黄海绿潮应急预测系统业务化研究与应用

国家海洋局北海预报中心基于三维全动力POM海洋模式,利用TERRA/AQUA-MODIS、SARCOSMO-1/COSMO-2和HY-1B卫星、航空、船舶、岸基等多源、多时相监测数据,建设了集黄海绿潮监测、信息提取与融合、数据收集、预测预警及产品发布等功能于一体的综合业务化系统,在绿潮应急期间向政府及相关部门及时提供绿潮相关信息,为政府及相关部门防灾减灾工作提供了大力的技术指导,为及时启动应急预案提供了依据。为黄海及周边地区海洋经济社会的发展和《山东半岛蓝色经济区发展规划》的顺利实施都具有重要作用。     

基于VB-FAH指数的黄海绿潮遥感监测及对比研究

目前绿潮遥感监测手段大多基于单一遥感数据,局限性很大,为了弥补监测中空间分辨率和时间分辨率低的问题,基于多源遥感数据,结合虚拟基线高度浮藻指数VB-FAH(virtual-baseline floating macro Algae height)和人工辅助判读方法,对2015—2016年黄海发生的绿潮(大型绿藻——浒苔(Ulva prolifera))进行了动态监测,并利用两景同步影像比较了高分一号卫星WFV(GF-1 WFV)数据和资源一号04星WFI(CBERS-04 WFI)数据的监测结果,同时也对卫星影像监测和船载监测结果进行了比较。结果表明:CBERS-04 WFI数据的监测结果与GF-1 WFV数据相比产生了15.3%~37.32%的相对偏差,主要原因是空间分辨率的差异导致的混合像元效应。对卫星影像监测结果与船测数据进行叠加对比,可以发现在Ⅲ级以上的绿潮数量级中卫星影像的监测精度较高。绿潮暴发的过程持续100 d左右,4月底—5月初绿潮开始在苏北浅滩浊水区出现,随着外界因素逐渐达到适宜生长的条件,绿潮不断生长直至暴发,并随黄海表层流向北漂移,直至山东半岛南部沿岸,7月份和8月份是绿潮的消亡阶段,8月中旬绿潮基本消亡。本研究成果提高了监测精度,可为绿潮的防控提供有效的信息支持。     

基于变分水平集方法的浒苔绿潮面积信息提取

绿潮面积信息提取是绿潮遥感监测中极其重要的环节,其结果将直接影响后续的统计分析和预测预警工作。目前科研人员一般基于传统阈值方法对绿潮面积信息进行提取,其提取结果具有不稳定、效率低、人为因素影响大等缺点。针对上述问题,本文基于变分水平集的对偶方法和分裂Bregman投影方法对绿潮面积信息进行了提取,并提出一种对上述两种方法提取出的绿潮面积信息结果进行量化的新方法。分别基于传统阈值方法、变分水平集的对偶方法和分裂Bregman投影方法进行了3幅影像的绿潮信息提取实验,对提取结果进行了比对分析。实验结果表明,对分辨率较高的卫星遥感数据,无论从运行效率还是从绿潮面积信息提取结果的精确性及稳定性上,基于变分水平集的对偶方法和分裂Bregman投影方法均优于基于传统阈值方法。     

黄海绿潮发生过程监测

本文综合采用船舶和MODIS-TERRA卫星遥感监测手段对2015年绿潮发生过程进行全程监视,并系统地调查了南黄海绿潮藻显微繁殖体分布情况。船舶监测结果显示,4月份,零星漂浮状绿潮藻在南黄海如东海域首次出现,组成种类包括浒苔(U.prolifera)、曲浒苔(U.flexuosa)和缘管浒苔(U.linza),之后,绿潮逐步呈现块状分布和大规模带状分布特征,同时逐步向大丰、射阳和滨海等黄海中部海域漂移,并且漂移过程中绿潮藻种类逐渐减少,射阳与滨海未发现除浒苔(U.prolifera)外的其他绿潮藻。卫星遥感监测结果与船舶监测相类似,5月19日,卫星遥感首次在盐城近岸海域监测到小规模漂浮绿潮,之后绿潮分布面积与覆盖面积迅速增大,并向北漂移至山东半岛近岸,覆盖与分布面积峰值分别为594 km~2和52700km~2;直至7月中下旬,绿潮逐渐消亡。南黄海显微繁殖体分布特征与绿潮漂移轨迹相吻合,且3-7月份南黄海显微繁殖体均由浒苔(U.prolifera)、曲浒苔(U.flexuosa)和缘管浒苔(U.linza)组成,3月至5月份,显微繁殖体核心密集区主要分布在南黄海江苏近岸海域的辐射沙洲区域,其分布峰值高达960 ind·L~(-1);随着绿潮向北漂移,6月份显微繁殖体核心密集区亦逐步向北移动,于射阳海域达到峰值(308 ind·L~(-1))。本研究较为清楚地描述了黄海绿潮年度发生过程,为进一步揭示黄海绿潮快速暴发机制和周期性规律提供基础。     

