应用气象学报  2010, 21 (1): 76-82   PDF    
引用本文
李三妹, 李亚君, 董海鹰, 孙凌, 刘诚, 刘征, 赁青, 闫华, 赵长海. 浅析卫星遥感在黄海浒苔监测中的应用[J]. 应用气象学报, 2010, 21(1): 76-82.
Li Sanmei, Li Yajun, Dong Haiy ing, Sun Ling, Liu Cheng, Liu Zheng, Dian Qing, Yan Hua, Zhao Changhai. Satellite Remote Sensing Application to Enteromorpha Prolifera Monitoring in the Yellow Sea[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(1): 76-82  
浅析卫星遥感在黄海浒苔监测中的应用
李三妹1, 李亚君1, 董海鹰2, 孙凌1, 刘诚1, 刘征1, 赁青1, 闫华1, 赵长海1     
1. 国家卫星气象中心, 北京 100081;
2. 青岛市气象局, 青岛 266003
2009-03-03 收到, 2009-11-27 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40606043)、国家863计划项目（2007AA12Z145）和国家重点基础研究发展计划项目（2006CB40370）    
摘要: 通过对浒苔的光谱特性分析，建立基于极轨气象卫星和环境卫星资料监测浒苔的模型技术方法，利用该模型实现浒苔信息提取，生成浒苔监测产品，并在地理信息技术支持下，分析浒苔影响范围及移动路径。利用2006—2008年卫星资料分析表明：2006年和2007年夏季，黄海未出现明显的浒苔信息；2008年5月中旬，浒苔始发于黄海中南部；6月中下旬, 浒苔影响范围最大时达到800 km2；7月中下旬，黄海海域浒苔范围明显减小。对浒苔移动路径和黄海海域风场等资料的综合分析结果表明，浒苔位置移动主要受风力和洋流作用的影响。
关键词: 浒苔    黄海    卫星遥感    
Satellite Remote Sensing Application to Enteromorpha Prolifera Monitoring in the Yellow Sea
Li Sanmei1, Li Yajun1, Dong Haiy ing2, Sun Ling1, Liu Cheng1, Liu Zheng1, Dian Qing1, Yan Hua1, Zhao Changhai1     
1. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081;
2. QingdaoMeteorological Bureau, Qingdao 266003
Abstract: A method of enteromorpha prolifera monitoring using moderate resolution environm ent satellite data is proposed. Based on the spectral characteristics of enterom orpha prolifera, remote sensing methods and processing procedures are established and then the monitoring results are derived. With the support of GIS technique, the affected range, extent, moving path and coverage of enteromorpha prolifera can be developed and relevant products are produced. During the marine alga catchi ng campaign, enteromorpha prolifera monitoring products are made and provided to the campaigners in time. These products help to find enteromorpha prolifera are a promptly and are highly evaluated. The monitoring results show that enteromorpha prolifera in the Yellow Sea appear s in mid May of 2008 at first, and then the range of enteromorpha prolifera expand grad ually and move northwestward. In mid June, enteromorpha prolifera influence the region of Yellow Sea near Qingdao Olympic regatta sea area and the size reaches up to 800 km2. With the progress of a massive algae clearing activity, the ra nge of enteromorpha prolifera decreases rapidly. In mid July of 2008, there is little e nteromorpha prolifera in Qingdao Olympic regatta sea area. The temporal and spatial distribution characteristics of enteromorpha prolifera from 2006 to 2008 are analyzed using multiple observations of EOS/MODIS data and t he result shows that there are no evident phenomena of enteromorpha prolifera in Yellow Sea in the summers of 2006 and 2007. The coverage map of enteromorpha prolifera accumulated from multiple observation shows that high density enteromorpha prolifera appears most frequently in the o ffshore area and the sea area about 100 km south of Qingdao. About more than 200 00 km2 of sea area is influenced by enteromorpha prolifera in different extent in the summer of 2008 altogether. The moving path of enteromorpha prolifera induced from the multiple observation from May to July of 2008 shows that enteromorpha prolifera moves from southeast to northwest. It can also be concluded that enteromorpha prolifera moving path is deeply influenc ed by the wind and ocean current.
Key words: enteromorpha prolifera     the Yellow Sea     remote sensing    
引言

