基于浮标观测的东海赤潮高发区秋、冬季漫射衰减系数的反演

浮标测量的光学数据时间序列长、分辨率高, 能可靠地测量快速变化的漫射衰减系数(K_d)。东海赤潮高发区水体中的浮游植物生物量及悬浮泥沙含量存在较大的变化, 光学性质复杂。文章利用2013年9月至2014年1月的海洋光学浮标数据, 获得了该海域水体的表观光学特性, 基于K_d(490)与遥感反射比[R_rs(λ)]的相关关系建立了K_d(490)的经验算法, 并与已有7种反演算法进行了比较。结果表明, 该海域的K_d(λ)及R_rs(λ)具有显著的Ⅱ类水体光谱特征, 其中, K_d(490)的范围为0.01~4.31m^-1, 水体的浑浊程度变化大。K_d(490)与R_rs比值的相关性较好, 据此建立了以R_rs(650)/R_rs(510)、R_rs(555)/R_rs(510)作为自变量的K_d(490)双比值经验算法。将新建算法反演获得的K_d(490)与实测K_d(490)相比, 均方根误差、平均相对误差百分比和线性回归的决定系数分别为0.27m^-1、27.08%和0.77, 优于其他7种算法。算法精度的提高源于新建算法选择的R_rs能充分反映水体信息, 并适应水体组分的变化, 可为东海赤潮高发区K_d(490)的反演提供较好的选择, 并为海洋光学浮标在水体环境监测中的应用提供示例。     

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。     

基于MODIS影像的2016—2017年东海赤潮高发期水体时空分布及其气象控制因子分析

近年来,东海区域赤潮灾害频发,对沿海地区的经济发展和海洋生态环境造成了极大的破坏。本研究基于赤潮暴发年2016—2017年夏季MODIS影像数据,采用半经验多光谱识别算法对东海夏季赤潮暴发期的水体类型分布特征进行反演。结果表明,赤潮高发期东海水体类型从近岸向开阔海域呈现浑浊水体 赤潮水体 混合水体 干净水体的时空分布特征。其中,硅藻和甲藻赤潮水体在空间分布上具有相互演替变化的特征。此外,通过对浙江省近岸的大陈站、石浦站和嵊泗站3个站点的气象因子进行主成分分析发现,气温、风速和天空云量对赤潮的生消演替起着积极的促进作用。     

基于现场调查和MODIS卫星遥感下东海原甲藻主导的混合甲藻赤潮生消规律研究

浙江省南部沿海地区是赤潮灾害事件频发的海区之一。本研究通过现场调查以及利用搭载在极地轨道环境遥感卫星Aqua上的中等分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectro Radiometer,MODIS)传感器数据,研究了2016年5月浙江南部洞头和南麂列岛附近海域东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)主导、夜光藻(Noctiluca scintillans)伴生的混合甲藻赤潮生消特征。结果表明:现场水采浮游植物第一优势种东海原甲藻和网采浮游植物第一优势种夜光藻细胞密度在绝大部分站位超过1.0×10~7个/m~3和1.0×10~5个/m~3、优势度达到0.82和0.34、出现频率则分别为82.46%和98.25%。本次东海原甲藻赤潮具有较为完整的生消周期(生长、维持和消亡阶段),而夜光藻每天细胞密度的变化幅度相对较小,因此难以划分明显的生消阶段。另外,基于MODIS影像,根据赤潮指数(RI 2.8)和硅甲藻赤潮水体分类(干净水体、高浑浊水体、混合水体、东海原甲藻赤潮水体、硅藻赤潮水体),在更宏观的角度显示了本次东海原甲藻为主混合赤潮的生消特征。本次赤潮从洞头海域的东北部开始,其中在5月13日结合现场调查数据,发现东海原甲藻赤潮高峰出现在洞头列岛与南麂列岛附近海域,而后逐步向西南海域近岸发展。因此,在现场调查确定赤潮优势种的基础上结合遥感影像可以为赤潮监测提供更加科学合理的结果。     

珠江口河网水体非光学活性水质参数高光谱反演

以粤港澳大湾区中山市及其邻近水域河网水体为试验区, 同步采集现场光谱及水质数据, 研究受测水体的高光谱反射率特征, 并分析非光学活性参数中化学需氧量(COD_Cr)、总磷(TP)浓度与高光谱反射率的相关性。结果显示, 各河流水体光谱反射率主要受悬浮颗粒物和叶绿素a的影响; 在500~680nm波段范围内, 水体光谱反射率大小与COD_Cr、TP浓度呈负相关关系; 与单波段相比, 特定波段的反射率比值与COD_Cr、TP浓度值的相关性较高, 与COD_Cr、TP浓度值相关性最高的反射率比值波段组合分别为R₆₇₅/R₇₉₄、R₆₉₀/R₈₁₅。选择上述波段组合建立的水质反演模型具有良好的估算精度, 模型估算平均相对误差分别为27.2%、32.1%, 表明高光谱技术在珠江口河网水体非光学活性参数COD_Cr、TP浓度反演上具有较大的应用潜景。     