深圳市海岸带土地利用遥感监测方法探索

随着遥感对地观测技术的发展,卫星遥感在海岸带动态监测中占据愈来愈重要的地位,探索海岸带遥感监测的最佳方法,对今后的海岸带监测工作有重要的意义。文章从数据源、信息提取方法、监测频率这3个维度出发,选择深圳市两个典型的海岸带区域(人类活动频繁区域和人类活动稀少区域)作为研究区,针对两种海岸带区域寻求其海岸带土地利用遥感监测的最佳方法。研究结果表明:对于人类活动频繁区域(深圳湾北岸),数据源最好选择高分辨率ZY-3卫星影像,土地利用信息提取方法选择支持向量机分类,监测周期1~2年为最佳;对于人类活动稀少区域(大鹏湾东岸),数据源则可以选择分辨率较低的Landsat 8卫星影像,土地利用信息提取方法依然以支持向量机分类方法为最佳,监测周期则为5年。     

江苏重点海域绿潮漂移扩散数值模拟

江苏海域是绿潮灾害的多发海域,本文利用MIKE3模型建立了江苏辐射沙洲重点海域三维水动力模型,并采用实测资料对模型进行验证和率定;在水动力模型的基础上建立绿潮漂移扩散模型,对江苏海域绿潮漂移路径进行了模拟并与卫星遥感监测的结果进行对比。对比结果表明,模型24 h和48 h模拟结果与卫星遥感图像分析结果较吻合,模型能为江苏海域绿潮的预警预报提供一定参考。     

Arcgis矢量图层符号化方法在绿潮分布显示中的应用

在绿潮卫星遥感业务化监测中,技术人员首先对绿潮卫星遥感影像进行解译,相关部门以解译结果作为参考制定绿潮处置决策。然而传统的绿潮解译结果仅显示绿潮的分布范围,在绿潮的密集度方面没有体现,导致无法判断海上绿潮分布的实际情况,为绿潮处置决策增加了难度,而目前鲜有学者对绿潮分布显示做相关研究。Arcgis矢量图层符号化方法是把符号化方案应用到目标图层上,文章运用该方法将绿潮斑块图层密集程度可视化,提高对绿潮灾害目视判读的合理性。     

天津海域遥感图像解译应用系统

在对多源遥感数据处理、地物特征识别与解译、专题信息提取等方法研究的基础上,开发了天津海域遥感图像解译应用系统,并在天津市海岸线和海岸带变化监测、海域环境遥感监测等方面进行了示范应用;系统对提高海洋管理工作的科学性和信息的时效性,具有重要的理论和应用价值。     

黄海绿潮应急漂移数值模拟

基于三维全动力POM海洋模式,利用2008～2009年黄海绿潮多源实测和监测数据,考虑奥帆赛场附近海域围油栏和流网等障碍物的阻拦作用,利用拉格朗日粒子追踪方法对绿潮的漂移轨迹进行应急预测,为政府相关部门了解绿潮的漂移轨迹,并采取相应的措施提供有力可靠的依据.通过黄海绿潮漂移轨迹和海流数值模拟结果初步分析,发现两者存在密...     

浒苔灾害卫星遥感应急监视监测系统及其应用

2008年夏季黄海、东海突发的罕见的浒苔自然灾害直接危及青岛近海环境和2008北京奥运会青岛帆船比赛的举办,国家卫星海洋应用中心按应急与业务运行兼容需求,在"HY-1"卫星地面应用系统、国家MODIS数据共享平台、海上溢油卫星遥感系统等基础上及时构建了浒苔灾害卫星遥感应急监视监测系统,利用国内外有限的17颗遥感卫星数据,实现了对此次浒苔灾害的大范围、全天候、全天时、多频次、多角度动态监测,及时得到了全面、准确、客观的信息,为国家海洋局应对浒苔自然灾害前线指挥部应急响应、决策指挥提供了有力、有序、有效的技术支持。主要描述应急监视监测系统的构建、运行和应用,为今后海洋灾害突发事件的应急提供参考和经验积累。     

