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基于HY-1C/D衛(wèi)星數(shù)據(jù)的2021年黃海海域大型藻類時(shí)空分布特征分析

2023-11-10 06:35:52商杰趙錚王煒荔丁一宋彥
海洋預(yù)報(bào) 2023年5期
關(guān)鍵詞:密集度黃海藻類

商杰,趙錚*,王煒荔,丁一,宋彥

(1.自然資源部北海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心 山東青島 266100;2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266061)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì),2007 年以來(lái)我國(guó)黃海和東海海域每年5—8 月都會(huì)發(fā)生不同規(guī)模的大型藻類(主要藻種為滸苔綠潮)災(zāi)害。大型藻類的大規(guī)模爆發(fā),不僅破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡,還會(huì)對(duì)沿海城市的發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重威脅,尤其給山東、江蘇的漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨大影響[1]。近年來(lái)學(xué)者對(duì)大型藻類(滸苔綠潮)的生長(zhǎng)特性、爆發(fā)成因以及發(fā)生和發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)展研究,王建偉等[2]對(duì)滸苔綠潮的生長(zhǎng)特性進(jìn)行分析;吳孟泉等[3]利用中分辨率成像光譜儀(Moderate - Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)數(shù)據(jù)研究了2008—2012 年黃海滸苔綠潮的分布變化;章志等[4]利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取了2014 年滸苔綠潮的時(shí)空分析特征;矯新明等[5]利用高分一號(hào)衛(wèi)星(GF1)遙感數(shù)據(jù)分析了2015 年滸苔綠潮的時(shí)空分析特征;盛輝等[6]利用靜止軌道海洋 水 色 衛(wèi) 星(Geostationary Ocean Color Imager,GOCI)等遙感數(shù)據(jù)結(jié)合多種分析方法進(jìn)行滸苔綠潮提取和時(shí)空分析特征;張廣宗等[7]利用“環(huán)境一號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)(HJ-1A/B)和MODIS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)多年滸苔綠潮信息進(jìn)行提取和分析;劉霜等[8]描述了2017 年滸苔綠潮的新變化趨勢(shì)。以上研究表明,雖然大型藻類(滸苔綠潮)自身無(wú)毒,但因其生長(zhǎng)繁殖期間會(huì)消耗水體中的溶解氧并遮蔽陽(yáng)光,因此會(huì)導(dǎo)致一系列的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題。為了更好地防控大型藻類爆發(fā)造成的風(fēng)險(xiǎn)與災(zāi)害,需要對(duì)其開(kāi)展有效地監(jiān)測(cè)、預(yù)警和處理等工作。

針對(duì)大型藻類增長(zhǎng)速度快、影響范圍大等特點(diǎn),采用傳統(tǒng)航空遙感和船舶實(shí)地觀測(cè)打撈手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且容易受海況、人力和物力的影響,不能長(zhǎng)時(shí)間、不間斷地獲取觀測(cè)信息。衛(wèi)星遙感具有觀測(cè)面積廣、時(shí)間連續(xù)等特點(diǎn),能夠?qū)Υ笮驮孱惖漠a(chǎn)生、遷移路徑、空間分布、生消過(guò)程等有效地開(kāi)展監(jiān)測(cè),已成為開(kāi)展海洋大范圍監(jiān)測(cè)的重要手段。

本文以黃海海域作為研究區(qū)域,采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)與船舶現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段,對(duì)2021年大型藻類信息(本文僅分析滸苔綠潮)進(jìn)行提取,分析其生消過(guò)程、遷移路徑、空間分布、密集度變化,并進(jìn)一步分析針對(duì)新情況下大型藻類爆發(fā)的防控手段和措施,為后續(xù)大型藻類的預(yù)防與治理工作提供依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)?0°~38°N,119°~125°E(見(jiàn)圖1 紅框位置),是每年大型藻類的主要影響區(qū)域。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location diagram of the study area

