徐曉暉，毛志華，陶邦一

（1.中國科學(xué)院 南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

赤潮，又名紅潮（red tide or algal blooms），是由海水中某些浮游植物、原生動物或細(xì)菌在一定環(huán)境條件下，短時間內(nèi)突發(fā)性增殖或聚集而引起的一種水體變色的生態(tài)異?，F(xiàn)象［1］。赤潮是最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害之一，它不僅破壞海洋漁業(yè)生產(chǎn)、惡化海洋環(huán)境、影響濱海旅游業(yè)，而且還會因誤食被有毒赤潮生物污染的海產(chǎn)品而造成誤食者中毒、甚至死亡。東海是我國赤潮災(zāi)害的“高發(fā)區(qū)”，赤潮發(fā)生次數(shù)和面積均明顯高于渤海、黃海和南海3個海區(qū)。東海赤潮爆發(fā)時呈現(xiàn)出赤潮面積大、區(qū)域集中，且有毒有害赤潮增加等特點。應(yīng)用遙感技術(shù)可以大面積、同步、快速監(jiān)測赤潮，是赤潮監(jiān)測的最重要、最有效的手段之一。赤潮發(fā)生時，赤潮生物大量聚集，使水體的顏色發(fā)生變化，因而水體的光譜特性也發(fā)生相應(yīng)的變化，這些變化能被遙感手段探測到。因此，赤潮水體的光譜信息是建立赤潮遙感監(jiān)測模型、提取赤潮信息的重要依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對利用赤潮水體的光譜特性提取赤潮信息進(jìn)行了大量的研究。研究的方法主要有單波段閾值法、雙波段比值法以及多波段差值比值法。使用的傳感器有 CZCS、AVHRR、SeaWiFS、MODIS、MERIS和FY－1。

1983年 HOLLIGAN et al［2］基于 Nimbus－7衛(wèi)星CZCS傳感器，建立了赤潮遙感雙波段比值模型，其表達(dá)式為R1／R3＞C，其中R1和R3分別為CZCS第1和第3波段的反射率，C為閾值。1987年GROOM et al［3］建立了基于NOAA衛(wèi)星AVHRR傳感器的單波段赤潮遙感模型，其表達(dá)形式為R1＞C，其中R1和C分別為AVHRR第1波段的反射率和閾值。2003年毛顯謀等［4］利用多波段差值比值法，發(fā)展了針對SeaWiFS和FY－1傳感器資料的赤潮監(jiān)測模型，并對東海海區(qū)進(jìn)行赤潮信息提取處理。2006年王其茂等［5］利用MODIS通道4與通道3的反射率和通道11與通道9的離水輻射率比，再結(jié)合懸浮泥沙信息提取了渤海海水中的赤潮信息。2006年AHN et al［6］用赤潮指數(shù)（Red Tide Index，RI）法對韓國和中國近岸水體赤潮進(jìn)行了研究，該方法運用SeaWiFS第2、4、5波段的離水輻射率Lw計算RI，即RI＝（Lw510／Lw555－Lw443）／（Lw510／Lw555＋Lw443），然后根據(jù)RI與實測葉綠素a質(zhì)量濃度的關(guān)系，建立指數(shù)方程，得到赤潮指數(shù)葉綠素a質(zhì)量濃度算法模型。

近年來，許多學(xué)者曾做過根據(jù)赤潮水體紅光波段的熒光特性來提取赤潮信息的嘗試。2005年，HU et al［7］用 MODIS 熒 光 線 高 度 法 （Fluorescence Line Height，F(xiàn)LH）監(jiān)測了2004年佛羅里達(dá)西南沿岸的赤潮。2003年，GOWER et al［8］提出最大色素指數(shù)法（Maximum Chlorophyll Index，MCI），并采用該方法研究了發(fā)生于加拿大西岸的赤潮。該方法與熒光線高度法類似，以MERIS第8和第10波段的離水輻亮度連線為基線，計算第9波段在基線之上的離水輻亮度，結(jié)果表明，該方法對赤潮信息提取有較高的靈敏度。

