.1温度影响

气候变化越来越深刻地影响着近岸海洋生态系统，其中SST是影响浒苔生长和繁殖的一个重要环境因子[18]。现有研究认为，浒苔最适宜的生长温度为20~25 ℃，在温度为25 ℃时，浒苔生长达到峰值[19]。日照市属于暖温带湿润季风气候，受海洋环境的影响，具有显著的海洋气候性质，气候温和，光照充足。年平均气温为12.7 ℃，最热月平均气温为25.3 ℃。这种气候条件为浒苔的爆发与生长提供了良好的温度环境。

选取日照市近海海域附近4个浒苔覆盖度较高的点(E119.80°，N35.40°)、(E120.72°，N35.34°)、(E120.69°，N34.57°)和(E121.10°，N36.17°)，分析2012年和2013年5—7月的逐日海水表面平均温度变化情况(图3)。

(a) (E120.69°，N34.57°)处 (b) (E120.72°，N35.34°)处

(c) (E119.80°，N35.40°)处 (d) (E121.10°，N36.17°)处

图3日照市近海4地点5—7月逐日SST分布图

Fig.3Daily SST in 4 spots of Rizhao offshore from May to July

从图3可以看出，2013年5月SST略低于2012年，但都在10~20℃之间。根据卫星监测结果显示，5月为浒苔出现初期，浒苔数量较少且生长速度较为缓慢。6月前后日照市近海以及黄海海域浒苔爆发出现密集区，这时的SST刚刚超过20℃，达到浒苔的最佳繁殖温度范围。此时浒苔体内新陈代谢旺盛，生长速度惊人。这种温度趋势将一直持续到7月中旬，为浒苔的生长爆发提供了合适的温度条件。7月下旬SST接近或者超过25℃，浒苔走向消亡阶段。通过统计发现，2013年6—7月SST落在20~25℃区域内的数据略多于2012年，这与2013年浒苔显著多于2012年的研究结果相吻合。

为了客观地反映浒苔与温度之间的关系，在对浒苔生长的温度因子进行定性对比分析的基础上，将月平均SST与浒苔分布数据相叠合进行定量相关分析。选取2012年和2013年浒苔活跃期5—7月覆盖度较高的300个点,建立4 km范围的缓冲区，利用各个缓冲区读取相应区域的SST及FAI，并计算对应点上SST与FAI的相关系数。月平均SST与FAI叠合结果见图4。

(a) 2012年5月(b) 2012年6月(c) 2012年7月

(d) 2013年5月(e) 2013年6月(f) 2013年7月

图4月平均SST与FAI叠合图

Fig.4Overlapping of monthly averageSSTandFAI

通过计算发现SST在20℃以下时，SST与FAI相关系数最小，[20℃，25℃)范围内相关系数最大，而在25℃以上的相关系数介于两者之间。将[20℃,25℃)再细分进行深一步研究，以1℃为步长逐步减小区域内的最高气温，并计算SST与FAI的相关系数，得到的相关系数均通过了α=0.01的置信检验。结果显示，当温度在[20℃，21℃)之间时SST与FAI之间的相关系数最大，即在[20℃，21℃)温度对浒苔的影响最为显著。同时通过对比分析2012年与2013年不同温度阈值与FAI之间的相关关系得出，2013年的相关系数均高于2012年，表明2013年温度变化对浒苔的影响更为显著(表2)。

表2　SST与FAI相关系数表

4.2.2降水影响

研究表明浒苔发生的最根本原因是近岸海域存在着严重的富营养化[20]。在降水和径流冲刷的动力作用下，大量可溶性营养物汇入海中，使海水盐度降低； 同时大量含氮的营养物入海给浒苔的繁殖提供了丰富的物质基础。海水盐度下降易形成温跃层和盐跃层，藻类物质在此海洋环境下生长迅速。

利用GrADS软件提取TMI降水数据，并通过分析降水资料发现，2013年5—7月研究区域的降水量普遍高于2012年同期降水量(图5)。2013年5月，当浒苔由苏北海域向日照近海海域靠近时，日照近海有一个较大的降水集中区域(E120°，N35.2°)，降水量高达200 mm，比2012年显著增加。对比分析6月份的降水情况发现，2012年青岛沿岸形成一个少雨区，月总降水量小于30 mm。与2012年相比，2013年6月浒苔活跃地区(日照及青岛近岸)的降水相对较多，降水量偏多为浒苔在日照沿岸大量生长和繁殖提供了有利的水文条件; 7月，日照市近海海域浒苔基本消亡，浒苔逐渐北移。2013年7月集中降水带的移动路径与浒苔的迁移路径一致，随着浒苔的北移而北上，到达烟台威海海域。而2012年7月降水主要集中在日照青岛海域，山东半岛东部与北部海域的降水明显偏少。以上对比分析表明： 降水量偏多使沿岸大量的有机质被冲进海里，提高了海水富氧离子含量，为浒苔的生长繁殖提供了所需的营养成分。

