劉海龍，邢前國(guó)，丁靜，劉建強(qiáng)，鄭向陽(yáng)，吳玲娟，李琳，陸應(yīng)誠(chéng)

1.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 煙臺(tái) 264003;

2.山東省海岸帶環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 煙臺(tái) 264003;

3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

4.自然資源部國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心, 北京 100081;

5.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心, 青島 264061;

6.南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210023

1 引 言

由于人類活動(dòng)與氣候變化的影響，海洋大規(guī)模漂浮大型藻造成的生態(tài)災(zāi)害，近20年來在全球范圍內(nèi)呈增加的趨勢(shì)（Morand 和Merceron，2004；Hu 等，2011；Xing和Hu，2016）。遙感也成為監(jiān)測(cè)、評(píng)估這一生態(tài)現(xiàn)象或?yàn)?zāi)害的必要手段。利用多日或逐日衛(wèi)星遙感圖像對(duì)漂浮大型藻觀測(cè)，計(jì)算其運(yùn)移速度、研究其運(yùn)移過程，可用于漂浮大型藻運(yùn)移過程的數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)（鄭向陽(yáng) 等，2011；Qiao 等，2011；Xing 等，2017，2018，2019），進(jìn)而服務(wù)于相應(yīng)的管理，為減輕有害藻華的發(fā)生提供數(shù)據(jù)支持（Guan 等，2022）。

海表漂浮大型藻斑塊由藻個(gè)體或其聚合體構(gòu)成，其尺寸小到幾個(gè)平方厘米、大到幾平方公里，其形態(tài)往往不規(guī)則，空間分布不均。由于海表流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)及其他自然或人為影響因素的非均一特性，不同位置的大型藻斑塊在運(yùn)移過程中會(huì)形變、聚集或分散，目標(biāo)斑塊在一段時(shí)間之后可能難以再為衛(wèi)星遙感檢測(cè)到（Cui 等，2012）；而且，其運(yùn)移距離至少大于一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的海表距離時(shí)，才可計(jì)算其運(yùn)移速度。因此，利用遙感影像估算漂浮大型藻的運(yùn)移對(duì)其觀測(cè)時(shí)間段、空間分辨率有著相應(yīng)的要求。

采用較低分辨率的多時(shí)相衛(wèi)星影像進(jìn)行大型藻漂浮速度估算時(shí)，大量混合像元的存在會(huì)增加斑塊的界定與匹配難度，也需要更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間段來保證斑塊有足夠的運(yùn)移距離（Xing 等，2018）。因此，基于低分辨率的衛(wèi)星影像，如500 m分辨率的GOCI（蔡曉晴，2014）、250 m 分辨率的MODIS（Cui 等，2012），通常難以獲得高精度、高分辨率的漂浮大型藻運(yùn)移速度場(chǎng)信息。

采用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，則可能獲得更精確的大型藻斑塊個(gè)體及其運(yùn)移速度信息（袁超 等，2020）。Ciappa 等（2010）基于30 m 分辨率的COSMO-SkyMed SAR 像對(duì)、采用最大互相關(guān)方法MCC（Maximum Cross Correlation）針對(duì)2008年7月青島附近的滸苔48 min 內(nèi)的運(yùn)移速度進(jìn)行估算；陳曉英等（2018）利用50 m 分辨率的高分4 號(hào)（GF-4）衛(wèi)星影像，分析了2016年6月25日黃海綠潮漂移速度，結(jié)果顯示可以實(shí)現(xiàn)8—9 min 內(nèi)的綠潮運(yùn)移速度觀測(cè)，采用的上午、下午2 景GF-4影像時(shí)間差超過6 h；Cui 等（2012）利用30 m 分辨率的光學(xué)（環(huán)境1號(hào)HJ-1 CCD，UTC 02：46）和SAR（ENVISAT ASAR，UTC 13：59）影像像對(duì)的時(shí)間差超過10 h，像對(duì)時(shí)間間隔較大，大型藻斑塊發(fā)生形變概率大，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)匹配跟蹤效果降低。

