伍玉梅，王 芮，程田飛，唐峰華，張勝茂

(中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點實驗室,上海 200090)

赤潮，也被稱為紅潮，是一種異常的海洋生態(tài)現(xiàn)象，是海水中某些浮游植物、原生動物或細菌在一定環(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)異常現(xiàn)象[1]，赤潮暴發(fā)時，水體顏色一般會發(fā)生變色，多數(shù)表現(xiàn)為赤紅色。赤潮生物在營養(yǎng)元素消耗殆盡后，不斷死亡，細菌分解這些有機物需要消耗水體中大量的溶解氧，使得溶解氧減少，形成缺氧環(huán)境，進而導致海洋生物窒息而死，對漁業(yè)資源產(chǎn)生嚴重的負面影響，也會打破原有的生態(tài)平衡，破壞海洋生態(tài)環(huán)境。赤潮生物釋放的毒素會對海洋中的魚、蝦、貝等生物產(chǎn)生不良影響，嚴重時還會導致攝入赤潮毒素的海洋生物死亡；另外，其他動物誤食富集著赤潮毒素的海洋生物后也會產(chǎn)生毒害作用。近二三十年，隨著沿海地區(qū)的工、農(nóng)業(yè)發(fā)展和人口的不斷增長，向沿岸海域排放的工、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水量劇增，富營養(yǎng)化程度日趨嚴重；同時，沿海地區(qū)開發(fā)速度加快，海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)模加大，使得赤潮的發(fā)生頻率升高、發(fā)生面積增大，帶來的影響和危害也大大增加[2]。因此，開展赤潮及其環(huán)境的監(jiān)測和研究具有重要的現(xiàn)實意義。 相比于實地觀測調查，遙感技術可以為赤潮的監(jiān)測和研究提供良好的觀測信息，有助于及時掌握突發(fā)、持續(xù)時間短和影響范圍較大的赤潮災害情況。自20世紀80年代以來，隨著衛(wèi)星觀測平臺和傳感器的不斷發(fā)展，衛(wèi)星遙感在赤潮監(jiān)測和研究中得到了較快的發(fā)展，不同的遙感平臺，搭載不同的傳感器，構建不同的反演算法，可為赤潮觀測研究提供大范圍、長時間、實時的觀測信息。以衛(wèi)星發(fā)射的先后次序對國內(nèi)外用于赤潮提取監(jiān)測的6個主要衛(wèi)星/傳感器進行逐一介紹，分析不同衛(wèi)星/傳感器的設計特點、觀測優(yōu)勢及在赤潮研究方面開展的工作進展。

1 衛(wèi)星遙感提取赤潮信息的依據(jù)

衛(wèi)星遙感提取赤潮信息的原理主要是依據(jù)赤潮與非赤潮時水體光譜特性上的差異，通過水體光譜特征的差異對赤潮進行識別。赤潮發(fā)生時，海水中的浮游植物、原生動物或者細菌過度繁殖會使水體顏色發(fā)生變化，一般海水會呈現(xiàn)紅、黃、綠或者褐色，導致衛(wèi)星接收到水體反射的光學信號發(fā)生改變。RUDDICK等[3]通過對水體光譜的分析，發(fā)現(xiàn)赤潮水體在450 nm和660 nm波段附近會出現(xiàn)吸收峰，在700 nm波段處有反射峰，該反射峰隨葉綠素a濃度的變化而發(fā)生移動，當葉綠素a濃度增加時，其會向長波方向移動；而非赤潮水體在上述3個波段附近則不出現(xiàn)明顯的吸收峰和反射峰。不同藻類引發(fā)的赤潮光譜曲線也會有所差異，這種差異則成為利用遙感技術提取赤潮信息的依據(jù)。另外，海面溫度、鹽度、葉綠素a濃度、光照、流場、水文氣象等因子也與赤潮發(fā)生特征具有一定的關系，可以將其作為遙感反演赤潮的參考因素。

2 國內(nèi)外赤潮遙感監(jiān)測研究進展

目前，用于赤潮遙感監(jiān)測的水色傳感器數(shù)量眾多，按照搭載傳感器的衛(wèi)星發(fā)射時間順序，依次為：海岸帶水色掃描儀(Coastal Zone Color Scanner，CZCS)、高分辨率輻射計(Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR)、海洋寬視場傳感器(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor，SeaWiFS)、中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectrometer，MODIS)、中等分辨率成像光譜儀(Medium Resolution Imaging Spectrometer，MERIS)和地球同步海洋水色成像儀(Geo-stationary Ocean Color Imager，GOCI)。

