基于多波段差值比值法的秦皇島海域赤潮監(jiān)測(cè)方法

卞明明 宋金玲 王蕾 李瑞東

摘 要：為了解秦皇島海域赤潮的發(fā)生情況，通過(guò)利用預(yù)處理后的MODIS遙感數(shù)據(jù)，針對(duì)單波段比值法的不足，提出了多波段差值比值法來(lái)提取赤潮信息，并對(duì)兩種方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明多波段差值比值法提取的位置及面積與事實(shí)更加相符，說(shuō)明該方法更適合秦皇島海域的赤潮監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：秦皇島海域;MODIS;單波段比值法;多波段差值比值法

隨著近岸二類水體中赤潮的頻繁發(fā)生，海洋生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，影響了當(dāng)?shù)氐穆糜螛I(yè)、水產(chǎn)資源、漁業(yè)收益。其中有毒赤潮的發(fā)生也在逐年增多，加重影響了海洋生物、海洋漁業(yè)的生產(chǎn)和人類健康安全。近年來(lái)秦皇島海域赤潮發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都呈上升趨勢(shì)。根據(jù)2005年至2017年的秦皇島市海洋環(huán)境公報(bào)顯示[1]，秦皇島海域共發(fā)生49起赤潮現(xiàn)象，其中大型面積（大于100 km2）高達(dá)11起，累計(jì)面積13 323.5 km2。

遙感技術(shù)觀測(cè)系統(tǒng)可多角度、全方位和全天候?qū)Ｃ媲闆r進(jìn)行監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確、有效、快速及時(shí)地提供多種空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)[2]。本文主要利用預(yù)處理后的MODIS遙感數(shù)據(jù)，對(duì)單波段比值法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上，提出了新的多波段比值來(lái)提取赤潮信息的方法，對(duì)秦皇達(dá)海域2009年6月24日的赤潮進(jìn)行了成功提取。

1 MODIS數(shù)據(jù)

MODIS是搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀，1999年12月18日，美國(guó)國(guó)家航空局發(fā)射了Terra，后來(lái)在2002年的4月份Aqua衛(wèi)星也升上太空。Terra和Aqua衛(wèi)星都是太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星，Terra的過(guò)境時(shí)間為每日上午，而Aqua的過(guò)境為每日的下午，再加上晚上的過(guò)境數(shù)據(jù)。Terra與Aqua上的MODIS數(shù)據(jù)在時(shí)間更新頻率上得到了互補(bǔ)，這樣可以保證兩個(gè)衛(wèi)星在數(shù)據(jù)采集方面展現(xiàn)出它的融合性和延展性，對(duì)于接收MODIS數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，可以得到每日四次更新數(shù)據(jù)①。這樣的數(shù)據(jù)更新頻率以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，更有利于實(shí)時(shí)地球觀測(cè)和應(yīng)急處理。MODIS傳感器設(shè)有36個(gè)通道，可用于大氣、陸地和海洋的觀測(cè)。通道設(shè)置如表1[3]所示。

MODIS的第1～2通道空間分辨率為250 m，第3～7通道空間分辨率為500 m，第8～36通道空間分辨率為1 000 m，掃描寬度達(dá)2 330 km。MODIS較高的光譜分辨率和時(shí)間分辨率對(duì)于赤潮的監(jiān)測(cè)具有重大作用。本文主要是利用的是MODIS 1B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)。

2 基于MODIS影像的赤潮監(jiān)測(cè)方法

2.1 赤潮水體的光譜特性

通過(guò)對(duì)赤潮水體與非赤潮水體的光譜特性曲線對(duì)比圖（圖1）的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，赤潮水體的反射率比較低，而非赤潮水體反射率高于赤潮水體。赤潮水體表現(xiàn)出兩個(gè)明顯吸收峰和兩個(gè)明顯反射峰，而正常海水則是單峰。

赤潮水體在440～460 nm的藍(lán)光波段形成了吸收峰，這是由于葉綠素和黃色物質(zhì)的強(qiáng)烈吸收，但它的吸收峰并不很明顯;另一個(gè)吸收峰則出現(xiàn)在650～670 nm的紅光波段，在這波段范圍出現(xiàn)吸收峰是因?yàn)槿~綠素的吸收，兩個(gè)吸收峰的大小與水體中葉綠素a的濃度有直接的關(guān)系，葉綠素a的濃度越大，則吸收峰就越大。而兩個(gè)反射峰，其中一個(gè)在 560～580 nm的綠光波段，此處的反射峰主要是由于水體中浮游植物的強(qiáng)反射所引起的，浮游植物的濃度與反射峰的大小成正比例;一個(gè)由葉綠素?zé)晒饧ぐl(fā)形成的反射峰，它出現(xiàn)在680～710 nm的紅光波段[4-5];非赤潮水體并沒(méi)有這些特征。