為研究海表漂浮大型藻的運(yùn)移特征與機(jī)制，本研究以黃海綠潮（Liu 等，2009）為例，采用超高分辨率（3 cm）無人機(jī)和高分辨率（10 m 至50 m）衛(wèi)星遙感像對(duì)，分別從2 min、30 min 到3 h這3 種不同的高時(shí)間分辨率研究分析其運(yùn)移速度特征，探討利用光學(xué)衛(wèi)星像對(duì)反演海表漂浮大型藻運(yùn)移速度的潛力。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 影像數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

本研究采用的雙時(shí)相遙感數(shù)據(jù)（表1）分別如圖1—3 所示，本研究中的圖像觀測(cè)點(diǎn)為南黃海不同的區(qū)域，觀測(cè)的對(duì)象為海表漂浮大型綠藻滸苔（Ulva prolifera），如圖2 和圖3 所示。

表1 遙感數(shù)據(jù)Table 1 Remote sensing data

高分辨率衛(wèi)星觀測(cè)，采用了搭載于中國(guó)海洋衛(wèi)星海洋1 號(hào)HY-1C/D 的海岸帶成像儀（CZI）獲取的50 m 分辨率的雙時(shí)相數(shù)據(jù)，以及中國(guó)高分6 號(hào)（GF-6）WVF（Wide Field of View）和歐空局哨兵2 號(hào)（Sentinel-2）MSI（Multi-Spectral Instrument）在同一區(qū)域上午采集的雙時(shí)相數(shù)據(jù)。本研究使用的GF-6 WVF數(shù)據(jù)的空間分辨率為16 m，Sentinel-2數(shù)據(jù)為10 m分辨率。

本研究獲取了2021年8月2日海洋衛(wèi)星HY-1C/D 海岸帶成像儀（CZI）采集的雙時(shí)相圖像L1b 數(shù)據(jù)產(chǎn)品（圖1），二者數(shù)據(jù)采集的時(shí)間差為2.45 h。進(jìn)行地理校正后，基于研究區(qū)的地面控制點(diǎn)進(jìn)一步檢測(cè)兩幅圖像的空間幾何偏差?；?5 個(gè)海上風(fēng)機(jī)等作為控制點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果顯示，觀測(cè)區(qū)兩幅CZI 圖像之間的空間位置偏差不大于一個(gè)像素。

本研究同樣獲取了2019年6月23日上午近岸海域的Sentinel-2 MSI 和GF-6 WVF 高分辨率衛(wèi)星影像（圖2），二者的時(shí)間差約為0.5 h。GF-6 圖像經(jīng)重投影使之坐標(biāo)系統(tǒng)與Sentinel-2 保持一致，且GF-6 經(jīng)鄰近點(diǎn)插值重采樣使之與Sentinel-2數(shù)據(jù)的分辨率一致（即10 m）。采用地面控制點(diǎn)進(jìn)一步檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本研究區(qū)的GF-6 WVF 和Sentinel-2 MSI影像間的空間系統(tǒng)偏差為50 m 左右；以此系統(tǒng)偏差和Sentinel-2 圖像坐標(biāo)為基準(zhǔn)，進(jìn)一步糾正了GF-6 WVF 圖像的相對(duì)坐標(biāo)偏移。