基于GF-4遥感数据的叶绿素浓度反演算法研究

高分四号(GF-4)遥感卫星数据于2016年6月被正式公布并投入使用,它是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星。其空间、时间上的高分辨率特点使得该卫星在海洋灾害监测方面具有较大的发展潜力。文章基于2009年10月22日的珠江口赤潮水体,建立了一个适应于GF-4波段设置的叶绿素浓度反演算法(决定系数r2=0.90;均方根误差RMSE=0.1)。通过辐射传递方程的数值计算软件Hydrolight模拟数据进行比对,发现该算法具有较好的适用性(r2=0.92;RMSE=0.23)。进一步应用该算法和GF-4卫星遥感数据分析了2016年5月发生在广西的赤潮事件,反演结果与现场调查结果吻合较好。这是国内第一次在广西临近海域使用GF-4遥感数据反演包含赤潮水体的叶绿素浓度分布数据产品,可为海洋文明建设和海洋灾害调查等提供有效的技术支持。     

基于地物光谱的赤潮优势种识别研究

利用2001年获取的不同优势种赤潮水体的现场光谱数据，处理得到了不同优势种赤潮水体的遥感反射率光谱曲线；在此基础上，发展了基于光谱角度制图法(Spectral Angle Mapping，SAM)和互相关光谱匹配法(Cross Correlogram Spectral Mapping，CCSM)的赤潮优势种识别算法。数据实验结果表明，上述两种方法对于实现基于光谱数据的赤潮优势种识别是基本有效的，且CCSM方法的识别结果略优于SAM方法。进一步提高上述方法的适用性在于大量获取不同优势种赤潮的光谱数据并建立赤潮光谱数据库。     

赤潮生物种类特征光谱获取技术

较为系统地研究了赤潮生物水体反射率曲线获取方法，通过对2类反射率反演方法得出的反射率曲线与实际反射率曲线进行比较，得出在不具备大气环境参数的情况下，经验线性法的反演结果与实际反射率曲线最接近的结论，并进一步对正常海水和赤潮生物水体的光谱特性进行分析，提取出赤潮生物水体的特征光谱，这是进行赤潮监测和识别的重要前提。     

赤潮生物种类特征光谱获取技术

较为系统地研究了赤潮生物水体反射率曲线获取方法。通过对 2类反射率反演方法得出的反射率曲线与实际反射率曲线进行比较 ,得出在不具备大气环境参数的情况下 ,经验线性法的反演结果与实际反射率曲线最接近的结论 ,并进一步对正常海水和赤潮生物水体的光谱特性进行分析 ,提取出赤潮生物水体的特征光谱。这是进行赤潮监测和识别的重要前提     

东海海域典型赤潮水体反射光谱模拟研究

东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense Lu)是我国东海海域的典型赤潮藻种,其在水体中通常呈垂直非均匀分布,并存在季节性和日内的垂直迁移现象。本文通过量化垂直迁移过程中东海原甲藻的分布状态,利用Hydrolight软件数值模拟各状态下的水体反射光谱,研究其光谱特征和变化规律。利用叶绿素浓度高斯垂向模型表征东海原甲藻在水体中的垂直分布,结合东海近岸海域二类水体的生物光学模型,模拟得到垂直迁移过程中东海原甲藻赤潮水体的反射光谱。对比分析叶绿素浓度垂向分布参数(背景叶绿素浓度、甲藻主体水层厚度、水体总生物量和叶绿素浓度峰值深度)对水体反射光谱的影响。研究结果表明,在东海原甲藻从次表层向表层垂直向上迁移过程中,水体反射光谱数值在蓝绿波段(400—570nm)减小,在黄红波段(570—720nm)增大,特别是在叶绿素荧光效应波段(680nm)处的变化尤为明显。     

<Emphasis Type="Italic">Cochlodinium polykrikoides</Emphasis> red tide detection in the South Sea of Korea using spectral classification of MODIS data

To distinguish true red tide water (particularly Cochlodinium polykrikoides blooms) from non-red tide water (false satellite high chlorophyll water) in the South Sea of Korea, we developed a systematic classification method using spectral information from MODIS level products and applied it to five different harmful algal bloom events. Red tide and nonred tide waters were classified based on four different criteria. The first step revealed that the radiance peaks of potential red tide water occurred at 555 and 678 nm. The second step separated optically different waters that were influenced by relatively low and high contributions of colored dissolved organic matter (CDOM) (including detritus) to chlorophyll. The third and fourth steps discriminated red tide water from non-red tide water based on the blue-to-green ratio in areas with lower and higher contributions of CDOM to chlorophyll, respectively. After applying the red tide classification (using the four criteria), the spectral response of the red tide water, which is influenced by pigment concentration, showed different slopes for the blue and green bands (lower slope at blue bands and higher slope at green bands). The opposite result was found for non-red tide water, due to decreasing phytoplankton absorption and increasing detritus/CDOM absorption at blue bands. The results were well matched with the discoloration of water (blue to dark red/brown) and delineated the areal coverage of C. polykrikoides blooms, revealing the nature of spatial and temporal variations in red tides. This simple spectral classification method led to increase user accuracy for C. polykrikoides and non-red tide blooms (>46% and >97%) and provided a more reliable and robust identification of red tides over a wide range of oceanic environments than was possible using chlorophyll a concentration, chlorophyll anomaly, fluorescence analysis, or proposed red tide detection algorithms.     

