基于MODIS數(shù)據(jù)的5種植被指數(shù)對(duì)不同生長(zhǎng)階段綠潮的探測(cè)能力對(duì)比及應(yīng)用＊

王 寧，黃 娟，崔廷偉，肖艷芳，蔡曉晴，辛 蕾

(1．山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061;2．國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島266061;3．國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061)

“綠潮”(green tide)是指海洋中大型藻類大量增殖的一種現(xiàn)象。2008年以來(lái)，我國(guó)黃、東海連年爆發(fā)以滸苔為主要藻種的綠潮災(zāi)害，對(duì)我國(guó)近海生態(tài)環(huán)境、海上生產(chǎn)、旅游觀光等活動(dòng)造成較為嚴(yán)重的影響?？焖佟?zhǔn)確地獲取海上綠潮分布狀況，是綠潮災(zāi)害應(yīng)急處置的迫切要求，也是歷年綠潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治的首要任務(wù)。MODIS數(shù)據(jù)光譜信息豐富、覆蓋面積大、每天可免費(fèi)獲得至少一景可用數(shù)據(jù)，是大范圍綠潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)的有效手段［1，2］。

綠潮的光譜特征與陸地健康植被相似，因此，綠潮的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)工作大多沿用陸地植被監(jiān)測(cè)常用的NDVI、EVI、RVI等植被指數(shù)［3-14］，但有關(guān)這些指數(shù)對(duì)綠潮，尤其是對(duì)不同生長(zhǎng)階段綠潮的探測(cè)能力方面的研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。僅蔡曉晴等［15］針對(duì)GOCI數(shù)據(jù)評(píng)估了RVI、NDVI、EVI、FAI、NDAI、IGAG等指數(shù)的綠潮探測(cè)能力，他們的研究認(rèn)為，NDVI是GOCI綠潮遙感監(jiān)測(cè)的首選算法。在目前的綠潮業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)工作中，MODIS是主要的數(shù)據(jù)源，其波段設(shè)置與GOCI存在較大差異，上述研究結(jié)論不能簡(jiǎn)單照搬。

因此，本文針對(duì)綠潮業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的需要，首先根據(jù)歷年綠潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，將綠潮的生消過(guò)程分為發(fā)生、發(fā)展和消亡三個(gè)階段;然后基于MODIS數(shù)據(jù)對(duì)比分析5種常用的植被指數(shù)(NDVI、EVI、ARVI、RVI和DVI)對(duì)不同生長(zhǎng)階段綠潮的探測(cè)能力;最后利用最優(yōu)算法開(kāi)展2014年黃海綠潮的過(guò)程監(jiān)測(cè)，并與歷年監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 數(shù)據(jù)和方法

1．1 數(shù)據(jù)源

選用2011至2014年黃海綠潮期間晴好天氣條件下的7景MODIS數(shù)據(jù)，其中，2景處于綠潮發(fā)生階段，2景處于綠潮發(fā)展階段，3景處于綠潮消亡階段。數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 選取的7景MODIS影像的基本信息Tab．1 Selected basic information of 7 MODISimages

1．2 研究方法

1．2．1 植被指數(shù)

本文對(duì)比分析了5種傳統(tǒng)植被指數(shù)的綠潮探測(cè)能力，分別是歸一化植被指數(shù)(NDVI)、增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)、大氣阻抗植被指數(shù)(ARVI)、比值植被指數(shù)(RVI)和差值植被指數(shù)(DVI)。

其中，ρNIR、ρRED和ρBLUE分別代表近紅外波段、紅光波段和藍(lán)光波段的反射率。

1．2．2 樣本選取

基于MODIS假彩色合成影像(Red:Band1;Green:Band2;Blue:Band1)，從綠潮不同發(fā)展階段的數(shù)據(jù)中，選擇綠潮特征最為明顯的像元作為綠潮樣本，選擇開(kāi)闊且均勻的海水像元作為海水樣本。在樣本選取時(shí)，確保每景影像中選取的綠潮和海水樣本數(shù)目相同，且在空間上均勻分布(見(jiàn)表2)。

以2013年6月20日影像為例(如圖1)。圖中海域內(nèi)綠色部分為綠潮，紅框?yàn)榫G潮樣本選取區(qū)域，藍(lán)框?yàn)楹Ｋ畼颖具x取區(qū)域。

圖1 2013年6月20日MODIS假彩色合成影像及選擇的綠潮、海水樣本Fig．1 MODISfalse color composite image and green tide，sea water samples on June 20，2013