浒苔属绿藻门石莼目石莼科海洋植物，生长主要附着在岩石或者潮带滩涂、石砾上，在半封闭水域中，生长尤为旺盛.浒苔对环境的适应能力和繁殖能力极强，对水质、阳光没有要求，主要依靠自体分裂繁殖，正常情况下20 d就能繁殖到原来的1.5倍[1-3].浒苔的聚集不会影响海水水质，对海洋生态环境不会产生直接的负面作用，但浒苔大量聚集会对景观造成影响，尤其覆盖密度较大的浒苔会直接影响小型船只的航行.

2008年5月中旬，在距青岛市东南约175 km处的黄海海域，出现少量浒苔[4].随后因海温不断升高，加之南方强降雨造成广泛分布于我国辽宁、江苏、浙江、福建等近海海域的浒苔出现异地漂移，同时海温升高在近海形成的“春季环流”使得大量底层营养物质 (氮，磷) 来到表层，为浒苔等海藻生长提供了良好的营养基础，这些因素使得浒苔不断繁殖，范围不断扩大[5-7]，并随着洋流和风力作用，逐渐向青岛近岸海域靠近，到6月中下旬发展更为迅速，覆盖了青岛近海大片海域，奥帆赛区周边海域也因此受到严重干扰[8-11].大范围的浒苔分布不利于运动员训练，并直接威胁到奥帆赛顺利开展.为保证奥帆赛的正常举行，当地政府部门决定立即在奥帆赛区及周边海域开展浒苔捕捞工作.

由于海上缺乏监测站点，加上浒苔源源不断涌入，范围分布广，仅通过少量的船舶资料很难掌握茫茫大海里浒苔分布范围及变化的客观情况，对浒苔捕捞工作不利.通过飞机实地航测不但成本高，同时在数万平方公里海域内的航拍将带来很大工作量，效率相对低下.因此，具有宽广视野的卫星遥感资料在浒苔监测中发挥了重要作用，尤其是极轨气象卫星和环境卫星扫描范围大，观测频次较密，具有对浒苔光谱信息敏感的探测通道，在监测浒苔动态变化，调查浒苔分布状况，分析浒苔来源及移动路径，指导海上打捞作业中可起到重要作用，因而成为浒苔打捞期间非常重要的信息源[12].

1 卫星遥感浒苔监测原理 1.1 浒苔的生物结构

浒苔，别名苔条，苔菜，属绿藻门石莼科.藻体草绿色，管状膜质，丛生，主枝明显，分枝细长，长可达1 m.用透射电镜对浒苔细胞的超微结构特征进行观察发现，浒苔细胞壁致密而厚，每个浒苔细胞有1个片状叶绿体，贴近于细胞壁分布，淀粉粒含量丰富[13-15].由于浒苔的生物结构特性，其在近红外通道以反射辐射为主，这与周围的水体区分明显，因而可基于这一光谱特性利用卫星多通道资料来提取海水中的浒苔信息.

1.2 浒苔水体监测原理

根据国家海洋局对覆盖不同厚度浒苔的水体、陆地植被和正常海水进行光谱实测 (图 1) 结果显示:水面覆有浒苔的水体 (以下简称浒苔水体) 在可见光通道反射率较低，低于30 %.在近红外通道反射率明显上升，30 cm厚的浒苔水体近红外通道反射率最高可达80 %左右.在短波红外通道，反射率略有下降.浒苔水体在近红外-短波红外通道反射率随着浒苔厚度或密度增大而升高，这一点与陆地植被的反射率特性较为接近.正常海水在可见光-短波红外通道反射率都较低，波长越长，反射率越低并逐渐趋于0.因此，从光谱实测结果来看，可以利用浒苔水体在近红外波段和可见光波段的光谱特性差异建立监测模型，实现浒苔信息的提取及厚度的估算[16].近红外波段和可见光波段的光谱特性差异常用归一化差分植被指数 (NDVI) 来表示.