從前人的研究中可以看出，他們所采用的模型都是選擇某一個特定的研究區(qū)域，基于特定傳感器而展開的。國外的研究模型大多是針對大洋一類水體，而我國海域大多屬于典型的二類水體，該水體的光學(xué)特性比一類水體復(fù)雜得多，一類水體的模型不適合于我國的二類水體。而我國學(xué)者所采用的模型也都具有區(qū)域適用性，在其它海區(qū)不一定適用。因此本文選取東海赤潮高發(fā)區(qū)作為研究區(qū)，把MODIS／Aqua L2級遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，利用多次赤潮歷史事件中的赤潮水體和非赤潮水體的光譜曲線，檢驗近年來在我國海區(qū)監(jiān)測赤潮的3種算法，判斷其算法能否在本文的研究區(qū)中應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上基于赤潮水體和非赤潮水體光譜的差異，建立赤潮信息提取算法，用以提取東海水體的赤潮信息。

1 數(shù)據(jù)來源

本文主要根據(jù)海洋環(huán)境公報和趙冬至［9］在《中國典型海域赤潮災(zāi)害發(fā)生規(guī)律》一書中提到的赤潮事件以及2010—2011年海上實測遇到的赤潮事件（表1）加以研究。MODIS／Aqua L2級數(shù)據(jù)來自 http：／／oceancolor.gsfc.nasa.gov／。

表1 東海典型赤潮事件列表Tab.1 List of typical red tide events in the East China Sea

2 方法

2.1 赤潮水體和非赤潮水體的光譜特性

圖1描繪了赤潮水體和非赤潮水體的光譜差異。從圖1中可以看到，赤潮水體和非赤潮水體有明顯的區(qū)別，赤潮水體光譜曲線呈現(xiàn)出2個吸收峰和2個反射峰，而正常海水則呈現(xiàn)出1個反射峰；由于葉綠素a的強吸收，赤潮水體在425～500nm、655～670nm波段存在吸收峰；由于葉綠素a的熒光特性，赤潮水體在680～700nm波段存在熒光峰，此峰是赤潮水體的特征峰，而正常海水不存在這些特征；赤潮水體的反射率低，而正常海水的比較高；正常海水的遙感反射率在藍(lán)光波段和綠光波段較高，在紅光波段較低；而赤潮水體的遙感反射率則在藍(lán)光和綠光波段的輻射量明顯減小，在紅光波段的輻射量相應(yīng)增大。

2.2 基于光譜特性差異的遙感算法

圖1 赤潮水體和非赤潮水體的光譜差異（引自文獻(xiàn)［10］）Fig.1 Spectral differences of red tide water and non－red tide water（Quoted from the reference［10］）

對每次赤潮歷史事件的MODIS遙感影像選取赤潮位置和近岸非赤潮位置、外海非赤潮位置進(jìn)行光譜提取，從提取結(jié)果中看，赤潮水體的光譜曲線和非赤潮水體的光譜曲線有明顯的區(qū)別（圖2）。從圖2可見，赤潮水體光譜曲線和外海非赤潮水體光譜曲線在形狀上有明顯的區(qū)別，赤潮水體光譜曲線在400～500nm波段之間存在低值，在550nm波段附近存在明顯的峰值；而外海非赤潮水體光譜曲線在400～500nm之間的值比較高，在550nm波段附近的值比較低。赤潮水體的光譜曲線和近岸非赤潮水體的光譜曲線形狀大致相同，在550nm波段附近均存在高值，在400～500nm之間存在低值；近岸非赤潮水體的遙感反射率明顯高于赤潮水體的遙感反射率，且在400～550nm波段附近近岸非赤潮水體的遙感反射率隨波長的增加而線性增加，而赤潮水體的遙感反射率在400～500nm波段附近變化不大，且值都比較低。

圖2 赤潮水體和非赤潮水體的典型光譜曲線Fig.2 Typical spectral curves of red tide water and non－red tide water

利用赤潮歷史事件中提取的光譜曲線對3種針對我國海區(qū)的赤潮提取算法進(jìn)行檢驗，判斷其算法能否用到本文的研究區(qū)中。選用的3種提取算法分別為毛顯謀等［4］提出的多波段差值比值算法、王其茂等［5］提出的波段比值算法和 AHN et al［6］提出的赤潮指數(shù)算法。由于這些算法使用的是不同衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，各個衛(wèi)星的波段設(shè)置不同，因此本文使用MODIS進(jìn)行檢驗時選擇最鄰近的波段代替（表2）。