1.1.2 數(shù)據(jù)源

本文所用數(shù)據(jù)源為海洋一號(hào)衛(wèi)星C 星(HY-1C)和海洋一號(hào)衛(wèi)星D 星(HY-1D)海岸帶成像儀(Coastal Zone Imager,CZI),以下簡(jiǎn)稱HY-1C/D(CZI)。HY-1C/D(CZI)衛(wèi)星影像具有覆蓋面積廣、空間分辨率高、時(shí)間分辨率高的特點(diǎn),搭載的CZI傳感器分辨率為50 m,幅寬優(yōu)于950 km[9],能夠?qū)Υ笮驮孱惖群Q蟓h(huán)境災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并有效提取大型藻類的覆蓋信息和邊界。本文選取2021 年4—8月共6 景的HY-1C/D(CZI)影像作為研究數(shù)據(jù)源,分別代表不同發(fā)展時(shí)期晴好天氣條件下的影像,用于大型藻類衛(wèi)星遙感解譯和漂移路徑分析。

1.2 監(jiān)測(cè)原理與方法

大型藻類的遙感監(jiān)測(cè)是根據(jù)海水反射光譜與覆蓋海水表面的藻類反射光譜的差異來(lái)提取藻類信息。黃海大型藻類主要為滸苔,其富含葉綠素a,爆發(fā)時(shí)其光譜曲線在400~900 nm 波段,與陸地植被相近。藻類覆蓋越厚,在近紅外波段的反射現(xiàn)象越明顯[10-11]。

2021 年5 月和7 月,研究組實(shí)地考察并采集了黃海海域的海水和大型藻類樣本,測(cè)量獲取其光譜信息。由于研究?jī)?nèi)容主要是觀察并判別實(shí)測(cè)樣本的光譜形態(tài)和特征波段,因此現(xiàn)場(chǎng)采集的光譜信息采用原始DN(Digital Number)值表達(dá),沒(méi)有處理成反射率信息。將現(xiàn)場(chǎng)光譜DN 值進(jìn)行可視化并標(biāo)注HY-1C/D(CZI)波段范圍,得到圖2。結(jié)合對(duì)HY-1C/D(CZI)衛(wèi)星遙感影像的光譜信息(見(jiàn)圖3)分析,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)考察的光譜特征與影像的光譜形態(tài)特征基本一致,即光譜形狀具有相似性,且各個(gè)波段反射強(qiáng)度的相對(duì)位置一致。

圖2 大型藻類與海水實(shí)測(cè)光譜曲線Fig.2 Measured spectral curves of macroalgae and seawater

圖3 HY-1C/D(CZI)影像光譜曲線Fig.3 Spectral curve of HY-1C/D(CZI)image

根據(jù)光譜信息特征可以發(fā)現(xiàn),大型藻類光譜特征與海水光譜特征差異較大。大型藻類在綠色波段處形成弱反射峰,近紅外波段處形成強(qiáng)反射峰。兩處反射峰相較于海水有較大的反射差異,可以用于提取大型藻類。利用紅色和近紅外波段計(jì)算歸一化植被覆蓋指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),其作為大型藻類衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)方法,探測(cè)能力最強(qiáng)且最穩(wěn)定[12]。因此,本文選用NDVI提取大型藻類信息。

NDVI的計(jì)算公式為:

式中:BandNIR、BandRED分別代表近紅外波段和紅色波段的遙感反射值。

使用NDVI方法進(jìn)行大型藻類信息提取的主要步驟包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、NDVI 計(jì)算、提取藻類信息、分析與制圖,具體流程見(jiàn)圖4。首先對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、裁剪和鑲嵌等數(shù)據(jù)預(yù)處理,并消除陸地植被、云霧、船舶以及其他干擾信息,只保留藻類和海水信息;在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行NDVI計(jì)算,獲得包含大型藻類信息的處理影像,采用閾值法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取并獲得大型藻類信息;最后將提取的大型藻類覆蓋信息導(dǎo)入地理信息處理軟件中,進(jìn)行人工交互圖件制作、大型藻類面積信息等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并對(duì)藻類移動(dòng)路徑信息進(jìn)行分析。結(jié)合不同影像波段合成方式對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行綜合比較,更有利于顯示大型藻類信息。如圖5所示,432波段或343波段的假彩色合成影像更易顯示大型藻類的信息和位置,有利于人工判斷和輔助解譯。