圖2 近岸滸苔真彩色合成圖像Fig.2 True color composite images of coastal Ulva prolifera

采用無人機(jī)懸停定點(diǎn)觀測(cè)的方式，于2021年6月28日獲取了滸苔漂浮區(qū)的超高分辨率時(shí)間系列圖像（圖3）。本觀測(cè)采用的無人機(jī)為大疆御2（DJI-Mavic 2）機(jī)型，懸停于目標(biāo)區(qū)上空100 m 以上，垂直向下拍攝，其空間分辨率為3 cm。經(jīng)多次起飛、返回、降落的動(dòng)態(tài)飛行測(cè)試結(jié)果顯示，所采用的無人機(jī)實(shí)際定位誤差不超過20 cm；在慣性增穩(wěn)懸停工作狀態(tài)下，其漂移不超過10 cm。在滸苔運(yùn)移速度較低時(shí)（0.003 m/s），連續(xù)觀測(cè)2 min時(shí)，由于定位帶來的速度估算誤差不超過3%；觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，滸苔實(shí)際運(yùn)移速度越大，速度估算的誤差會(huì)更低。在實(shí)際操作過程中，無人機(jī)懸停穩(wěn)定30 s 后開始觀測(cè)采集圖像，以避免無人機(jī)飛行起?；蝿?dòng)帶來的云臺(tái)位置、橫滾角、偏航角、俯仰角變化的影響。

圖3 基于無人機(jī)采集的漂浮滸苔時(shí)間系列圖像及其采集時(shí)間（其空間位置如圖2（a）中SUAV所示）Fig.3 Time series images of floating Ulva prolifera are collected based on UAV（its spatial location is shown in SUAV in Fig.2a）

2.2 漂浮目標(biāo)的運(yùn)移速度估算

遙感影像對(duì)大型藻漂移速度的探測(cè)是基于對(duì)大型藻斑塊特征點(diǎn)位移的探測(cè)，再結(jié)合時(shí)間差計(jì)算漂移速度（Cui 等，2012）。所以，探測(cè)的根本在于對(duì)大型藻斑塊特征點(diǎn)位移的探測(cè)，而位移的識(shí)別取決于遙感圖像的空間分辨率，以50 m分辨率為例，大型藻斑塊特征點(diǎn)的位移需大于一個(gè)像素即50 m 才可能被遙感影像探測(cè)到。10 m和厘米級(jí)分辨率圖像，也遵循此規(guī)律。最大互相關(guān)方法MCC 可用于包括滸苔在內(nèi)示蹤物的速度估算（Ciappa 等，2010；陳曉英 等，2018）。如圖2 中兩種原始分辨率不同的像對(duì)所示，圖2（a）中無耀光區(qū)域，圖2（b）中右側(cè)過亮部分為耀光區(qū)域，目標(biāo)與背景光學(xué)條件較為復(fù)雜，MCC 方法難以精細(xì)化提取感興趣目標(biāo)，故本研究中采用目視解譯的方法確定各像對(duì)上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。具體采用相關(guān)的滸苔指數(shù)，如歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）（Hu 和He，2008）、虛擬基線漂浮藻類高度指數(shù)VB-FAH（Virtual-Baseline Floating Macroalgae Height ）（Xing 和Hu，2016）及紅綠波段虛擬基線漂浮綠藻指數(shù)RG-FAH（Red-Green band virtual baseline Floating green Algae Index）（楊國(guó)英 等，2021），結(jié)合增強(qiáng)后的彩色合成圖像，對(duì)比兩幅圖像確定其對(duì)應(yīng)的像對(duì)點(diǎn)，記錄輸出坐標(biāo)信息，然后進(jìn)一步計(jì)算各點(diǎn)的運(yùn)移速度。

針對(duì)滸苔運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力，本研究同時(shí)采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）風(fēng)場(chǎng)同化數(shù)據(jù)用于輔助分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)其運(yùn)移的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于海岸帶成像儀CZI的滸苔運(yùn)移觀測(cè)