表2 本文檢驗的算法列表Tab.2 List of algorithms tested in this study

將從赤潮歷史事件中提取出的光譜曲線各個波段的光譜值，按照表2中的算法進(jìn)行運算，并做統(tǒng)計分析，得到圖3～圖5的分布直方圖。

從圖3中可以看出，赤潮水體多波段差值比值算法的結(jié)果在－2.4～1.0之間均有分布，主要集中分布在－1.6～0.4之間。外海非赤潮水體差值比值的結(jié)果分布在－1.8～1.0之間，主要集中分布在－0.8～0.4之間。近岸非赤潮水體差值比值的結(jié)果分布在－2.4～－0.8之間，主要集中分布在－1.8～－0.8之間。因此使用多波段差值比值算法，不能區(qū)分出赤潮水體和非赤潮水體，但大致可以區(qū)分出外海非赤潮水體和近岸非赤潮水體。

圖3 多波段差值比值算法的結(jié)果分類統(tǒng)計Fig.3 Classified statistics results of multi－band difference and ratio algorithm

圖4 波段比值算法的結(jié)果分類統(tǒng)計Fig.4 Classified statistics results of band ratio algorithm

從圖4a可以看出，赤潮水體Rrs555／Rrs469的結(jié)果分布在1.4～3.6之間，主要集中分布在1.6～3.0之間。外海非赤潮水體Rrs555／Rrs469的結(jié)果分布在0.2～1.6之間，主要集中分布在0.2～1.2之間。近岸非赤潮水體Rrs555／Rrs469的結(jié)果分布在1.2～1.6之間。因此，使用Rrs555／Rrs469算法，大致可以區(qū)分出赤潮水體和外海非赤潮水體，但不能區(qū)分出赤潮水體和近岸非赤潮水體。為了進(jìn)一步區(qū)分出赤潮水體和渾濁水體，王其茂等［5］提出使用Lnw531／Lnw443的比值算法。從圖4b中可以看出，赤潮水體Lnw531／Lnw443的結(jié)果分布在1.2～3.8之間，主要集中分布在1.4～2.8之間。外海非赤潮水體Lnw531／Lnw443的結(jié)果分布在0.2～1.8之間，主要集中分布在0.4～1.4之間。近岸非赤潮水體Lnw531／Lnw443的結(jié)果分布在1.2～1.8之間，集中分布在1.4～1.8之間。因此，使用Lnw531／Lnw443不能區(qū)分出赤潮水體和非赤潮水體。總的來說，使用王其茂等［5］提出的波段比值算法大致可以區(qū)分出赤潮水體和外海非赤潮水體，但不能區(qū)分出赤潮水體和近岸非赤潮水體。

從圖5可以看出，赤潮水體赤潮指數(shù)的結(jié)果分布在－0.1～0.9之間，主要集中分布在0.0～0.8之間。外海非赤潮水體赤潮指數(shù)的結(jié)果分布在－0.3～0.8之間，主要集中分布在0.0～0.6之間。近岸非赤潮水體赤潮指數(shù)的結(jié)果分布在－0.6～－0.2之間，主要集中分布在－0.5～－0.3之間。因此，使用赤潮指數(shù)算法可以區(qū)分出赤潮水體和近岸非赤潮水體，但是不能區(qū)分出赤潮水體和外海非赤潮水體。

圖5 赤潮指數(shù)算法的結(jié)果分類統(tǒng)計Fig.5 Classified statistics results of red tide index algorithm

從上面3種算法的分析中可以看出，將3種算法用于東海赤潮提取時，在一定程度上可以區(qū)分赤潮水體和非赤潮水體，但不能完全區(qū)分。因此需要開展針對東海赤潮高發(fā)區(qū)的MODIS赤潮提取算法研究。

本文根據(jù)赤潮水體和非赤潮水體的光譜差異提取赤潮信息。赤潮水體由于葉綠素a的強吸收，故在488nm波段形成吸收峰；由于葉綠素a的強反射，故在555nm波段形成反射峰。外海非赤潮水體不具有這些特征。近岸非赤潮水體只在555nm波段形成反射峰，在488nm波段不存在吸收峰，因此可以使用Rrs555／Rrs488的波段比值算法去提取赤潮信息，分類統(tǒng)計結(jié)果見圖6。從圖6中可以看出，赤潮水體Rrs555／Rrs488的結(jié)果分布在1.4～3.6之間，主要集中分布在1.4～2.8之間。外海非赤潮水體Rrs555／Rrs488的結(jié)果分布在0.2～1.4之間，主要集中分布在0.2～1.0之間。近岸非赤潮水體Rrs555／Rrs488的結(jié)果分布在1.0～1.6之間，主要集中分布在1.0～1.4之間。因此，使用Rrs555／Rrs488的波段比值算法可以大致區(qū)分出赤潮水體和非赤潮水體，可以明顯區(qū)分出赤潮水體和外海非赤潮水體，但在區(qū)分赤潮水體和近岸非赤潮水體時出現(xiàn)少量的誤判。赤潮水體由于葉綠素a的強吸收，故在665nm波段形成吸收峰，而非赤潮水體不存在此吸收峰。因此本文使用Rrs678－Rrs667的波段差值算法區(qū)分赤潮水體和近岸非赤潮水體。從圖7的分類結(jié)果中可以看出，赤潮水體Rrs678－Rrs667的結(jié)果分布在0.0000～0.000 9之間，主要集中分布在0.000 1～0.000 9之間。近岸非赤潮水體Rrs678－Rrs667的結(jié)果分布在－0.000 6～－0.000 1之間，主要集中分布在－0.000 5～－0.000 2之間。因此，使用Rrs678－Rrs667的波段差值算法可以區(qū)分出赤潮水體和近岸非赤潮水體。