(a) 2012年5月 (b) 2012年6月 (c) 2012年7月

(d) 2013年5月 (e) 2013年6月 (f) 2013年7月

图5研究区2012年和2013年5—7月逐月降水量分布图

Fig.5Monthly precipitation distribution from May to July of 2012 and 2013 of study area

基于前面介绍的气温与浒苔分布的相关分析，对逐月降水量分布与浒苔分布进行叠合(图6)。同样选取2012年和2013年浒苔活跃期覆盖度较高的300个点，计算4 km缓冲区范围内相对应的逐月降水量与FAI的相关系数。结果显示，浒苔分布与降水呈明显的正相关，2013年的相关系数为0.833，高于2012年的0.738(以上相关系数均通过了0.01的置信检验)，表明2013年降水变化对浒苔的影响更为显著。

(a) 2012年5月(b) 2012年6月(c) 2012年7月

(d) 2013年5月(e) 2013年6月(f) 2013年7月

图6逐月降水量与浒苔叠合图

Fig.6Overlapping of monthly precipitation and algae

5结论

通过对遥感影像数据的反演，得到了2012和2013年日照市近海及黄海海域浒苔爆发的时空分布规律。并结合气象数据，分析了海水表面温度及降水量2个气象因子对浒苔分布的影响。研究结果表明：

1)运用FAI指数方法能够较好地反演出日照市近海2012年及2013年5—7月海面浒苔分布面积及强度特征。

2)卫星遥感动态监测结果显示，5月为日照市近海浒苔出现初期，强度较小； 6月浒苔大量生长繁殖，强度达到最大； 到7月浒苔已基本消亡。对比分析2012年和2013年同时期的浒苔面积与强度，从“出现—生长爆发—消亡”整个浒苔生长周期来看，2013年浒苔规模较2012年大。

3)从浒苔的影响因子来看，气象条件与浒苔暴发的概率和程度存在紧密联系。海水表面温度在20~21℃之间最适宜浒苔的生长； 降水量偏多，导致海水表层营养盐增多，为浒苔营造了一个良好的生长环境。在二者的共同作用下浒苔会大量生长繁殖并覆盖大范围海域。日照市近海海域2013年的海水表面温度与降水量2个气象因子均比2012年更有利于浒苔的生长，这也正是该海域2013年浒苔爆发量远大于2012年的原因所在。

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(责任编辑： 李瑜)

Monitoring of Enteromorpha prolifera and analysis of impact factors based on MODIS data in Rizhao offshore

SUN Hui, XIE Xiaoping

(SchoolofGeographyandTourism,QufuNormalUniversity,Rizhao276826,China)

Abstract:Rizhao offshore was selected as the study area in monitoring the Enteromorpha Prolifera. Using the floating algae index (FAI) which is based on the remote sensing technology and geographic information system with MODIS global surface reflectance data, the authors interpreted and extracted the Enteromorpha prolifera information in Rizhao offshore. Temporal and spatial evolution characteristics of 2012 and 2013 were studied through these methods. Combined with the sea surface temperature data and the precipitation provided by TRMM satellite, the relationship between Enteromorpha prolifera and the meteorological factors were revealed. The results can provide information about controlling and alleviating the harm of Enteromorpha prolifera. Some conclusions have been reached: The intensity and distribution areas of Enteromorpha prolifera could be well revealed by using FAI index from May to July in 2012 and 2013. The information about Enteromorpha prolifera by using threshold indicates that the intensity and the areas of Enteromorpha prolifera in 2013 was stronger than that in 2013. Temperature and precipitation have great influence on the thriving of Enteromorpha prolifera. The temperature between 20℃ and 21℃ is the best interval for the growth of Enteromorpha prolifera, and the increasing of precipitation is also important for the increasing of Enteromorpha prolifera. In short, hydrographic and meteorological condition in 2013 was more suitable for thriving of Enteromorpha prolifera than that in 2012.

Keywords:Enteromorpha prolifera; FAI index; sea surface temperature(SST); precipitation; Rizhao offshore

通信作者：谢小平(1966- )，男，博士，教授，主要研究方向为河口海岸动力工程及河流生态。Email： xp.xie@263.net。

作者简介：第一 孙慧(1990- )，女，硕士研究生，主要从事遥感及地理信息系统应用研究。Email： jnczdl@163.com。

中图法分类号：TP 79

文献标志码：A

文章编号：1001-070X(2016)01-0144-08

基金项目：国家自然科学基金项目“龙门山地区涪江上游晚新生代水系演化与新构造响应研究”(编号： 41072164)资助。

收稿日期：2014-10-14；

修订日期：2014-12-12

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.21

引用格式： 孙慧,谢小平.基于MODIS数据的日照市近海浒苔监测及影响因子分析[J].国土资源遥感,2016,28(1)：144-151.(Sun H,Xie X P.Monitoring of Enteromorpha prolifera and analysis of impact factors based on MODIS data in Rizhao offshore[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1)：144-151.)