圖4（a）和4（b）分別為13：06：55 時(shí)HY-1D CZI 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)到的漂浮滸苔分布的NDVI 指數(shù)圖和Red-NIR-Blue 三波段合成圖。基于CZI 提取的觀測(cè)區(qū)中的滸苔總面積為32.74 km2，斑塊總數(shù)為3071 個(gè)，其中最大斑塊面積為0.63 km2，最小斑塊面積為0.003 km2，與無人機(jī)觀測(cè)相比（見章節(jié)3.3），滸苔斑塊大小分布相對(duì)較均一。這種基于50 m 分辨率影像提取的斑塊尺寸分布特征與滸苔的空間分布與斑塊自身大小有較大關(guān)系。本研究觀測(cè)時(shí)間為2021年8月2日，為黃海綠潮的消散階段，地點(diǎn)為開闊海域，滸苔斑塊較小且分布相對(duì)分散，而50 m分辨率對(duì)應(yīng)的最小斑塊面積為2500 m2，因此，表觀斑塊面積大小的分布區(qū)間相對(duì)較窄。

圖4 漂浮滸苔分布及運(yùn)移速度Fig.4 The distribution and movement speed of floating Ulva prolifera

如圖4 所示，在上午HY-1C 與下午HY-1D 分別過境成像期間（時(shí)差2.45 h），滸苔斑塊保持了較清晰可識(shí)別的輪廓，其運(yùn)移距離為2—5 km，平均運(yùn)移速度為0.380 m/s（標(biāo)準(zhǔn)偏差S.D.（Standard Deviation）=0.059 m/s；樣本數(shù)N=151）。如圖1（a）中白色框所示，本觀測(cè)區(qū)位于離岸約100 km 的外海區(qū)域，各滸苔斑塊運(yùn)移方向與速度變異較?。黄陂g風(fēng)速由4.5 m/s 下降到2 m/s，風(fēng)向較為穩(wěn)定，滸苔運(yùn)移方向與平均風(fēng)向二者間夾角小于15°。在這種風(fēng)與海洋潮流的方向較為一致的情況下，二者效應(yīng)疊加（高松 等，2014），使得滸苔的運(yùn)移速度會(huì)相對(duì)較高。滸苔斑塊的空間形態(tài)多為條狀，其延伸方向與風(fēng)向及運(yùn)移方向相近，夾角多小于10°。黃海夏季漂浮滸苔綠潮的運(yùn)移及其路徑擺動(dòng)總體上與盛行夏季風(fēng)的驅(qū)動(dòng)密切相關(guān)（Qiao 等，2011；Xing 等，2009；Lee 等，2011；Son 等，2015；Xu 等，2016）。

3.2 基于GF-6與Sentinel-2的滸苔運(yùn)移觀測(cè)

如圖5（a）的結(jié)果疊加對(duì)比所示，在Sentinel-2和GF-6 先后成像的27.34 min 期間，研究區(qū)已探測(cè)出的漂浮滸苔主要發(fā)生了東向、東北向的運(yùn)動(dòng)，基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)移速度計(jì)算結(jié)果顯示其速度空間差異較大（圖5（b））。本研究區(qū)的東北方向有河流及電廠冷卻水排放，可見滸苔主要沿該排水水團(tuán)邊緣分布，位于水團(tuán)中的幾處滸苔則隨水團(tuán)向南（如97 號(hào)、98 號(hào)滸苔斑塊標(biāo)記），不同于本區(qū)域滸苔的主要運(yùn)動(dòng)方向?；贓CMWF 同化風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，成像期間的該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，風(fēng)速約為2.5 m/s，該區(qū)域漂浮滸苔的主要運(yùn)移方向與風(fēng)向間的夾角約為170°?？傮w而言，期間其運(yùn)移主要受潮流與排水引起局部流場(chǎng)的影響。