基于Landsat 8影像的黄河口悬浮物质量浓度遥感反演

悬浮物质量浓度是黄河口海域重要的水质和水环境监测参数之一,直接影响着水面以下光场的分布,进而影响水体的初级生产力和水域生态环境。本文基于2011年6—7月和11—12月共计89组现场实测悬浮物质量浓度和光谱数据,分析了黄河口及其附近海域不同悬浮物质量浓度的水体光谱特征,尝试利用多种波段组合建立悬浮物质量浓度遥感反演算法。结果表明865 nm波段与波段比655 nm/560 nm组合形式算法反演结果最优,算法相关系数R²为0.95,平均相对误差为25.65%。将算法应用于2014—2016年共7景Landsat 8 OLI遥感影像,分析了不同年份黄河口悬浮物质量浓度的时空分布特征,黄河口海域悬浮物质量浓度分布总体呈现近岸高,离岸低的特点,不同时期悬浮物质量浓度量值上有显著变化。     

基于背景场的一种新的赤潮监测算法

Remote sensing has been proven to be an effective means of monitoring red tides. The spectral information is an important basis for establishing a model to monitor red tides. The spectral curves of red tide events are analyzed and compared with multiyear monthly averaged spectral curves based on MODIS data from July 2002 to June 2012, as well as spectral differences at the same location during red tide presence and absence. A red tide monitoring algorithm is developed based on the background field to extract the red tide information of the East China Sea （ECS）. With the application of the algorithm in the ECS, the results reveal that the developed model can effectively determine the location of red tides, with good correspondence to the results from an official bulletin. This demonstrates that the algorithm can effectively extract the red tide information.     

中国海洋生态环境特征分析

随着社会不断地发展，资源需求不断增加，海洋生态环境污染日益严重的问题开始逐渐显现出来。文章对近18年的相关数据进行计算研究，从水体质量、富营养化、赤潮情况等方面对我国海洋水体环境进行了分析，指出虽然我国四大海区水质问题逐年改善，但南海的近岸污染问题、东海和渤海的赤潮问题等仍需加以重视。文章的大量数据分析为我国建立更符合国情的海洋生态环境治理决策提供了参考。     

基于海洋一号D卫星海岸带成像仪的赤潮遥感监测特征

为进一步加强对赤潮等海洋生态灾害的动态监测,科学支撑海洋防灾减灾工作,文章基于海洋一号D卫星搭载的海岸带成像仪数据,选取北部湾、茂名近岸和陵水湾为研究区域,分析2021年2月发生的4例赤潮事件的遥感影像、叶绿素a浓度和赤潮指数特征。研究结果表明：遥感影像可清晰呈现赤潮分布状况,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。     

东海近海赤潮水体中酯酶活性测定及其意义

测试了东海正常海水与赤潮暴发时水体中的酯酶浓度，初步研究了营养盐的变化与酯酶浓度及其赤潮暴发的关系，发现赤潮暴发时水体的酯酶浓度大大高于正常海水，表明在赤潮暴发水体中浮游植物大量裂解死亡。     

南海典型海区浮游植物吸收光谱特征及遥感反演产品的精度评估

基于遥感手段准确估算浮游植物吸收系数a_ph(l), 可为长时间、大尺度范围识别浮游植物功能种群提供有力的数据和方法支撑。利用2003至2012年获取自南海、琼东、广东近岸和珠江口各典型海区的实测a_ph(l)数据, 对比分析表层光谱特征, 初步判断浮游植物种群结构差异; 基于MODIS-Aqua二级遥感反射率产品, 分别采用经验算法PL和半分析算法QAA对a_ph(l)遥感产品进行精度评估。结果表明, 以南海、琼东为代表的清洁海域和以广东沿岸、珠江口为代表的浑浊海域表层a_ph(l)光谱差异明显; a_ph(l)在清洁海域量值较小但在颗粒物吸收中居于主导, 而在浑浊海域并不占优; 浮游植物单位吸收系数a_ph^*(l)存在明显的空间差异, 色素打包效应以及色素组成是造成差异的可能原因。经验算法PL较之于半分析算法QAA反演得到的a_ph(l)(l=412, 443, 490)遥感产品精度更高, 平均相对误差APD小于22%; 采用区域优化算法NOCI获得的Chl-a产品作为输入参数, 算法PL所得的a_ph(l)遥感产品APD不超过14%。结果表明, 基于水色遥感产品进行a_ph(l)遥感产品精度评估和探讨不同海区浮游植物功能种群具有较强应用前景。