基于上述分析可以看出，使用Rrs555／Rrs488＞C1且Rrs678－Rrs667＞C2的算法可以提取出赤潮信息，為了進(jìn)一步確定C1和C2的取值，本文統(tǒng)計了從赤潮歷史事件中提取赤潮水體光譜曲線的運算結(jié)果（圖6和圖7），從圖中可以看出，赤潮水體的Rrs555／Rrs488的值均在1.5以上，Rrs678－Rrs667的值均在0.0以上。因此，本文提出基于MODIS的東海赤潮高發(fā)區(qū)赤潮提取算法：Rrs555／Rrs488＞1.5且Rrs678－Rrs667＞0。運用Rrs555／Rrs488＞1.5的判別值可以區(qū)分出赤潮水體和外海非赤潮水體，運用Rrs678－Rrs667＞0的判別值可以區(qū)分出赤潮水體和近岸非赤潮水體。

3 赤潮信息提取結(jié)果

根據(jù)本文提出的赤潮提取算法，對赤潮歷史事件進(jìn)行赤潮信息提取，獲得研究區(qū)赤潮發(fā)生的位置和范圍。圖8、圖10、圖12和圖14分別給出了2005年5月25日、2005年6月9日、2007年4月11日和2009年5月28日的赤潮信息提取結(jié)果。從圖中可以看出，公報中公布的赤潮位置，通過該算法均能有效地把它們識別出來，在公報中個別未提到的赤潮事件發(fā)生位置，此算法也能提取出該位置的赤潮信息。為了分析赤潮信息提取結(jié)果的有效性，本文給出MODIS／Aqua L2級遙感數(shù)據(jù)反演的相同日期的葉綠素a產(chǎn)品（圖9、圖11、圖13和圖15）。從圖中可以看出，赤潮信息提取結(jié)果和高葉綠素a質(zhì)量濃度有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明赤潮信息提取結(jié)果是比較合理的。

表3中列出了使用本文算法提取的赤潮歷史事件的面積。由于2010—2011年的赤潮事件是出海實測遇到的，沒有具體的面積，無法進(jìn)行對比，因此在結(jié)果中沒有列出這些數(shù)據(jù)赤潮提取結(jié)果。本文的結(jié)果對比是根據(jù)赤潮事件中提到的位置來統(tǒng)計面積的，公報中未提到的位置由于沒有辦法驗證，因此不做統(tǒng)計。從統(tǒng)計的結(jié)果中看到，赤潮提取的結(jié)果和公報結(jié)果吻合得較好，除了當(dāng)天的遙感影像在赤潮位置沒有數(shù)據(jù)無法統(tǒng)計外，其它均能夠較好地識別出赤潮發(fā)生的位置。遙感識別的赤潮面積和公報面積相差10～1 000km2不等，相對誤差從0.5%～444.44%不等，誤差大多在300km2以內(nèi)，相對誤差大都集中在40%以內(nèi)?？偟膩碚f，使用本文提出的算法可以對赤潮進(jìn)行有效的提取，比如2005年6月4日、2005年6月9日的赤潮事件相對誤差在10%之內(nèi)，個別赤潮事件偏差較大。赤潮識別面積和公報面積相比明顯偏大的是2008年5月16日的赤潮事件，赤潮識別面積和公報面積相比明顯偏小的是2009年5月28日的赤潮事件。

表3 赤潮信息統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of red tide information

