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,邹斌,叶小敏

(1.国家海洋环境预报中心 北京 100081;2.国家卫星海洋应用中心 北京 100081;3.自然资源部空间海洋遥感与应用研究重点实验室 北京 100081)

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]。

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-2 MSI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。

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782 km,幅宽不小于950 km,空间分辨率为50 m,重访周期为3 d,地方时为1:30AM±30 min,各波段的应用对象如表1所示。

波段/μm 应用对象0.42～0.50 叶绿素、污染、冰、浅海地形0.52～0.60 叶绿素、低浓度泥沙、污染、滩涂0.61～0.69 中等浓度泥沙、植被、土壤0.76～0.89 植被、高浓度泥沙、大气校正

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

1.1 遥感数据

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(https://osdds.nsoas.org.cn/OceanColor)。卫星遥感数据的成像时间如表2所示。

覆盖区域成像时间(年-月-日,时:分)北部湾 2021-02-14,05:56 2021-02-20,05:55茂名近岸 2021-02-23,05:55陵水湾 2021-02-23,05:54

1.2 赤潮指数

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488～551 nm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551 nm和488 nm波段的归一化离水辐亮度构建赤潮指数表达式:

式中:W551和W488分别表示551 nm和488 nm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:

式 中:Rrs560和Rrs460分别表示560 nm和460 nm波段的遥感反射率。

2 赤潮遥感监测特征

2.1 遥感影像

2.1.1 北部湾

超声波频率一般在20 000赫兹以上，在水中传播可产生释放巨大能量的激化和突发，即空化效应，可产生高达数百个大气压的局部瞬间压力，形成冲击波，使固体表面及液体介质受到极大冲击，将细胞破碎，溶出植物中的有效成分[47]。

北部湾位于我国南海西北部,面积为128 300 km2,海岸线长达1 628.6 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,离岸距离为2.71 km,直径约为9.15 km。

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,东西方向为19.59 km,南北方向为8.57 km。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11.97 km;向东于北部湾中部呈片状覆盖,直径为4.49 km;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0.5 km处呈放射状分布,南北方向为3.03 km。

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。

2.1.2 茂名近岸

茂名位于广东西南部,海岸线长为220 km,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495 km2,2018年1月12日至2月5日水东湾和博贺湾海域赤潮的面积为44.96 km2。

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,至离岸10.06 km处聚集并呈团状分布,团状分布海域的南北方向为24.41 km;赤潮海域的范围为111°2'E-111°41'E、21°8'N-21°31'N,东西方向为67.07 km,南北方向为43.22 km。

2.1.3 陵水湾

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,海岸线长为118.57 km,海域面积为1 898.9 km2[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,东西方向为23.81 km,南北方向为8.50 km。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0.81 km,与藤桥河入海口向南延伸的赤潮海域相接长达7.61 km。

2.2 叶绿素a浓度

2.2.1 各研究区域

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,叶绿素a浓度均较高且向远海逐级递减至0.50 mg/m3左右。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(高约0.20 mg/m3),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(1.60 mg/m3)分布在周江入海口和北海近岸,离岸13.52 km处的叶绿素a浓度降至0.70 mg/m3;离岸46.97 km处赤潮水体的叶绿素a浓度异常增高至0.72 mg/m3,周围非赤潮水体的叶绿素a浓度为0.52 mg/m3。2021年2月20日北部湾海域叶绿素a浓度的最高值(1.60 mg/m3)同样出现在北海近岸,离岸22.84 km处的叶绿素a浓度降至0.70 mg/m3;越南广宁离岸28.00 km处、北部湾中部离岸49.58 km处和涠洲岛附近14.54 km处均有赤潮水体分布,叶绿素a浓度增高至0.72 mg/m3。

2021年2月23日茂名近岸海域叶绿素a浓度的最高值(1.50 mg/m3)分布在博贺至新屋近岸,从大竹舟至双山岛近岸向南出现异常高值即0.98 mg/m3,周围非赤潮水体的叶绿素a浓度为0.77 mg/m3。

2021年2月23日陵水湾沿三亚海棠近岸海域有约0.33 km宽的叶绿素a浓度高值区(1.58 mg/m3),离岸0.89 km处的叶绿素a浓度约为0.50 mg/m3;赤潮水体的叶绿素a浓度沿陵水近岸地形走势为0.70～1.50 mg/m3不等。