表2 從7景影像中選取的樣本像元數(shù)Tab．2 Sample pixel number of the selected 7 images

1．3 綠潮探測(cè)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)綠潮信息提取最主要的是區(qū)分綠潮和海水兩類地物，因此，借鑒模式識(shí)別領(lǐng)域用來(lái)區(qū)分兩類樣本的“類間距”概念［16］來(lái)評(píng)判不同植被指數(shù)對(duì)綠潮、海水的區(qū)分能力:

2 結(jié)果與討論

2．1 植被指數(shù)探測(cè)能力評(píng)價(jià)

基于所選取的綠潮和海水樣本，利用5種常用植被指數(shù)計(jì)算兩類樣本的距離，結(jié)果如圖2所示。

圖2 植被指數(shù)探測(cè)能力比較Fig．2 Detection capability comparison of 5 vegetation indices

由圖可知，在綠潮發(fā)生、發(fā)展和消亡階段，綠潮與海水兩類樣本距離最大的均為NDVI植被指數(shù)。其中，在綠潮發(fā)生和消亡階段，NDVI植被指數(shù)的類間距略大于其它四種植被指數(shù);在綠潮發(fā)展階段，NDVI植被指數(shù)的類間距遠(yuǎn)大于其它四種植被指數(shù)。另外，從類間距值來(lái)看，NDVI植被指數(shù)的類間距在綠潮的發(fā)生和消亡階段較小，在發(fā)展階段較大，說(shuō)明利用NDVI指數(shù)可以很容易地識(shí)別處于發(fā)展階段的綠潮。而其他指數(shù)的類間距并沒(méi)有表現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)。

綜上，與ARVI、EVI、RVI、DVI算法相比，NDVI在MODIS數(shù)據(jù)探測(cè)綠潮方面的能力最強(qiáng)、最穩(wěn)定，是綠潮業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)的首選算法。

2．2 2014年黃海綠潮過(guò)程分析

基于MODIS數(shù)據(jù)，利用NDVI植被指數(shù)算法開(kāi)展2014年黃海綠潮過(guò)程監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析了綠潮分布面積(影響海域面積)和覆蓋面積(實(shí)際覆蓋海域面積)，并與歷年監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖3 綠潮解譯結(jié)果Fig．3 Green tide interpretation chart

圖3給出了2014年黃海綠潮的漂移擴(kuò)散情況。綠潮最早出現(xiàn)在鹽城附近海域，綠潮密集區(qū)先向東北漂移，然后向西北漂移，最后轉(zhuǎn)向東北方向漂移。

圖4 綠潮分布面積和覆蓋面積變化趨勢(shì)圖Fig．4 The green tide distribution and coverage trend chart

圖4給出了2014年綠潮期間綠潮的覆蓋面積和分布面積情況。2014年黃海綠潮的生消過(guò)程共計(jì)85天。覆蓋面積和分布面積總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。5月12日首次監(jiān)測(cè)到綠潮，覆蓋面積為9平方公里，分布面積為2 600平方公里。隨后綠潮的覆蓋面積和分布面積不斷增大，7月3日覆蓋面積最大，為540平方公里;7月14日，分布面積最大，為50 000平方公里。8月12日，綠潮覆蓋面積減少至7平方公里，分布面積減少至700平方公里。

結(jié)合歷年綠潮監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析了2008～2014年綠潮最大覆蓋面積、最大分布面積及其出現(xiàn)時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表3。與歷年綠潮監(jiān)測(cè)結(jié)果相比［17，18］，2014年黃海綠潮覆蓋面積較小，但分布面積較大，說(shuō)明有較大面積的海域受到綠潮災(zāi)害的影響;最大分布面積出現(xiàn)的時(shí)間與2010年和2011年相當(dāng)。

表3 黃海綠潮監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)(2008-2014)Tab．3 Statistics of the green tide in the Yellow Sea(2008-2014)

3 結(jié)論

本文選取晴好天氣條件下的MODIS數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了常用的5種植被指數(shù)算法(NDVI、ARVI、EVI、RVI、DVI)對(duì)綠潮的發(fā)生、發(fā)展、消亡等各個(gè)階段的探測(cè)能力，將最優(yōu)算法應(yīng)用在2014年綠潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)工作中。主要結(jié)論為:

1．探測(cè)綠潮能力最強(qiáng)、最穩(wěn)定的算法為NDVI植被指數(shù)，可將其作為綠潮MODIS衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)首選算法;

2．2014年黃海綠潮生消過(guò)程共計(jì)85天，綠潮密集區(qū)先向東北漂移，然后向西北漂移，最后轉(zhuǎn)向東北方向漂移。最大覆蓋面積為540 km2，最大分布面積50 000 km2;與歷年監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，2014年黃海綠潮覆蓋面積較小，但分布面積較大。

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