4 討論

東海是我國赤潮高發(fā)區(qū)，屬于典型的二類水體，水體的光學(xué)性質(zhì)比一類水體復(fù)雜得多，一類水體的算法不能直接用于二類水體，而針對二類水體發(fā)展的算法也都是基于某一個特定區(qū)域、特定傳感器展開的，因此在用于其它區(qū)域、其它傳感器的時候，首先要檢驗算法在該區(qū)域、該傳感器上是否有效，而往往算法的移植性都比較弱，不能用于其它區(qū)域、其它傳感器上，因此需要開展針對區(qū)域的特定傳感器的赤潮提取算法研究。

赤潮發(fā)生時，水體聚集大量的浮游植物，使水體顏色變化，相應(yīng)的光譜特性發(fā)生改變，本文根據(jù)赤潮水體光譜和非赤潮水體光譜的差異，使用不同的波段比值、差值算法提取赤潮。采用的波段是赤潮水體的特征波段。赤潮發(fā)生時，由于葉綠素的強吸收，赤潮水體在488nm波段形成吸收峰，由于葉綠素的強反射，赤潮水體在555nm波段形成反射峰，外海非赤潮水體不存這些特征，因此可以用Rrs555／Rrs488將赤潮水體和外海非赤潮水體區(qū)分開來。由于葉綠素的強吸收，赤潮水體在665nm波段存在吸收峰，而近岸非赤潮水體不存在此吸收峰，因此使用Rrs678－Rrs667將赤潮水體和近岸非赤潮水體區(qū)分開來。

從提取結(jié)果中可以看出，使用本文提出的算法提取出的赤潮信息和高葉綠素質(zhì)量濃度位置吻合很好，說明本文提出的算法可以有效地確定赤潮發(fā)生的位置。從赤潮提取的面積統(tǒng)計結(jié)果上看，算法提取的赤潮面積和公報的面積大都一致，個別事件存在偏大和偏小的情況。從遙感數(shù)據(jù)上看，赤潮提取面積偏小，主要是因為云的影響導(dǎo)致部分海域沒有數(shù)據(jù)。面積偏大可能與閾值的設(shè)定有關(guān)，2008年5月16日的赤潮識別結(jié)果比公報的結(jié)果相比，偏差較大。本文將2008年5月16日的光譜曲線進(jìn)行具體分析計算，得到的赤潮水體的Rrs555／Rrs488值都在1.7以上，Rrs678－Rrs667值都在0.000 1以上。因此赤潮提取面積偏大可能與閾值的設(shè)定有關(guān)系，于是重新設(shè)定閾值對2008年5月16日的赤潮事件進(jìn)行信息提取。圖16為采用算法為Rrs555／Rrs488＞1.7且Rrs678－Rrs667＞0.000 1的赤潮提取結(jié)果，赤潮位置和圖17所示的高葉綠素a質(zhì)量濃度分布位置一致，赤潮提取面積為796km2，可以看出閾值的調(diào)整對赤潮提取結(jié)果有一定的調(diào)整作用。再者，赤潮事件的公布面積由于受到觀測手段的限制，對實際發(fā)生范圍的估算往往偏小，而衛(wèi)星遙感是大范圍的觀測手段，觀測相對全面，可以觀測到公報中未觀測到的赤潮信息，也是導(dǎo)致面積偏大的原因之一。

5 結(jié)論

本文選取東海赤潮高發(fā)區(qū)作為研究區(qū)，MODIS／Aqua L2級遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，提取了多次赤潮歷史事件中赤潮水體與非赤潮水體的光譜曲線，在分析比較赤潮水體和非赤潮水體的光譜差異的基礎(chǔ)上，提出了適合東海赤潮高發(fā)區(qū)的MODIS赤潮提取算法：Rrs555／Rrs488＞1.5且Rrs678－Rrs667＞0。將算法應(yīng)用于東海赤潮事件中，進(jìn)行赤潮水體信息提取，發(fā)現(xiàn)該算法能有效地確定赤潮發(fā)生的位置，赤潮提取結(jié)果與遙感反演的高葉綠素a質(zhì)量濃度位置有很好的對應(yīng)關(guān)系，提取的面積和公報的面積大部分吻合得較好，個別事件出現(xiàn)偏大和偏小的情況，偏小是由于云的影響導(dǎo)致遙感數(shù)據(jù)的缺失，偏大可能和閾值的設(shè)定有關(guān)系，個別事件要根據(jù)光譜調(diào)整閾值的設(shè)定，同時遙感是大范圍的觀測，可以觀測到公報中未觀測到的赤潮信息，也是面積偏大的原因之一?？偟膩碚f本文提出的算法可有效地確定東海赤潮發(fā)生的位置并提取赤潮信息。

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