2.1 海岸帶水色掃描儀(CZCS)

CZCS是搭載在衛(wèi)星Nimbus-7上的一個主要傳感器，于1978年發(fā)射升空，是第一顆為海洋研究而開發(fā)設計的傳感器，雖然僅運行了8年，但是其開啟了海洋水色衛(wèi)星遙感的時代。CZCS上設置了6個觀測通道，中心波長分別為443 nm、520 nm、555 nm、670 nm、750 nm和11.5 μm。

STEIDINGER等[4]基于CZCS數(shù)據(jù)對佛羅里達海域開展赤潮研究，結果發(fā)現(xiàn)當赤潮發(fā)生時，該海域內(nèi)的葉綠素a濃度相對非赤潮期時偏高。HOLLIGAN等[1]根據(jù)赤潮水體光譜特征，利用CZCS獲得的第1波段(中心波長為443 nm)和第3波段(中心波長為555 nm)的遙感反射率，提出了反演赤潮的雙波段比值模型，反演效果比較理想，為后來的學者提出多波段差值比值模型奠定了基礎。VARGO等[2]利用CZCS遙感圖像開展赤潮發(fā)生面積和初級生產(chǎn)力的研究，估算了佛羅里達西海岸的赤潮發(fā)生面積，研究認為赤潮對初級生產(chǎn)力有積極貢獻，赤潮發(fā)生時的初級生產(chǎn)力比非赤潮時增加了2～5倍。

CZCS作為第1個海洋水色傳感器，對監(jiān)測赤潮有一定的應用潛力，但是其重訪周期較長。另外，其影像采集和處理方面也有一定的延遲，因此不太適合用于開展赤潮的業(yè)務化監(jiān)測。

2.2 高分辨率輻射計(AVHRR)

AVHRR是搭載在NOAA系列衛(wèi)星上的重要傳感器之一，主要用于日常的氣象觀測；此外，有一些學者采用其第1波段(580～700 nm)和第2波段(720～1 000 nm)開展海洋光學參數(shù)的觀測研究。

GROOM等[5]建立了AVHRR單波段反演赤潮的遙感模型，采用AVHRR第1波段觀測到懸浮泥沙、赤潮水體及清潔水體的反射率值。由于赤潮生物細胞顆粒對入射光有較強的散射作用，使得赤潮水體的反射率高于正常海水，AVHRR正是利用了這一原理進行赤潮觀測研究。由于AVHRR不能很好地區(qū)分赤潮水體與非赤潮水體的高反射率，所以其不適用于Ⅱ類水體的識別。STUMPF等[6]利用AVHRR的近紅外光和可見光兩個波段獲得的水體反射率值構建葉綠素a濃度反演的雙波段比值模型，結果顯示，該模型比較適用于與葉綠素a濃度密切相關的赤潮觀測研究，但不適用于懸浮泥沙濃度較大的海域。GOWER[7]采用信號差值法，利用AVHRR在第1波段(580～680 nm)和第2波段(725～1 000 nm)獲得的遙感信息建立了AVHRR雙波段差值反演模型，并開展了加拿大西岸的赤潮研究。SVEJKOVSKY等[8]將AVHRR和SAR等兩種資料有效結合，也采用信號差值法開展了美國西部海域離岸赤潮的反演研究。樓琇林等[9]采用AVHRR 3個波段獲取的遙感反射率和海表溫度構建了反演赤潮的3層BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡模型，反演精度達到78.5%，但研究樣本較少。潘德爐等[10]將中國研制的太陽同步軌道氣象衛(wèi)星風云一號C衛(wèi)星(FY-1C)觀測的數(shù)據(jù)用于赤潮監(jiān)測研究，采用了FY-1C反演的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)，結合AVHRR紅外通道反演的海表溫度信息，根據(jù)海洋水色及水溫的變化對赤潮進行了監(jiān)測研究。

