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。     

生态因子在黄海绿潮生消过程中的作用

2008–2017年南黄海海域连续10 a发生绿潮,影响周边沿海城市养殖、旅游和航运安全等。研究绿潮生消过程及其影响因素对于理解黄海绿潮分布特征,开展绿潮灾害的预防与治理有重要意义。本文主要采用MODIS L1B数据,通过归一化植被指数提取绿潮信息。根据逐年绿潮覆盖面积的变化特征,将绿潮生消过程分为3个阶段:触发阶段、快速发展阶段、消衰阶段,分析了海表温度、降水和光照在绿潮生消过程中的作用。结果表明:在触发阶段,温度达到15°C后,有效降水可以刺激绿潮的触发,在降水后的半个月内可以通过MODIS影像发现绿潮。在快速发展阶段,绿潮所在位置海表面温度为16～21°C,适宜绿潮的快速生长;太阳短波辐射集中在250～280 W/m2范围内;降水量是影响绿潮生长规模的一个重要因素,降水量少时绿潮覆盖面积峰值明显较小,而出现绿潮覆盖面积最大值的2016年降水量也极高。在消衰阶段,海表温度上升至22～26°C,绿潮在卫星影像中消失时,平均海表温度超过26°C,最高温度可达27.48°C,较高的海表面温度是导致绿潮消亡的主要原因之一;太阳短波辐射集中在240～260 W/m2,略低于快速发展阶段光照范围;降水量在该阶段相对充足不再影响绿潮的生长。     

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。     

黄海绿潮分布年际变化特征分析

2008-2015年,连续8年在黄海海域暴发大规模绿潮,但因暴发时间、规模及漂移路径的不同,对沿海地区造成的环境影响和经济损失大不相同。本文利用EOS/MODIS卫星的多通道资料,采用NDVI算法获取绿潮信息,给出了2007年以来5-8月所有无云或少云晴朗天气下黄海海面绿潮的分布情况。黄海绿潮覆盖面积变化每年呈现单峰值分布,MODIS卫星在5月中旬至6月初首次发现绿潮,随后30~40 d内达到覆盖面积峰值,7月快速消退,8月上旬完全消失。2007年绿潮出现首年覆盖面积极低,发现绿潮时面积均未超过50 km2;2008年和2009年绿潮覆盖面积峰值分别为3 110 km2和4 075 km2,自此绿潮灾害成为新的海洋环境事件;2010-2012年绿潮暴发规模异常低值,各年覆盖面积峰值均未超过1 800 km2,但从2013年开始绿潮规模逐渐攀升,到2015年绿潮覆盖面积峰值达5 629 km2,持续可达98 d,覆盖面积和持续时间为历年之最。绿潮漂移路径可归纳分为3类:2008年和2011年绿潮主体先北向漂移越过34°30'N后,西北向垂直于岸线漂移,主要对连云港、日照和青岛造成较大影响;2009年和2012年绿潮主体先北向漂移越过35°N后,东北向平行于岸线漂移,故只有少许绿潮上岸;2010年、2013-2015年绿潮主体北向漂移至近岸后东北向沿岸漂移,对日照、青岛和荣成沿海造成大面积影响。所有年份绿潮影响范围均限于南黄海内,东侧边界最远未越过124.2°E。     

南黄海金潮的遥感监测及时空分布特征研究

近年来海洋生态灾害频发,大量漂浮藻类聚集在海面和近岸海域,给沿岸城市的经济活动和生态健康带来了严重危害。本研究利用HY-1C、GF-1和HJ-1A/1B卫星遥感影像对南黄海海域2016–2020年4–6月份的马尾藻进行了信息提取和生长阶段的划分,并通过MODIS海温数据、光合有效辐射数据和海面风场数据来探究环境因子对马尾藻时空分布的影响。结果表明:（1）从时间上看马尾藻集中在每年的4–6月份暴发,2017年马尾藻的影响范围最大,其余年份较小;从空间上看马尾藻最早在长江入海口东北部远海被监测到,在35°～36°N附近海域消失;（2）从生长速率上看,马尾藻的生长阶段可以划分为“发展–暴发–消亡”3个阶段;（3）在不同的生长阶段,海水温度和光合有效辐射对马尾藻具有不同程度的影响,较高的海表温度和光合有效辐射导致2017年面积高于往年;在东南风的作用下,马尾藻呈从东南向西北漂移的趋势,这说明了马尾藻的时空特征受到多种环境因子的影响。     