图 1. 植被、正常海水和浒苔 (厚度分别为5，10，20 cm和30 cm) 水体的实测光谱反射率 Fig 1. Curves of field spectral reflectance for vegetation, clear sea water and water with enteromorpha prolifera (the thickness of enteromorpha prolifera is 5, 10, 20, 30 cm respect ively)

在有浒苔分布的卫星影像 (图 2a、图 3a) 上先后取一块浒苔分布区 (图 2b) 和陆地植被区 (图 3b)，从浒苔分布区提取一条既有正常海水又有浒苔的线 (图 2b红线)，从陆地植被区取一条陆地植被的线 (图 3b红线)，取这两条线上数据的多通道值分别作剖面图 (图 2c、图 2d；图 3c、图 3d)，可以得到卫星遥感资料上浒苔水体、正常海水和陆地植被在不同通道的反射率差异.结合图 2和图 3分析表明，未经大气订正的前提下，在近红外通道 (图 2d、图 3d中粉红色曲线)，浒苔水体反射率较高，最高可达35 %左右，远高于纯海水在该通道的反射率 (5 %左右，实际上海水在该通道的离水辐射接近0，卫星接收到的海水在该通道的反射辐射多来自大气路径上的辐射)，陆地植被在该通道也具有较高的反射率 (30 %~40 %之间)；在可见光通道 (图 2d、图 3d中蓝色曲线)，浒苔和海水的反射率相近，约在8 %左右，陆地植被在该通道的反射率约在10 %~15 %之间.由于浒苔水体在近红外通道和可见光通道的反射特性差异，导致浒苔水体的植被指数较高，与陆地植被较为接近，多在-0.1~0.6之间，且植被指数值随着浒苔覆盖度增大而增大，而纯海水的植被指数多低于-0.1(图 2c).在短波红外通道 (图 2d、图 3d中深绿色曲线)，由于浒苔悬浮在水中，而水体在短波红外通道具有极强的吸收作用，离水反射辐射接近0，而陆地植被在该通道反射率可达10 %左右，因此利用该通道的反射率变化可以区分出浒苔和陆地植被[13，17-18].

图 2. 浒苔分布区NDVI和通道反射率剖面图 (a) EOS/ MODIS假彩色三通道合成图，(b)图 2a中红框区浒苔水域放大图像，(c)图 2b中红线区对应的归一化差分植被指数的剖面曲线，(d)图 2b中红线区对应的短波红外、近红外和可见光通道的反射率剖面曲线 Fig 2. Section images of NDVI and TOA channel reflectance for enteromorpha prolifera in the sea (a) the false color image by three channel compo sition from EOS/ MODIS, (b) a portion enlarged imagetaken from Fig.2a according to the redframe, (c) the profile of NDVI along the redline in Fig.2b, (d) the profile of reflectance of short infrared, near in frared and visible channels along the red line in Fig.2b

图 3. 陆地植被区NDVI和通道反射率剖面图 (a) EOS/ MODIS假彩色三通道合成图，(b)图 3a中红框区陆地植被放大图，(c)图 3b中红线区对应的归一化差分植被指数的剖面曲线，(d)图 3b中红线区对应的短波红外、近红外和可见光通道反射率剖面曲线 Fig 3. Section images of NDVI and TOA channel reflectance for vegetation ove rland (a) the false color image by th ree channel composition from EOS/MODIS, (b) a portion enlarged imagetaken from Fig.3a acco rding to the red frame, (c) the profile of NDVI along the red line in Fig.3b, (d) the profile of reflectance of shortinf rared, near infrared and visible channels along the redline in Fig.3b

综上所述，浒苔水体在可见光通道反射率较低，在近红外通道反射率较高，在短波红外通道 (1640 nm) 的反射率接近于0，因此在利用短波红外、近红外和可见光通道合成的假彩色图上，浒苔水体常呈现为翠绿色斑块，与海水 (深蓝色或黑色)、陆地植被 (绿色或黄绿色斑块) 的差异较明显，利用这一光谱特性可以识别浒苔水体.