1970年，NOAA發(fā)射第1顆衛(wèi)星之后，累計共發(fā)射了19顆衛(wèi)星，其中編號NOAA-15之后搭載的AVHRR傳感器可用于水色研究，但其觀測的空間分辨率較低，對赤潮的研究有一定限制。NOAA系列觀測衛(wèi)星積累了近50年的長時間觀測資料，并且具有1 d內(nèi)可對同一海域實現(xiàn)多次重復觀測等優(yōu)勢，在赤潮的監(jiān)測研究中有一定的應用價值。

總的來說，AVHRR具有免費、實時、重訪周期短等特點，但觀測通道少、波段寬、靈敏度不高等缺陷限制了其監(jiān)測赤潮信息的能力。

2.3 海洋寬視場傳感器(SeaWiFS)

SeaWiFS是搭載在海洋衛(wèi)星Seastar上的一個主要傳感器，于1997年8月發(fā)射升空，其空間分辨率為1.1 km×1.1 km，時間分辨率為1～2 d。SeaWiFS設置了8個觀測波段，其中心波長分別為：412 nm、443 nm、490 nm、510 nm、555 nm、670 nm、765 nm和865 nm。SeaWiFS比CZCS的波段更多，信噪比更高，且配置了更加合理的波段進行大氣校正，這些改進使其更有利于建立色素反演算法。尤其在采用補償懸浮物散射的大氣校正算法和局地葉綠素a算法的情況下，能反演得到較高精度的葉綠素a濃度。

毛顯謀等[11]開展了東海區(qū)Ⅱ類水體的赤潮水體、葉綠素a和懸浮泥沙的光譜觀測，對比了雙波段差值比值法和多波段差值比值法的優(yōu)缺點，認為可以依據(jù)不同赤潮藻種特點選擇多波段組合反演模式提高赤潮反演的精度。孫強等[12]基于SeaWiFS數(shù)據(jù)，利用赤潮水體光譜特征，提出三波段差值法反演赤潮，并將其用于開展1997年秋季暴發(fā)的閩南銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)赤潮研究。STUMPF等[13]采用SeaWiFS開展墨西哥灣腰鞭毛藻(Kareniabrevis)赤潮的暴發(fā)和移動等研究，通過計算葉綠素a濃度異常，有效地減少了部分葉綠素a濃度的反演誤差。MILLER等[14]基于STUMPF等的研究工作，用葉綠素a濃度中值替代葉綠素a濃度平均值，也獲得了赤潮的分布情況。相比于均值法，中值法可以避免異常點帶來的誤差。AHN等[15]利用SeaWiFS數(shù)據(jù)，提出估算赤潮生物富集程度的赤潮指數(shù)法(Red Tide Index)，先利用SeaWiFS第2、4、5波段的離水輻射率Lw計算赤潮指數(shù)，再以赤潮指數(shù)為應變參數(shù)，構建葉綠素a濃度反演的指數(shù)模型，并將該模型用于反演亞洲東北部海域的赤潮，根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行方法的精度驗證，表明該方法優(yōu)于OC4算法。

2.4 中分辨率成像光譜儀(MODIS)

MODIS是第一個能從低地球軌道觀測葉綠素熒光的衛(wèi)星傳感器，搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上，這兩顆衛(wèi)星分別在1999年和2002年發(fā)射，MODIS配置了36個觀測通道，用于海洋水色遙感觀測的通道有9個，分別是412 nm、443 nm、488 nm、531 nm、551 nm、667 nm、678 nm、748 nm和867 nm，其空間分辨率為1 km×1 km。MODIS比SeaWiFS多設置了1個熒光通道(中心波長678 nm)，MODIS的第14波段可用于觀測葉綠素熒光信號[16]。

GOWER等[17]根據(jù)MODIS觀測數(shù)據(jù)特點，建立了熒光基線高度算法(Fluorosence Line Height，F(xiàn)LH)，用于反演葉綠素a濃度，采用MODIS第13、14、15波段觀測的數(shù)據(jù)，其中一個波段觀測的是葉綠素熒光的極大值(靠近685 nm)，另外兩個波段位于熒光峰的兩側，用來產(chǎn)生熒光峰下的基線。2005年，HU等[18]采用MODIS熒光數(shù)據(jù)對佛羅里達西南海岸的有害赤潮進行觀測研究，盡管熒光線高度分布反演中受到熒光效率等影響，但熒光線高度分布比葉綠素a濃度分布更適用于赤潮觀測，其結果也表明，將MODIS 熒光線高度用于海岸帶環(huán)境赤潮監(jiān)測具有一定的潛力。王其茂等[19]對渤海海域水體的光譜特性進行分析后，選用MODIS的第3、4、9、11波段獲取的遙感數(shù)據(jù)進行組合，構建渤海赤潮反演方法，并進行赤潮信息提取。李繼龍等[20]用MODIS獲取的遙感圖像提取長江口及鄰近水域的赤潮信息，主要采用的是多波段差值比值法，采用19℃海表溫度及6 mg·m-3葉綠素a濃度作為赤潮反演的閾值。2014年，張濤[21]基于MODIS數(shù)據(jù)，采用其第3、4波段的反射率比值，并結合監(jiān)督分類法對珠江口海域的赤潮信息進行提取，取得良好的效果。