圖5 漂浮滸苔分布Fig.5 The distribution of floating Ulva prolifera

如圖2（b）所示，研究區(qū)海表在GF-6 圖像上存在明顯太陽(yáng)耀光異常區(qū)。在高耀光區(qū)，傳感器接收到強(qiáng)烈的水面反射的太陽(yáng)直射信號(hào)，導(dǎo)致像元值明顯增大，視覺上更明亮。如圖6（a）展示的剖線（圖2 中的P-P’）DN 值所示，GF-6 的4 個(gè)波段均存在明顯的高耀光區(qū)（W1、W2、W3）和低耀光區(qū)（D1、D2）；其中，低耀光區(qū)（D2）與NDVI（圖6（b））指示的滸苔聚集區(qū)有關(guān)，Sentinel-2 近紅外波段（圖6（c））及NDVI指數(shù)（圖6（d））也顯示該處滸苔信號(hào)的存在。Sentinel-2 近紅外波段指示的低耀光區(qū)（圖6（c））與GF-6 顯示的高耀光區(qū)（W3）對(duì)應(yīng)，NDVI 指數(shù)（圖6（d））顯示W(wǎng)3 處有滸苔存在；但是，在滸苔信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域，如D2附近（圖6（d）），在Sentinel-2 近紅外波段沒有顯示出低耀光的信號(hào)特征。這種在不同觀測(cè)角下呈現(xiàn)出亮、暗的區(qū)域，多為水團(tuán)的鋒面或輻聚區(qū)，其水面粗糙度相對(duì)較低，在不同的觀測(cè)角度下會(huì)導(dǎo)致更多或更少的入瞳太陽(yáng)耀光（Hu 等，2009；Liu 等，2014）；有漂浮滸苔聚集的耀光異常區(qū)，也說明了這類耀光異常區(qū)的鋒面與輻聚物理特征。在本案例中，太陽(yáng)耀光引起的DN 值異常，導(dǎo)致NDVI 指數(shù)在高耀光區(qū)的滸苔識(shí)別能力減弱（W3），但在視覺上，滸苔斑塊的形態(tài)特征明顯，由太陽(yáng)耀光異常表征的這類輻聚區(qū)在近30 min內(nèi)持續(xù)存在，且發(fā)生了明顯遷移，其平均速度約為0.2 m/s（圖5（b））。

圖6 GF-6與Sentinel-2沿剖線P-P’的波段及指數(shù)值變化Fig.6 Waveband and index value varied of GF-6 and Sentinel-2 along the section line P-P'

3.3 基于無人機(jī)的超高分辨率滸苔運(yùn)移觀測(cè)

如圖7（a）所示，無人機(jī)觀測(cè)區(qū)域的滸苔斑塊數(shù)目為1193 個(gè)，其總像元數(shù)為2136189 個(gè)，總面積約合2052 m2，斑塊個(gè)體平均面積為1.7 m2。其中，最大斑塊面積為1703 m2；面積小于0.6 m2（約600 個(gè)像元）的滸苔斑塊數(shù)量占觀測(cè)區(qū)滸苔斑塊數(shù)量的90%以上，但其面積卻只有總面積的5%；面積低于100 cm2（像元數(shù)低于10個(gè)）的斑塊個(gè)數(shù)為233個(gè)，約占總數(shù)的20%，但其面積占比不到0.1%。由此測(cè)算，無人機(jī)無法探測(cè)到的面積小于一個(gè)像素的小斑塊，其面積占比遠(yuǎn)低于0.1%，所以，基于3 cm 的超高分辨率無人機(jī)遙感圖像探測(cè)滸苔，其面積估算的精度可高達(dá)0.1%。無人機(jī)圖像的分辨率可達(dá)到厘米級(jí)，漂浮滸苔斑塊及個(gè)體都可觀測(cè)到，其觀測(cè)到的滸苔斑塊面積大小的分布更寬，在本案例中達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)。