2009-2010年黄海绿潮起源与发生过程调查研究

绿潮是我国近海一种新型的海洋生态灾害,自2007年以来,每年5-7月在黄海海域周期性暴发与消亡,给沿海地区造成不同的环境影响和经济损失。本文基于2009-2010年黄海绿潮潜在起源区和绿潮发生过程的海上连续跟踪观测资料,对黄海浒苔绿潮的起源和发生发展过程进行了分析。结果表明,2009年和2010年黄海漂浮绿潮藻均首先发现于江苏南通小洋口外的太阳岛附近,随后,在小洋口至大丰港的近岸海域逐渐出现漂浮绿藻,并随时间逐渐向北漂移,分布面积和生物量均不断增大。不同年份间,黄海浒苔绿潮具有相似的发生发展过程,主要可以分为绿潮藻漂浮发生阶段、绿潮藻聚集阶段以及规模性绿潮形成阶段;但绿潮的发生时间、发生规模和漂移路径有所差异;2009年绿潮漂移线路为逐渐远离海岸线,而2010年绿潮藻的漂移路径基本为平行于海岸线;温度升高与绿潮暴发具有明显相关性。     

黄海绿潮多源卫星遥感业务化监测需求分析与系统设计

在分析黄海绿潮卫星遥感监测需求基础上,设计了绿潮多源卫星遥感业务化监测系统。系统设计包括:卫星数据源选择,多源卫星影像绿潮信息提取方法、多源监测结果融合方法和绿潮信息提取总体流程,系统功能模块设计,系统研发语言和平台选择,以及监测报告、数值模拟初始场等产品的设计。为其后的系统研发中的中低分辨率信息提取、多源监测结果信息融合等关键问题提供了解决思路和方法。系统研发后可为黄海绿潮防灾减灾应急决策提供及时、准确、全面的绿潮监测信息。     

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。     

基于GOCI的2017年南黄海浒苔演变遥感分析

本文应用GOCI高时间分辨率遥感影像,提取浒苔敏感波段并构建合适的评价指标,对NDVI、IGAG、KOSC绿潮主流算法探测能力进行比较,结合目视解译和阈值分割法,对2017年南黄海浒苔信息进行提取并进行演变特征分析。结果表明：NDVI算法的探测能力和稳定性显著优于其他两种,GOCI影像7、8近红外波段的选择对浒苔提取结果存在一定影响,最优为7、5波段组合;2017年浒苔总体经历了“出现-发展-暴发-衰退-消亡”五个阶段,持续时间约为68d,影像中浒苔最早出现在5月13日的盐城外海海域,最后出现在7月12日,最大覆盖面积出现在6月4日,为2363.12km²,在风、流场共同作用下,先向北移动,后在6月下旬沿山东半岛南侧转向东北,前锋位置最终停滞于青岛-烟台-威海一线并逐渐消亡。其发展规律与运移路径与往年相似,但持续时间与暴发时期最大覆盖面积显著少于往年,GOCI影像高时间分辨率的优势使浒苔灾害的逐小时动态监测成为可能。     

黄海绿潮应急溯源数值模拟初步研究

基于三维全动力POM海洋模式,根据2008年6月1日海监飞机监测绿潮所在位置,采用拉格朗日粒子追踪法反向积分,追溯绿潮来源。数值模拟结果显示,回溯至5月中旬,绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。黄海绿潮溯源数值模拟,为政府相关部门了解绿潮的源头,并采取相应的措施提供依据,进而为保护生态环境、防灾减灾做贡献。     

