基于多源、多时相遥感影像的黄、东海绿潮影响区检测
基于多源、多时相遥感影像的黄、东海绿潮
影响区检测
第31卷,第6期
2011年6月
光谱学与光谱分析Vo1.31,No.6,pp1644—1647
SpectroscopyandSpectralAnalysisJune,2011 基于多源,多时相遥感影像的黄,东海绿潮影响区检测
邢前国,郑向阳,施平,郝佳佳,禹定峰,梁守真,刘东艳,张渊智
l_中国科学院烟台海岸带研究所,海岸带环境过程重点实验室,山东烟台264003 2.香港中文大学,太空与地球信息科学研究所,新界沙田,中国香港 摘要利用不同空间分辨率,多时相卫星遥感数据,对2007--2010年间黄海,东海发生的绿潮(大型绿
藻——浒苔)进行了监测与评估.江苏北部浅滩沿岸水体浑浊,浒苔在该海域中光谱混合现象严重,高空间
分辨率的遥感影像有利于其检测;在水体极浑浊的射阳河口检测到的浒苔离岸最近距离为1km左右.反演
结果表明,浒苔在5月初会沿苏北沿岸流向南漂移,影响东海海域;随着东亚夏季季风的加强,浒苔主要漂
向南黄海并影响山东半岛邻近海域;在有利的风和海流作用下,亦可横跨黄海,影响朝鲜半岛南部邻近海
域.
关键词绿潮;浒苔;遥感;黄海;东海
中图分类号:0433.1;X87文献标识码:ADOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2011)06—1644—04
引言
2008年夏季,我国青岛近海经历了,一场由大型绿藻——
浒苔(U/vaproli)大规模暴发所致的绿潮事件.大规模
的浒苔暴发,不仅给海上交通,观光旅游等活动产生影响, 而且,由于与水体富营养化密切相关,它亦可带来一系列生 态问题.通过改变正常的水下光照及生物化学条件,浒苔暴 发可引发水下生物活动的异常,例如,珊瑚白化l1],海草生 境的退化l3j.国外有类似的大型藻类在沿岸聚集的事件,如 芬兰湾?4],法国的大西洋海岸[]以及其他地域[],此类事 件中其藻类均来自本地;墨西哥湾亦曾监测到大量的马尾藻 条带l8],尽管尚未发现其在近岸聚集的现象.近年,除青岛 海域绿潮连年暴发外,山东半岛北部的烟台有关海域绿潮也 较为严重;2010年6月初,我国南方三亚海域也出现过绿 藻.
一
些学者运用遥感手段揭示了2008年青岛浒苔来源于 南黄海中部这一现象l9;结合遥感,野外调查等手段,有学 者进一步提出了浒苔源于苏北沿岸之观点l】";亦有学者运
遥感 用多种传感器数据对2008年浒苔的分布进行监测[1.在绿潮监测中起到重要作用,但由于受研究时空尺度,遥感 资料的时空分辨率等因素限制,我们在绿潮形成过程,影响 区域等问题上认识不足.对地观测卫星双星一EOS(earthob— servingsystem)Terra/Aqua上的M()DIS(moderateresolu— tionimagingspectroradiometer)传感器的空间分辨率可达250 m,对同一地区可实现一天观测一次;陆地卫星Iandsat-TM (thememapper)空间分辨率则达3Om,可对MODIS遥感影 像难以有效监测的细小地物进行识别.本研究拟运用Land— sat-TM及M0DIs数据对2007年以来的浒苔暴发进行监测, 以期对其来源,动态分布特征有全面,客观的认识. 1数据与方法
本研究主要采用2007年以来的Landsat-TM,EOS-MO— DIS(Terra/Aqua)遥感数据.根据浒苔的生活特性,重点观
测季节为每年的4月8月,观测区为黄海,东海及其邻近 水体.如图1所示,浒苔在可见光波段的反射光谱与陆地植 被类似,漂浮的浒苔可用归一化植被指数(NDVI,normal— izeddiferencevegetationindex)进行识别.NDVI的计算公式 为
NDVI一(1)
/KNIR1-/~RED
其中Rm和RRED分别为近红外,红光波段的反射率,针对 LandsatTM与EOS-MODIS传感器,分别采用第3和4波段 与第1和2波段.