美国EOS卫星携带的MODIS仪器，我国FY-3A携带的MERSI仪器均有可见光、近红外和短波红外通道，且可见光、近红外通道空间分辨率为250 m, 十分有利于开展浒苔动态监测.

2 卫星遥感浒苔监测结果及空间分布特征 2.1 浒苔提取效果分析

基于卫星遥感浒苔监测模型，利用EOS/MODIS资料以及FY-3A/MERSI资料，对2006-2008年每年5-8月青岛近海域卫星资料进行浒苔信息提取，监测结果表明:2006年和2007年夏季，青岛近海域均未发现明显的浒苔信息.大规模的浒苔分布仅出现在2008年夏季，主要集中在2008年的5-7月.由于海上缺少常规观测站点，因此无法进行星地同步验证，但将卫星浒苔监测产品，尤其是奥帆赛区附近海域浒苔分布产品应用到实际的浒苔捕捞中，捕捞人员发现实际观测到的浒苔分布信息与卫星监测的浒苔位置和范围相吻合，这对于指导捕捞船只及时打捞浒苔、保证奥帆赛的顺利进行起到了重要作用，得到了浒苔捕捞部门的好评，这也从侧面反映出卫星遥感浒苔提取结果与实际较为吻合.

2.2 浒苔分布范围变化

利用2008年5月中旬黄海海域出现浒苔以来的卫星遥感监测结果对浒苔的发生和发展全过程进行动态分析.

从变化过程来看，浒苔首次出现在2008年5月15日 (图 4a)，此时浒苔范围很小，分布在距胶州湾西南大约175 km的黄海海域.浒苔繁殖速度较快.5月19日 (图 4b)，浒苔范围略有扩大，随后不断繁殖.5月31日 (图 4c)，范围明显扩大，影响了黄海大片海域.浒苔多呈丝缕状分布，但离胶州湾仍有一定距离.6月18日 (图 4d)，浒苔维持范围较大，部分浒苔已到达胶州湾一带，多处浒苔呈斑块状分布，反映了浒苔覆盖密度较前期明显增大.

图 4. 卫星遥感浒苔分布示意图 (a)2008年5月15日，(b)2008年5月19日，(c)2008年5月31日，(d)2008年6月18日 Fig 4. Distribution images of enteromorpha prolifera in region of the Yellow Sea near Qingdao (a)15 May 2008, (b)19 May 2008, (c)31 May 2008, (d)18 June 2008

从面积变化来看 (图 5，部分时次受到云干扰，浒苔估算面积受到影响)，2008年5月15日，卫星资料上首次监测到浒苔时，面积仅为2 km2，随后浒苔面积不断变化.5月31日已发展到639 km2.从2008年5月底至6月底，黄海西北部 (包括青岛胶州湾附近海域) 浒苔覆盖面积一直维持在500~800 km2左右.随着6月下旬海上打捞工作的开展，浒苔面积逐渐减少，7月中旬，浒苔已明显减少，最终因洋流和风力共同作用，残余浒苔飘向外海，青岛近海域已基本无浒苔分布信息.