黄海绿潮应急溯源数值模拟初步研究

基于三维全动力POM 海洋模式, 根据2008 年6 月1 日海监飞机监测绿潮所在位置, 采用拉格朗日粒子追踪法反向积分, 追溯绿潮来源。数值模拟结果显示, 回溯至5 月中旬, 绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。黄海绿潮溯源数值模拟, 为政府相关部门了解绿潮的源头, 并采取相应的措施提供依据, 进而为保护生态环境、防灾减灾做贡献。     

2015年黄海浒苔演变特征的遥感分析

为揭示2015年黄海区域浒苔演变特征, 利用MODIS(moderate-resolution imaging spectrometer)数据, 通过计算漂浮藻类指数(floating algae index, FAI)建立了浒苔信息的数据集, 进而获取了浒苔的时空变化规律特征。研究发现, 5月13日浒苔条带最早出现在苏北近岸, 之后浒苔条带向北和向东漂移, 浒苔覆盖面积逐渐变大; 向北漂移的浒苔逐渐发展成大规模聚集的形态, 而向东的条带仍旧是分散的形态; 向北漂移的浒苔条带6月12日到达半岛顶端后出现大规模登陆的情况, 登陆的依次顺序为乳山—青岛—海阳; 在苏北近岸的浒苔一直持续到8月5日。对2015年浒苔时空演变特征与往年情况进行初步对比分析, 发现其与2013年浒苔漂移路径和登陆过程存在显著差异, 具有很强的年际差异。     

2008 年与2009 年黄海绿潮漂移路径分析

利用卫星资料分析了2008年和2009年黄海绿潮的漂移路径的差异,基于QSCAT(Quick Scatterometer)卫星风场及海洋模式表层环流模拟结果,分析了绿潮漂移路径差异的动力机制。结果表明:2008(2009)年绿潮发生期间黄海海域以南东(偏南)风为主,江苏至山东半岛南岸海域表层平均流为偏北(东北)向,青岛附近海域低频余流为偏西(东)向流,致使绿潮的漂移方向为西北(东北)向,在青岛(烟台-威海)近岸海域发生聚集。2008年和2009年绿潮漂移路径差异,主要由海面风与表层环流的共同作用引起。通过对黄海海域海面风场和表层流场的早期预报,可以提前预判绿潮的影响区域和程度,为政府相关部门防灾减灾工作提供决策支持。     

中高空间分辨率宽波段光学卫星传感器参数赤潮探测影响研究

中高空间分辨率宽波段光学卫星已成为赤潮监测的主要数据源,但与水色卫星传感器不同,中高空间分辨率卫星传感器主要面向陆地应用,其波段数量少、宽度大,由此对赤潮探测带来的影响尚待研究。为此,本文基于不同优势种赤潮实测高光谱数据、时空同步的GF-1 WFV2、GF-1 WFV3传感器影像、Sentinel-2A MSI传感器影像及GF-6 WFV传感器影像,探究了波段设置、光谱响应函数、信噪比及空间分辨率对赤潮探测的影响,并分析了红边波段赤潮探测优势。结果表明:波段设置对赤潮探测影响大,特别是红光波段和红边波段的中心波长和波段宽度;波段设置相同的情况下,赤潮探测精度受光谱响应函数的影响大,受信噪比的影响较小;空间分辨率对赤潮探测的影响较大,空间分辨率的提升有助于提高赤潮探测的精度。红边波段赤潮探测实验表明,较之红光波段,基于红边波段的赤潮探测具有明显的优势,平均F1-Score提高了11%。本文的研究结果一方面可为赤潮中高空间分辨率卫星探测的数据选取提供理论依据,另一方面可为中高空间分辨率卫星传感器的设计提供参考。     