2.5 中等分辨率成像光譜儀(MERIS)

MERIS是歐洲航天局Envisat衛(wèi)星上搭載的1個主要傳感器，于2003年發(fā)射，主要用于海洋水體監(jiān)測。MERIS設置了15個波段，其中心波長分別為412.5 nm、442.5 nm、490 nm、510 nm、560 nm、620 nm、665 nm、681.25 nm、709 nm、753 nm、760 nm、775 nm、865 nm、890 nm和900 nm。與之前的傳感器相比，其設置了更多的可見光通道和更高的空間分辨率，并設立了3個用于獲取水體熒光信息的熒光通道(中心波長分別為665 nm、681 nm和709 nm)。

2005年，GOWER等[22]利用最大葉綠素a濃度指數(shù)法反演加拿大西岸的赤潮，采用的是MERIS的681 nm、709 nm和753 nm 3個波段獲取的遙感信息，結果表明MERIS對赤潮有較好的觀測靈敏度與應用潛力。BERNARD等[23]采用離水輻射率比值方法進行赤潮的反演，采用了MERIS的709 nm和665 nm 2個波段獲取的離水輻射率信息，并與同期獲得的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比，結果表明該算法反演精度較好。KUTSER等[24]分析了MERIS光譜特性，發(fā)現(xiàn)藍、綠藻的光譜特征在其第6、7波段存在吸收峰與反射峰，因此將這兩個波段的比值用于藍、綠藻赤潮反演模型，結果顯示，MERIS比AVHRR和MODIS有更強的探測能力。2007年，KOPONEN等[25]采用MERIS觀測信息提取芬蘭附近海域的赤潮，利用的也是MERIS第6、7波段，與機載高光譜數(shù)據(jù)進行對比，反演精度較好。姜廣甲等[26]基于MERIS資料，對4種葉綠素a濃度反演模型在太湖Ⅱ類水體的估算進行了對比，認為改進的三波段算法在這個區(qū)域的反演精度較高，其最佳反演波段是第8、9和10波段。劉閣等[27]開展了MERIS資料在洪澤湖葉綠素a濃度的反演應用，分析了5種葉綠素a濃度反演模型在該區(qū)域的適用性，并獲得了洪澤湖2002—2012年的平均葉綠素a濃度的空間分布情況。

2.6 地球同步海洋水色成像儀(GOCI)

GOCI是搭載在世界第1顆地球靜止氣象衛(wèi)星(Communication Ocean and Meteorological Satellite，COMS)的水色遙感器，于2009 年發(fā)射，主要用于氣象服務和海洋監(jiān)測研究，從可見光到近紅外光共設置了8個波段，中心波長分別為412 nm、443 nm、490 nm、555 nm、660 nm、680 nm、745 nm和865 nm，實時監(jiān)測區(qū)域以韓國為中心，包括韓國、朝鮮、日本、俄羅斯及中國約2 500 km × 2 500 km的區(qū)域，其最突出的優(yōu)勢是時間分辨率可達1 h，全天可獲得觀測區(qū)域8景影像，數(shù)據(jù)幅寬為2 500 km×2 500 km[28]。

GOCI的波段設置與SeaWiFS、MODIS相似，可以很好地進行海洋水色的觀測研究；另外，GOCI可對研究區(qū)域進行連續(xù)觀測(09∶00—16∶00)，增加了數(shù)據(jù)的獲取率，降低了云層干擾引起的誤差和數(shù)據(jù)缺失的概率，還有高時空分辨率、長光學路徑及高信噪比的優(yōu)點，在監(jiān)測海上赤潮及其后續(xù)消除治理工作方面具有優(yōu)勢，應用前景好。