圖4 NDVI大型藻類信息提取流程圖Fig.4 Flow chart of NDVI large algae information extraction

圖5 2021年6月標(biāo)準(zhǔn)真彩色與假彩色HY-1C(CZI)合成影像Fig.5 Standard true-color and false-color HY-1C(CZI)composite images in June 2021

2 結(jié)果與分析

2.1 大型藻類信息提取

本文對(duì)黃海海域大型藻類的時(shí)間、空間、密集度特征進(jìn)行分析。采用無(wú)云或少云情況下的HY-1C/D(CZI)影像,選取2021 年5 月22 日、6 月6日、7月21日、8月17日大型藻類分布遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行展示(見(jiàn)圖6)。

圖6 2021年大型藻類衛(wèi)星遙感影像解譯圖Fig.6 Interpretation map of satellite remote sensing images of large algae in 2021

根據(jù)2021 年遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果,黃海海域大型藻類的發(fā)展特征為:5 月上旬,蘇北輻射沙洲海域出現(xiàn)零星滸苔,5 月中旬大型藻類在蘇北輻射沙洲向北至射陽(yáng)、濱海一帶聚集成規(guī)模,隨后向北漂移;6 月上旬開(kāi)始影響山東沿岸,藻類面積快速增長(zhǎng),6 月底大型藻類規(guī)模達(dá)到峰值;7 月上旬大型藻類開(kāi)始逐漸消亡,至8 月25 日主體消亡。從時(shí)間維度來(lái)看,大型藻類從出現(xiàn)到消亡存在明顯的周期性,即包含“發(fā)生—發(fā)展—爆發(fā)—消亡”4 個(gè)階段。

2.2 大型藻類生長(zhǎng)過(guò)程與時(shí)空分布分析

大型藻類覆蓋面積以像元為單位進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為:

式中:N為大型藻類解譯像素個(gè)數(shù);r為衛(wèi)星影像空間分辨率,HY-1C/D(CZI)影像空間分辨率為50 m。綠潮分布面積依據(jù)計(jì)算解譯結(jié)果面積獲得。2021年黃海海域不同時(shí)間大型藻類的覆蓋面積和分布面積統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖7。

圖7 大型藻類分布特征統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.7 Statistical histogram of distribution characteristics of macroalgae

5 月上旬,衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)到蘇北輻射沙洲北側(cè)海域有呈點(diǎn)狀或斑塊狀零星滸苔分布,大型藻類進(jìn)入發(fā)生階段。5月中旬—6月上旬,衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)顯示大型藻類進(jìn)入發(fā)展期,分布面積和覆蓋面積快速上升并保持高增長(zhǎng)率。6月中旬—7月上旬,大型藻類進(jìn)入爆發(fā)期,6 月底大型藻類規(guī)模達(dá)到峰值,整體分布范圍最北端到達(dá)威海乳山市外海海域,最南端到達(dá)鹽城外海海域,大型藻類密集區(qū)主要集中在山東南部外海海域并在沿岸大量登陸,對(duì)近海海域影響較為嚴(yán)重,直到7月中旬,由于海溫等條件適合大型藻類繼續(xù)生長(zhǎng)和繁殖,其分布面積和覆蓋面積維持在較高水平。7 月中下旬—8 月下旬為大型藻類消亡期,由于人為打撈、海水環(huán)境變化等影響,大型藻類的分布面積、覆蓋面積、密集度逐步下降,8 月末大型藻類完全消亡。