ECMWF數(shù)據(jù)顯示，觀測(cè)時(shí)段的風(fēng)速約為3.5 m/s，基于耀光顯示的波浪方向與ECMWF 風(fēng)向基本一致。如圖7所示，該區(qū)域的漂浮滸苔的運(yùn)移平均速度為0.066 m/s，其運(yùn)移方向與風(fēng)向的夾角為110°左右。該結(jié)果顯示，在本觀測(cè)中，在風(fēng)速較低、風(fēng)應(yīng)力弱的情況下，滸苔的運(yùn)動(dòng)方向主要受海表流場(chǎng)所控制，與風(fēng)向沒有明顯的一致性；然而，如圖7（a）所示，小斑塊滸苔沿風(fēng)向呈鏈條狀分布的特征，兩者的夾角小于15°，說明該處漂浮滸苔的分布與運(yùn)移正在或曾經(jīng)受到風(fēng)的影響。

圖7 基于無人機(jī)圖像反演的滸苔相對(duì)分布密度圖及其運(yùn)移速度圖Fig.7 Inverted relative distribution density map and movement velocity map of Ulva prolifera based on UAV image

滸苔斑塊有著較高的滸苔指數(shù)值（RG-FAH），說明具有較高的密度。如圖7（a）所示，在本次觀測(cè)中，不同位置的滸苔斑塊的運(yùn)移速度，與其本身的大小及密度沒有明顯的相關(guān)性。如圖7（b）所示，圖像的左側(cè)邊緣附近的滸苔運(yùn)移速度較慢，其平均速度為0.034 m/s（SD=0.004 m/s，N=15），只有右側(cè)區(qū)域的平均運(yùn)移速度（0.070 m/s，SD=0.009 m/s，N=100）的一半左右。該結(jié)果說明，該區(qū)域可能存在由地形促成的局部水團(tuán)鋒面，使得其兩側(cè)的海水流速存在較大差異。如圖2（a）所示的，該處也存在海表耀光異常，也說明該處可能存在小尺度的海流輻聚區(qū)。

4 結(jié) 論

基于分辨率分別為50 m、10 m 與3 cm 的衛(wèi)星與無人機(jī)雙時(shí)相圖像數(shù)據(jù)，本文分別對(duì)不同時(shí)間間隔內(nèi)的滸苔運(yùn)移進(jìn)行了觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，三者分別在3 h、30 min 及2 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)滸苔運(yùn)移速度高精度的觀測(cè)，其中，基于HY-1C/D雙星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了2.45 h內(nèi)50 m分辨率級(jí)別的斑塊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跟蹤，平均運(yùn)移速度為0.380 m/s；10 m 級(jí)分辨率的MSI、WVF 影像上，可觀測(cè)到斑塊30 min內(nèi)的運(yùn)移，平均速度約為0.2 m/s；基于厘米級(jí)超高分辨率無人機(jī)圖像可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)至分鐘級(jí)別的漂浮大型藻運(yùn)移觀測(cè)，平均速度為0.066 m/s。展示了高分辨率與超高分辨率光學(xué)圖像數(shù)據(jù)在高時(shí)間分辨率漂浮藻運(yùn)移監(jiān)測(cè)中的可行性。本研究觀測(cè)時(shí)段的風(fēng)速較低（低于3.5 m/s），且由于海表流場(chǎng)的影響，觀測(cè)到的滸苔運(yùn)移方向與間風(fēng)向夾角多大于90°，但滸苔斑塊分布擴(kuò)展的方向在不同尺度上表現(xiàn)出與風(fēng)向的一致性，體現(xiàn)出風(fēng)的影響?；诤１硖?yáng)耀光分析，本研究首次跟蹤展示了海流輻聚區(qū)在約半小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定存在的現(xiàn)象。中、高風(fēng)速與高風(fēng)速下的滸苔分布、運(yùn)移及海流輻聚區(qū)的持續(xù)性還有待進(jìn)一步研究。

志 謝海岸帶成像儀CZI 數(shù)據(jù)來自中國(guó)國(guó)家海洋衛(wèi)星應(yīng)用中心，GF-6WVF數(shù)據(jù)來自中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心（CRESDA），Sentinel-2 數(shù)據(jù)來自歐空局（ESA）。