江彬彬等[29]利用GOCI的歸一化離水輻射率參數(shù)進行赤潮的判斷，有效地對中國東海海域3次赤潮事件進行監(jiān)測研究。LOU等[30]提出了新的赤潮遙感信息提取算法，采用GOCI數(shù)據(jù)開展赤潮在1 d內(nèi)的變化研究，結果表明，該算法可以較好地提取赤潮信息。王芮等[31]對GOCI獲取的東海海域的遙感圖像進行了數(shù)據(jù)分析，并采用3種算法對東海葉綠素a濃度反演進行對比研究，分析了東海葉綠素a濃度在不同時間段的分布及變化情況，為今后研究東海赤潮的日變化規(guī)律奠定基礎(見圖1)。

圖1 YOC算法反演的2011年5月29日10∶30—13∶30葉綠素a濃度分布情況Fig.1 Distribution of chlorophyll a concentration retrieved by YOC algorithm during 10∶30 — 13∶30 on May 29th, 2011注：灰色為陸地，白色為有云層覆蓋的海域，彩色為葉綠素a濃度分布Note：The gray means the land, the white is the sea covered by cloud and the colorful area indicates the chlorophyll a concentration distribution

3 結論與展望

利用衛(wèi)星遙感技術開展赤潮監(jiān)測得到越來越廣泛的應用，但也存在著諸多不足，例如受天氣影響較大，不能全天侯、全天時工作，陰雨天氣和夜晚也無法對赤潮進行監(jiān)測等；另外，開展海洋水色研究，要求傳感器應具有較高的觀測頻次和空間分辨率，但目前水色衛(wèi)星及傳感器的空間觀測分辨率不高，難以達到上述要求。至今，赤潮遙感監(jiān)測技術還不成熟，沒有建立可靠的監(jiān)測系統(tǒng)和預報體系，要實現(xiàn)有效地業(yè)務化運行任重而道遠。

利用遙感探測赤潮主要是依據(jù)水體中葉綠素a濃度進行判斷，因為赤潮主要是由于浮游植物暴發(fā)性增殖引起水體變色的一種生態(tài)異?，F(xiàn)象，海水中浮游生物量及分布可以通過海洋中葉綠素a含量得以反映，因此可以通過遙感反演的葉綠素a濃度用于監(jiān)測赤潮災害的發(fā)生。當前，赤潮遙感的反演方法主要有葉綠素a濃度法、熒光法、溫度法和波段差值比值法，一些試驗研究表明，熒光法對于Ⅱ類水體和赤潮水體的葉綠素a濃度反演精度比較好[32-33]?，F(xiàn)有的赤潮提取和監(jiān)測模型普適性不強，一般只適用特定海區(qū)和典型赤潮類型，模型的適用性和實用性還需要經(jīng)過長期地驗證和完善。

近年來，國內(nèi)學者在赤潮發(fā)生機理、監(jiān)測和預報的研究方面取得了較大進步，但在遙感機理研究、赤潮探測與監(jiān)測技術等方面的探索仍不夠深入和成熟，也缺少專用的赤潮遙感衛(wèi)星。為了更好地將衛(wèi)星遙感觀測技術應用于中國赤潮災害監(jiān)測及研究，需要加強衛(wèi)星遙感技術在赤潮災害監(jiān)測、預報、防治和管理等方面的研究工作：1)需要加強赤潮衛(wèi)星遙感機理研究，尤其是光譜、熱紅外輻射特性及微波散射特性在赤潮水體的測量和研究；2)針對中國近海Ⅱ類水體特點，重點開展Ⅱ類水體的赤潮衛(wèi)星遙感探測和識別技術開發(fā)；3)提高中國水色遙感衛(wèi)星的研制能力，提高衛(wèi)星探測的空間和時間分辨率，并結合中國近海Ⅱ類水體特點，設計適合中國近海赤潮遙感的觀測波段。

今后，可借助靜止水色衛(wèi)星時間分辨率高的優(yōu)勢，對局地海域的水色情況開展更細致的變化分析，可分析其1 d內(nèi)的逐時變化情況，并能針對一些突發(fā)事件，例如赤潮、滸苔、臺風等災害，開展實時海上水色監(jiān)測。