图 5. 卫星遥感青岛近海域2008年5月至7月浒苔发生期间的浒苔分布面积统计图 Fig 5. Chart of size of enteromorpha prolifera in region of the Yellow Sea near Qing dao from May to July 2008

由于浒苔具有丝缕状或斑块状分布特点，卫星资料空间分辨率低，为更清楚地反映出浒苔的覆盖特点，以0.125°×0.125°大小为格点，计算格点内浒苔分布面积，以浒苔分布面积与格点总面积比得到单时次的浒苔覆盖度，并对多个时次的浒苔覆盖度进行累加，以累加值作为格点值，形成多时次浒苔格点覆盖度合成产品 (图 6)，从而清楚地显示出浒苔分布的区域和覆盖密度.由图 6可知，2008年5月中旬以来浒苔在胶州湾附近海域覆盖度较大，另外在距胶州湾口约80 km处的覆盖度也较大，而浒苔初始位置一带的覆盖度较小.

图 6. 2008年5月15日-7月7日卫星遥感青岛近海域浒苔多时次覆盖度合成图 Fig 6. Multi-tempor alobserved on enteromorpha prolifera coverage composite image in region of the Yellow Sea near Qingdao from 15 May 2008 to 7 July 2008

2.3 浒苔移动路径

利用2008年5月中旬至2008年7月初多个时次的青岛近海海域卫星遥感浒苔监测结果，以各时次浒苔区距胶州湾口最近处位置 (图 7中红线)，以及各时次浒苔区中心位置 (图 7中黄线) 分别绘制浒苔移动路径，其结果表明，浒苔区自发生后，先向西北方向移动，后转向东北方向，徘徊数日后，最终转向西北方向，逐渐靠近青岛市胶州湾一带.

图 7. 2008年5月15日-7月7日卫星遥感青岛近海域浒苔移动路径示意图 Fig 7. Image of the moving path of enteromorpha prolifera in the sea area near Qingdao from 15 May 2008 to 7 July 2008

3 实际应用情况

在此次浒苔防控工作中，卫星遥感为浒苔打捞提供了强有力的信息支持，在雷电及大浪天气，飞机及船舶无法出海观测，卫星遥感成为唯一可靠的信息来源，更起到了不可替代的作用.在整个浒苔打捞工作期间，气象部门向当地政府共提供了10次卫星遥感浒苔监测报告.

精确的浒苔分布遥感监测资料在指挥浒苔打捞工作中发挥了重要作用.青岛市奥帆赛场区域浒苔综合处置工作应急指挥部认为:由青岛市气象局和国家卫星气象中心提供的浒苔监测示意图，可为海上打捞队准确无误地锁定目标，有针对性地开展打捞作业，在最短的时间内控制浒苔发展态势，确保奥帆赛顺利举行.卫星遥感浒苔监测的序列产品，包括浒苔移动路径示意图，覆盖密度多时次合成图，分辨率为100 m、网格点为5 km的青岛市奥帆赛区及周边海域浒苔监测示意图，浒苔覆盖面积统计图等，均为指挥人员更直观、定量地了解浒苔的精确位置、发展情况提供了客观、准确的信息，取得了显著的应用效果.

4 小结

利用卫星遥感资料，通过对2008年青岛市近海域浒苔动态监测及分析，得到浒苔分布特点:

1) 浒苔在光谱特征上与绿色植被较为一致，与水体区分明显，通过卫星可见光、近红外以及短波红外通道遥感，结合归一化差分植被指数，可以实现浒苔的快速监测.

2) 从卫星遥感动态监测结果分析，浒苔面积增长快，表明浒苔具有较强的自我繁殖能力.

3) 从浒苔的移动路径分析，浒苔移动自东南向西北方向移动，最终到达青岛市沿海.

4) 从浒苔的总覆盖率看，浒苔在青岛近海域总影响面积超过2 ×104 km2，在靠近青岛市沿海岸覆盖率达到最大.

气象卫星或环境卫星遥感以其扫描范围大和时相观测能力高，有着其他监测手段无法相比的优势.此次通过对浒苔光谱特性分析建立浒苔监测模型，基于监测模型实现浒苔信息提取，并制作的多种浒苔监测产品，在浒苔实际打捞应用中发挥了重要作用，同时也为今后开展浒苔等各类海藻的卫星遥感监测应用打下良好基础.

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