HY-1C卫星CZI载荷的黄海绿潮提取研究

海洋一号C（HY-1C）卫星是中国首颗海洋水色业务卫星,其搭载的海岸带成像仪（CZI）在近海海洋环境监测中正发挥越来越重要的作用;随着搭载有相同传感器的HY-1D卫星发射,双星组网观测,可形成3天2次的高频次、大范围对海观测能力,在海洋漂浮藻类、海洋溢油等目标探测方面具备优异的效能。高空间分辨率光学数据中包含了丰富的海洋环境信息,给特定目标的识别提取带来一定干扰。本研究面向HY-1C卫星CZI载荷开展中国近海漂浮藻类识别提取的业务化应用需求,发展基于藻类缩放指数与虚拟基线高度融合的海洋漂浮藻类识别提取算法,算法优选适用于无短波红外波段国产数据的虚拟基线高度指数来增强藻类信号,通过藻类缩放指数滑动窗口运算,有效剔除高空间分辨率光学数据中的复杂干扰信息,实现了基于CZI数据的海洋漂浮藻类高精度提取,且具有较好的计算运行效率。此外,结合准同步高分卫星16 m多光谱数据,开展CZI数据含藻像元的不确定性分析,发现CZI数据反演结果对近海小斑块漂浮藻类存在不可忽视的高估现象。研究还指出,光学数据用于漂浮藻类监测,其不确定性不仅来源于传感器的空间分辨率差异,还与海洋漂浮藻类形态特征的空间分异性有关。明晰海洋漂浮藻类的形态学空间分异特征,将有助于提高光学数据反演结果的精度,并阐明不确定性。     

基于SVM方法的航空高光谱赤潮信息提取与分析

从仪器到外业数据采集再到内业数据处理,较全面的阐述了航空高光谱赤潮监测的工作流程,并着重讨论了航空高光谱赤潮信息提取这一关键技术.采用专门针对小样本高维度的支持向量机模式识别方法,以2013年7月4日浙江舟山东福山赤潮高光谱数据为例,通过采集7个点位的赤潮海水和正常海水波谱曲线,研究分析赤潮海水的差异性特征,开展赤潮信息提取技术的研究,并对相同样本不同的提取方法进行了对比,通过分析,进一步证明了支持向量机方法的准确性和优越性.航空高光谱赤潮信息提取技术的研究可为航空赤潮业务化监测提供必要的技术基础.     

基于数据挖掘的GF-1 遥感影像绿潮自适应阈值分区智能检测方法研究

由于受到云雾的影响，可见光影像能够高效用于绿潮检测的数据源较为有限，特别是云覆盖较为严重的可见光影像，基本无法用于检测绿潮。即使影像数据是在薄云、薄雾、无云覆盖的情况下获取的，由于其光谱反射值存在较大差异，依然很难采用同一阈值进行绿潮检测。基于此，为了提高可见光影像的利用率，实现不同云覆盖情况下，绿潮的高精度自适应阈值的自动检测，本文以GF-1影像为数据源，首先采用K-means聚类和C4.5决策树方法实现影像云覆盖情况的自动识别；其次，选取大量不同云覆盖情况下子图像样本（每个子图像样本中均包含绿潮和海水两类），分析得出不同云覆盖情况下绿潮和海水的区分阈值y与影像光谱差x=band_nir-band_red之间所具有的线性关系；然后，利用分析得出的线性关系提出一种适用于GF-1影像的绿潮分区自适应阈值自动检测方法。最后，为验证提出方法的有效性，分别采用NDVI方法、EVI方法和本文提出的自适应阈值自动检测方法进行绿潮提取实验。实验结果表明，对于GF-1卫星遥感数据，本文提出的绿潮自适应阈值分区自动检测方法明显优于传统的NDVI和EVI检测方法，不仅提高了绿潮的监测精度，而且实现了绿潮提取的全自动化。     