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a浓度的对比分析。

2021年2月14日北部湾:①非赤潮水体在叶绿素a浓度为0.475～0.525 mg/m3时的占比最高达91.02%,在叶绿素a浓度为0.535～0.585 mg/m3时的占比为7.85%;赤潮水体在叶绿素a浓度为0.535～0.585 mg/m3时的占比最高达65.93%,在叶绿素a浓度为0.475～0.525 mg/m3和0.605～0.655 mg/m3时的占比分别为16.83%和12.68%。因此,以最高占比来看,赤潮水体的叶绿素a浓度比非赤潮水体高0.060 mg/m3。②赤潮水体和非赤潮水体在叶绿素a浓度为0.375～0.425 mg/m3时均没有分布,在叶绿素a浓度为0.425～0.475 mg/m3时的占比分别为0.11%和0.51%。③非赤潮水体在叶绿素a浓度为0.605～0.655 mg/m3时的占比为0.60%,且其占比随着叶绿素a浓度升高而逐渐降低,当叶绿素a浓度高于1.235 mg/m3时没有分布;赤潮水体在叶绿素a浓度为0.675～0.725 mg/m3、0.765～0.815 mg/m3、0.865～0.915 mg/m3、0.975～1.025 mg/m3、1.095～1.145 mg/m3和1.235～1.285 mg/m3时的占比分别为2.66%、0.92%、0.42%、0.22%、0.11%和0.12%,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:非赤潮水体在叶绿素a浓度 为0.535～0.585 mg/m3和0.475～0.525 mg/m3时的占比分别为80.24%和19.75%,在叶绿素a浓度为0.605～0.915 mg/m3时的占比为0.004%～0.001%,在 叶 绿 素a浓 度 高 于0.915 mg/m3时没有分布;赤潮水体在叶绿素a浓度为0.535～0.585 mg/m3和0.605～0.655 mg/m3时的占比分别为41.4%和50.22%,在叶绿素a浓度为0.675～0.725 mg/m3和0.765～0.815 mg/m3时的占比分别为5.46%和1.41%,在叶绿素a浓度高于0.865 mg/m3时的占比低于1%。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浓度比2021年2月14日高0.025 mg/m3。

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0.605 mg/m3时均没有分布或占比仅约为0.001%;非赤潮水体在叶绿素a浓度为0.675～0.725 mg/m3时的占比为77.92%,赤潮水体和非赤潮水体在叶绿素a浓度为0.765～0.815 mg/m3时的占比分别为88.44%和22.07%;赤潮水体在叶绿素a浓度为0.865～0.915 mg/m3时的占比为10.32%,且在叶绿素a浓度高于0.915 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浓度比非赤潮水体高0.090 mg/m3。

2021年2月23日陵水湾:非赤潮水体在叶绿素a浓度为0.475～0.525 mg/m3时的占比最高达92.64%,在叶绿素a浓度为0.425～0.475 mg/m3和0.535～0.585 mg/m3时的占比分别为3.29%和4.06%,在其他叶绿素a浓度范围均没有分布;赤潮水体在叶绿素a浓度为0.535～0.585 mg/m3和0.605～0.655 mg/m3时的占比分别为61.5%和30.71%,在叶绿素a浓度高于0.655 mg/m3时的占比低于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。

2.2.3 叶绿素a平均浓度

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。

感兴趣区叶绿素a平均浓度/(mg·m-3)赤潮水体 非赤潮水体差值占比/%北部湾2021-02-14 0.570 7 0.503 4 13.37北部湾2021-02-20 0.614 3 0.538 7 14.03茂名近岸2021-02-23 0.814 9 0.740 1 10.11陵水湾2021-02-23 0.604 8 0.496 3 21.86

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%。

2.3 赤潮指数

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,赤潮水体的赤潮指数比非赤潮水体高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-0.075～-0.025时的占比分别为81.91%和81.11%;赤潮水体在赤潮指数为-0.025～0.025、0.025～0.075和0.075～0.275时的占比分别为15.61%、1.38%和低于1%,非赤潮水体在赤潮指数为-0.125～-0.075和-0.025～0.025时的占比分别为17.24%和1.66%且在赤潮指数高于0.175时没有分布。②2021年2月20日北部湾海域非赤潮水体在赤潮指数为-0.075～-0.025时的占比高达99.99%,赤潮水体在赤潮指数为-0.075～-0.025和-0.025～0.025时的占比分别为26.15%和70.58%。③2021年2月23日茂名近岸海域赤潮水体和非赤潮水体在赤潮指数为0.025～0.075时的占比分别为98.11%和93.08%,非赤潮水体在赤潮指数为-0.025～0.025时的占比为6.92%,赤潮水体在赤潮指数为0.075～0.125时的占比为1.81%。④2021年2月23日陵水湾海域非赤潮水体在赤潮指数为-0.075～-0.025时的占比最高达96.42%,在赤潮指数为-0.125～0.075时的占比为3.58%,在其他赤潮指数范围没有分布;赤潮水体在赤潮指数为-0.075～-0.025、-0.025～0.025、0.025～0.075和0.075～0.275时的占比分别为57.53%、38.78%、2.09%和低于0.08%。

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。

感兴趣区平均赤潮指数赤潮水体 非赤潮水体差值占比/%北部湾2021-02-14 -0.036 9 -0.065 3 43.49北部湾2021-02-20-0.014 8 -0.048 1 69.23茂名近岸2021-02-23 0.054 1 0.031 4 72.29陵水湾2021-02-23 -0.023 5 -0.062 3 62.28

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。