2.3 大型藻類移動(dòng)軌跡分析

不同時(shí)間大型藻類分布范圍的中心點(diǎn)可以代表其漂移位置變化。根據(jù)時(shí)間跨度繪制2021 年大型藻類的漂移軌跡,結(jié)果見(jiàn)圖8。2021 年大型藻類在東海外海海域首次被監(jiān)測(cè)到,整體從南向北、從外向內(nèi)逐漸漂移,值得注意的是,5 月中旬—下旬期間大型藻類主體在35°N 線附近停留徘徊20 余天,隨后6 月上旬越過(guò)35°N 線向山東南部外海漂移聚集并最終于此消散。此次大型藻類災(zāi)害產(chǎn)生時(shí)間較早、消亡時(shí)間較晚、在快速生長(zhǎng)期停留在適宜生長(zhǎng)區(qū)過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致產(chǎn)生了較往年更為嚴(yán)重的影響。

圖8 2021年大型藻類移動(dòng)軌跡圖Fig.8 Trajectory of macroalgae in 2021

大型藻類的移動(dòng)主要受海面風(fēng)和表層海流的共同影響。根據(jù)中國(guó)氣象局和船舶現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的氣象資料,分析2021 年4 月下旬—5 月中旬射陽(yáng)海域風(fēng)向出現(xiàn)異常,以偏北風(fēng)和偏東風(fēng)為主,偏南風(fēng)頻率降為近十年最低值,其中5 月偏北風(fēng)風(fēng)力明顯高于近十年均值,偏北風(fēng)限制了大型藻類北移。蘇北輻射沙洲北側(cè)海域的潮流以南北往復(fù)流為主,潮致余流較小,對(duì)大型藻類南北凈運(yùn)輸影響不大,而對(duì)漂移起主要作用的是風(fēng)致表層流,其與風(fēng)作用基本一致。風(fēng)和流的共同作用導(dǎo)致大型藻類5月中下旬在蘇北輻射沙洲一帶海域滯留。從現(xiàn)場(chǎng)船舶監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,大型藻類移動(dòng)軌跡與遙感監(jiān)測(cè)基本一致。

2.4 大型藻類生長(zhǎng)過(guò)程分析

借助大型藻類的密集度變化對(duì)其生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行分析。密集度是藻類覆蓋面積與分布面積的比值,主要用于評(píng)價(jià)大型藻類發(fā)展階段和增長(zhǎng)速度。通過(guò)密集度的計(jì)算,在一定程度上能夠減少云霧覆蓋因素的干擾。2021 年黃海海域大型藻類密集度見(jiàn)圖9。由圖可見(jiàn),大型藻類密集度在不同階段特點(diǎn)明顯,整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。5 月中旬大型藻類進(jìn)入發(fā)展期,密集度開(kāi)始迅速增長(zhǎng),6 月中旬藻類進(jìn)入爆發(fā)期,密集度達(dá)到頂峰并且維持較高水平,7 月中旬后大型藻類進(jìn)入消亡期,密集度迅速下降到較低水平并持續(xù)到結(jié)束。

圖9 2021年黃海海域大型藻類密集度Fig.9 Density of macroalgae in the Yellow Sea in 2021

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察(見(jiàn)圖10)和密集度統(tǒng)計(jì)分析,5 月中旬前為大型藻類發(fā)生階段,密集度維持在0.5%以下的較低水平并緩慢增長(zhǎng)。5 月中旬—6 月上旬為大型藻類發(fā)展階段,海水溫度、鹽度、光照等條件有利于大型藻類的生長(zhǎng),密集度開(kāi)始快速增長(zhǎng)至2.0%,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也表明5 月中旬大型藻類呈零散團(tuán)狀或條帶狀分布且較為分散。6 月中旬—7 月上旬為大型藻類爆發(fā)期,自然條件適宜滸苔等大量繁殖,密集度達(dá)到高峰并維持在2.0%~3.0%的較高水平,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也反映該時(shí)期大型藻類呈大面積塊狀或條帶狀分布,密集程度高、厚度較大。7 月中旬后為大型藻類消亡期,受自然環(huán)境變化影響,大型藻類不再繁殖增長(zhǎng)且開(kāi)始消亡,密集度呈迅速下降趨勢(shì)。7月下旬后受到臺(tái)風(fēng)、水溫等環(huán)境影響,藻類消亡速度加快,密集度低于1.0%,空間上呈零星分布,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)滸苔等呈斑塊狀分布,不能成片覆蓋海面并出現(xiàn)白化滸苔,說(shuō)明大型藻類已經(jīng)進(jìn)入消亡階段,與密集度結(jié)果一致。因此,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以看出密集度能夠反映大型藻類爆發(fā)—消亡的整個(gè)過(guò)程。