东海赤潮遥感自动监测系统开发与应用

赤潮是最严重的海洋灾害之一,它不仅破坏海洋渔业生产、恶化海洋环境、影响滨海旅游业,而且还会影响人类健康。卫星遥感技术具有覆盖范围广、重复率高、成本低廉等优势,近年来已成为赤潮监测不可或缺的重要手段。本研究利用C++语言建立了一套赤潮遥感监测系统。该系统能自动接收和处理遥感数据,并利用赤潮水体的光谱和固有光学量特征自动提取赤潮信息。在实际业务化应用中,该系统被国家监测部门采用,在2013年4月至9月东海赤潮高发期间,该系统制作了55期赤潮遥感监测产品,用于指导船舶现场监测工作,取得了良好的应用效果。利用本系统对近年来东海发生的27次大型赤潮事件进行了发生位置和面积的提取,并与现场观测结果进行比较。结果显示,系统对大部分赤潮范围的识别有较好的效果,对赤潮识别准确度大概在80%左右。     

上海示范区卫星遥感海洋环境监测系统

上海示范区卫星遥感海洋环境监测系统是一套以地面卫星接收系统为基础、应用于上海示范区的海洋遥感环境监测应用系统。在发展相关遥感信息提取技术及资料同化技术的基础上，建立了完善可靠、可业务化运转的反演方法以及数值模式，提供海洋环境基本要素场的信息产品。该系统基于Windows95／98／NT平台，使用第四代软件开发语言IDL结合FORTRAN、C 开发，使用NetCDF数据存储格式。模式先进、功能强大、使用灵活、操作方便、系统稳定，是一个优秀的业务化海洋环境要素应用软件。     

基于高分四号卫星的黄海绿潮漂移速度提取研究

静止轨道卫星高分四号（GF-4）具有高时间分辨率（20 s）和高空间分辨率（50 m）的独特优势。为了挖掘GF-4卫星在海洋灾害监测中的应用潜力，本文基于2016年6月25日1天4景的GF-4卫星影像，利用最大相关系数法（MCC），开展了黄海绿潮漂移速度提取研究，分析了海面风场、潮汐等对绿潮漂移的影响。研究发现:（1）MCC方法可高精度自动追踪GF-4影像中绿潮的分钟级（8~9 min）位置变化，绿潮漂移速率和方向的相对偏差分别为11%和5%；当2景GF-4影像的成像时间间隔增大至小时级（如6 h）时，随着绿潮斑块形状的改变，MCC方法绿潮自动追踪的准确性下降。（2）绿潮在1天之中的漂移速率和方向可发生显著变化，当日上午9时黄海绿潮漂移速率均值为（0.36±0.13）m/s，方向以东南向为主，至15时，绿潮漂移速率显著增加至（0.69±0.12）m/s，方向变为东北偏北。（3）绿潮漂移速度与海面风速的相关系数为0.74，绿潮漂移方向为风向偏右；绿潮的向岸、离岸运动与相应时刻的涨、落潮具有较好的对应关系。GF-4卫星数据可为绿潮快速漂移的高精度监测提供数据支撑。     

HY-1卫星CCD遥感器海岸带动态监测应用示范系统开发

2002年5月15日，中国成功地发射了第一颗海洋探测卫星——HY-1卫星。该卫星有效载荷中的CCD相机可以获得海陆相互作用区域的高分辨率图像，是我国海岸带地区进行遥感动态监测的一种有效而经济的手段。针对该遥感器建设的海岸带动态监测应用示范系统是国家卫星海洋应用中心HY-1卫星地面应用系统建设的一部分，现已初步投入业务运行。论述了该系统的设计与开发，并通过个例实验验证了该系统的可操作性和实用性，探索了HY-1卫星CCD遥感信息在海岸带监测中的应用潜力，也为类似系统开发起到了示范作用。     

基于多源卫星数据的南海油气井平台遥感提取方法研究——以湄公盆地周边海域为例

文章以湄公盆地周边海域为研究区,利用遥感技术手段,综合多时相、多源卫星数据,探讨不同数据源海上油气井平台提取方法。本次研究,首先基于1992—2018年27景多时相夜间灯光数据和2019年两期SAR数据,分别采用高斯滤波法和双参数CFAR法,实现了全区域油气井平台的自动化提取;然后,针对有确定性资料辅助判定的区域,采用人工目视解译的方法,对长时间序列Landsat-8 OLI及YG24号光学卫星影像进行提取,并将解译结果作为标准数据,用于验证前两种自动提取方法的精度。结果表明：夜间灯光影像数据易获取、成本低,提取方法简单,而SAR影像提取结果的精度高、流程烦琐,建议根据多源卫星数据的特点相互结合,实现快速、高效、精确的信息提取,应用于海上油气井平台监测。