大连长兴岛海域疏浚区GF-1 WFV影像悬浮物遥感反演研究

利用2017年8-9月期间大连长兴岛海域实测遥感反射率、悬浮物浓度及GF-1 WFV数据,研究了该区域悬浮物浓度的遥感反演算法,发现遥感反射率与悬浮物浓度的散点图存在两种不同的变化趋势,将2008-2015年期间辽东湾内其它海域的数据与长兴岛海域数据进行叠加后,可初步推断产生两种变化趋势的主要原因在于疏浚区与非疏浚区悬浮物的粒径大小不同,导致其光学特性和反演算法也存在差异。将两种算法分别应用于2017年9月20日辽东湾及长兴岛近岸海域的GF-1 WFV4影像,发现采用非疏浚区算法反演长兴岛海域悬浮物浓度时,出现明显的低估现象,而疏浚区算法则能较好地反映出疏浚施工过程中悬浮物的分布规律,具有较好的工程应用价值。     

黄海海域大规模绿潮成因与应对策略——“鳌山计划”研究进展

在青岛海洋科学与技术国家实验室"鳌山计划"支持下,本项目围绕黄海大规模浒苔绿潮的防控减灾,联合山东和江苏两地多个单位协作攻关,于2016年到2018年展开了多学科交叉研究,通过对绿潮藻浒苔(Ulva prolifera)的附着、入海等行为的加密观测,在大规模浒苔绿潮成因机制和防控策略方面取得了重要进展,确认了苏北浅滩源地,确认本海区大量紫菜(Pyropiayezoensis)栽培筏架提供的大面积合适附着基、典型的富营养化环境特点以及北向风生流是黄海大规模浒苔绿潮形成的重要条件。本项目解决了以下几方面的问题:1.锁定关键时段和海域并开展打捞船与无人机配合打捞;2.发现苏北浅滩存在独特浒苔种源;3.定量化研究了紫菜筏架拆除时人为去除筏架及绠绳上的附生绿藻量,明确这一过程大大促进了浒苔大量集中入海,成为浒苔绿潮形成的重要环节;4.定量化研究了浒苔在向北漂移,生物量和分布不断增加的过程;5.依据对浒苔緑潮的源头及其早期发生、发展几个关键过程的科学认识,提出了设置三道防线进行浒苔绿潮防控的策略以及在苏北浅滩开展浒苔绿潮初始生物量源头控制的具体建议。6.评价了浒苔绿潮对生态环境和养殖业危害的同时,关注了高生物量输入对受灾地可能带来生物北侵的生态风险。7.为保障2018年青岛上合峰会,项目组先期提交了绿潮防控建议,部署和开展的各项研究和现场调查结果为绿潮的预测防控提供了有力支撑。同时本项目还针对浒苔绿潮灾害的年际变化、马尾藻(Sargassumsp.)金潮灾害加剧、南黄海"三潮齐发"的复杂态势等新问题展开了观测与研究,为进一步制订更科学高效的防灾减灾方案,阐明全球变化和人类活动影响下的我国近海藻华灾害的演变奠定了基础。     

警戒潮位核定中建立年极值水位序列的方法研究

文章以山东省警戒潮位核定为基础,对其沿岸验潮站的实测数据情况进行分类;根据不同类别,分别采用相关分析、数值模拟等方法补充实测数据,获得年极值水位序列,并采用极值Ⅰ型方法计算重现期高潮位。在警戒潮位核定中建立年极值水位序列所使用方法的顺序是,有实测数据优先采用实测数据、没有实测数据利用相关关系、没有相关关系再使用数值模拟和调和分析的方法进行。值得注意的是,在使用相关关系建立年极值水位序列中,计算重现期高潮位时一定要满足潮汐性质相同、所受风暴潮过程相似等条件;在使用数值模拟建立年极值水位序列中,须与其全年天文潮最大值进行对比。