赤潮水體的遙感反射率是由于葉綠素a的濃度的提高，浮游植物密度的增大，而表現(xiàn)出紅光波段的輻射量適當(dāng)增大，海水后向散射藍(lán)綠波段的輻射量則明顯減小;非赤潮水體光譜反射率值在紅光波段比較低，而在藍(lán)綠波段相對(duì)較高。

2.2 基于單波段比值的赤潮監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)圖1我們可以看到，赤潮水體與非赤潮水體光譜相比，前者具有比較明顯的吸收峰和反射峰，在衛(wèi)星遙感探測(cè)與研究上，這些特征會(huì)使相應(yīng)的波段在離水輻射率方面表現(xiàn)出不同程度的增強(qiáng)或減弱，而非赤潮水體變化不是很明顯[6]。因此，我們可以根據(jù)赤潮水體的這個(gè)特性來(lái)判定赤潮是否發(fā)生。

赤潮水體的吸收信息由MODIS第3通道 （459～479 nm）遙感信息提供，赤潮水體的反射信息則由MODIS第4通道 （545～565 nm）遙感信息提供，所以利用MODIS 通道4與通道3的反射率比建立用于提取海水中赤潮水體的信息，算法如下：

其中：R3是MODIS第3通道的反射率，R4是MODIS和第4通道的反射率，Cr是常數(shù)，Cr的大小與發(fā)生赤潮的區(qū)域和赤潮的藻種有關(guān)。式（1）的比值在一定程度上表明了海水表層浮游藻類的聚集程度，也就是一種反映水體中葉綠素a濃度的體現(xiàn)，水體藻類細(xì)胞密度的增加或減少會(huì)使其也隨之增大或減小。因此，可以根據(jù)上述方法來(lái)提取海水中的赤潮信息（如發(fā)生區(qū)域及發(fā)生面積等）[6]。

根據(jù)選取的2009年6月24日的秦皇島海域MODIS影像圖，通過(guò)對(duì)秦皇島海域（圖中矩形圈出區(qū)域）的DN值（像元值）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)赤潮發(fā)生區(qū)域的DN值較周圍海域明顯偏大且值都在0.9以上，發(fā)現(xiàn)赤潮發(fā)生區(qū)域的DN值較周圍海域明顯偏大且值都在0.9以上[7]，利用Cr>0.9提取的赤潮顯示結(jié)果如圖2所示，其中高亮度顯示的區(qū)域?yàn)槌喑薄?/p>

根據(jù)提取的赤潮區(qū)域進(jìn)行面積計(jì)算后結(jié)果為1 300 km2左右，而據(jù)當(dāng)年的海洋公報(bào)顯示秦皇島海域赤潮面積為1 000 km2，實(shí)際赤潮面積與監(jiān)測(cè)赤潮面積存在較大差距，可能是在提取赤潮過(guò)程中將周邊的沿岸區(qū)域誤判為赤潮發(fā)生區(qū)域，說(shuō)明該方法存在誤判赤潮發(fā)生區(qū)域的缺點(diǎn)。

2.3 基于多波段差值比值的赤潮監(jiān)測(cè)方法

在前面的波段比值法中，MODIS的藍(lán)綠波段反射率比值（通道4與通道3的反射率比）是識(shí)別赤潮的一個(gè)重要指數(shù)，可以對(duì)此進(jìn)行利用，但是只是利用藍(lán)光波段和綠光波段反射率比值方法提取赤潮區(qū)域與實(shí)際的赤潮區(qū)域存在較大差距，因此為了突破單波段比值法的局限性，提高赤潮區(qū)域提取的精確性，我們?cè)诶玫?、4波段比值信息的基礎(chǔ)上，再增加第1波段進(jìn)行赤潮信息識(shí)別，這是因?yàn)镸ODIS遙感數(shù)據(jù)中第1、3、4波段與赤潮相關(guān)性高，融入紅光波段信息有利于提高赤潮的識(shí)別精度[8]。為了和前面的單波段比值法相區(qū)別，我們將新方法稱為多波段差值比值法。