圖10 2021年黃海大型藻類實(shí)地考察圖片F(xiàn)ig.10 Field survey of large algae in the Yellow Sea in 2021

3 結(jié)論

基于2021 年的HY-1C/D(CZI)遙感影像數(shù)據(jù),采用NDVI、彩色影像目視解譯等方法對(duì)2021 年黃海海域大型藻類信息進(jìn)行提取,并對(duì)大型藻類的分布面積、覆蓋面積、時(shí)空分布、密集度進(jìn)行分析。結(jié)果表明:

①?gòu)臅r(shí)間分布來(lái)看,2021 年大型藻類可監(jiān)測(cè)時(shí)間為4 月17 日—8 月25 日,持續(xù)時(shí)間大約為130 d,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。大型藻類的生長(zhǎng)周期可以分為4個(gè)階段,即4 月—5 月中旬為發(fā)生階段,5 月中旬—6 月上旬為發(fā)展階段,6月中旬—7月上旬為爆發(fā)階段,7月中旬—8月下旬為消亡階段。

②從空間分布來(lái)看,2021 大型藻類災(zāi)害總體由南向北漂移,發(fā)生階段大型藻類中心主要集中在東海以及黃海和東海交界處海域。5 月上旬大型藻類進(jìn)入黃海海域,5 月下旬徘徊在35°N 以南蘇北輻射沙洲海域;6 月上旬主體密集區(qū)越過(guò)35°N 并逐漸向北移動(dòng),最終到達(dá)山東南部外海海域并開(kāi)始影響沿岸城市;7 月—8 月下旬大型藻類主體逐漸消散。與往年(2009—2021 年)大型藻類峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,此次大型藻類災(zāi)害總體上呈現(xiàn)時(shí)間提前、持續(xù)時(shí)間更久、峰值分布面積和覆蓋面積更大等特點(diǎn)。

③從密集度分析結(jié)果來(lái)看,大型藻類發(fā)生階段密集度較低;發(fā)展階段由于藻類快速生長(zhǎng),密集度也迅速增長(zhǎng);爆發(fā)階段密集度達(dá)到高峰;消亡階段隨著藻類消亡,密集度下降。密集度整體呈現(xiàn)從小到大再到小的變化特點(diǎn),最大值出現(xiàn)在6月中旬,表明大型藻類呈現(xiàn)先生長(zhǎng)再聚集最后消亡擴(kuò)散的變化特點(diǎn)。

通過(guò)業(yè)務(wù)化工作驗(yàn)證,表明HY-1C/D(CZI)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)黃海海域大型藻類的應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),大大減少了混合像元造成的解譯結(jié)果誤差。此外HY-1C/D(CZI)衛(wèi)星采用上、下午衛(wèi)星組網(wǎng),可增加觀測(cè)次數(shù),基本滿足大型藻類監(jiān)測(cè)的需要。與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)果相比,本文得到的大型藻類的分布面積和覆蓋面積更精確,圖幅范圍更大,因此能大范圍精確地監(jiān)測(cè)大型藻類。此方法可以為大型藻類遙感監(jiān)測(cè)工作提供更為精確和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù),為制作大型藻類精細(xì)監(jiān)測(cè)模型提供更為精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

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