在绿潮形成的不同时期,浒苔斑块大小,形状差异较 大,特别是在形成初期,斑块相对较小,采用MODIS影像 时,与水体会有严重的光谱混合的现象.本研究区水体浑浊 收稿日期:2010—0722.修订日期:2010—10—10 基金项目:中国科学院知识创新工程项目(KzCX2一Yw_Q07—01)和山东省科技
创新项目(2007GG2QT06019)资助
作者简介:邢前国,1975年生,巾国科学院烟台海岸带研究所副研究员
e-mail:xingqg@163.com 第6期光谱学与光谱分析1645
程度差异很大,如图2所示,其不同背景水体的光谱存在明 显差异.因此,为尽可能地不漏掉浒苔信息,本研究采用不 同空间分辨率的影像数据,针对不同水体采用不同的NDVI 阈值来提取浒苔斑块信息.采用动态NDVI阈值的方法,亦 可把受太阳耀斑,薄云等影响的区域的浒苔识别出来. 0?6
0.5
.?
.'3
0.2
0.1
0
4005006OO700800900
Wavelength/nm
Fig.1Redandnear-infraredbandconfigurationsofLandsat
TMandE0SMODIS:L3,IandM1,M2.Thecurve isremotesensingreflectanceofEnteromorphaprolif—
erameasuredbyportablespectrometer 0.20
0?16
吾O-12
《
0.08
0,04
O
400800l200l60020002400
Wavelength/rim
Fig.2TOA(topofatmosphere)reflectanceof differenttargetsrecordedbyLandsatTM CW:Clearwater;GT:Greentidepatches;MIX(GT-CW):Mixture
ofclearwaterandgreentidepatches;HTW:Highlyturbidwater;
TW:Turbidwater;LV:Landvegetation 2结果与讨论
2.1浒苔分布与影响的动态特征
如图3所示,2007年以来的浒苔暴发影响区分布在黄海
与东海广大的海域,北到山东半岛荣成附近海域(北纬
36.5.),南到浙江省外侧东海水域(北纬29.).在有利的海面
风应力作用下,如2009年6月14日,浒苔亦可向东漂移,
横跨黄海,影响到鲜朝半岛附近的海域,因此,可能会带来
跨国境的生态风险.针对2008年浒苔暴发的相关研究[1"],
主要在南黄海小部分海域(如图3中黑线圈所示范围).2008
年,仅在青岛附近海域,就收集了100万吨左右的浒苔,但,
如遥感监测所示,大量的浒苔分布在东海,黄海的外海,没
有聚集在岸边,也没有被收集.因此,尽管尚无较准确的数
据,但是浒苔的产生量应远远高于在青岛海域的收集量.覆
盖的面积可作为浒苔生产量的近似测度,但是大量浒苔并非
浮在水面上,而是在水下l1,水面以下的浒苔的遥感提取技
术还有待开发.本研究采用的是光学遥感数据,卫星过境
时,云的存在也会减少观测到浒苔的机会.因此,浒苔的实
际影响区不会小于如图3所示的海域,如此大规模绿潮的生
态效应引起重视.
Fig.3Areaimpactedbygrt~iltideintheYellowSeaandthe
EastChinaSea.Theoval.shapedcircleistheareamost—
lyfocusedin2008
黄海西部沿岸流变化受局地风场变换影响.遥感反演的
结果显示,在2008年5月至8月期问,海表风场为西南风和
东南风,这与浒苔向西北方向迁移的路径相吻合;数值模拟
同时期的黄海海表海流结果显示,海流流向也与该路径一
致l】.].如图4所示,在5月初期,有大量浒苔在长江口外侧
及东海海域分布,该现象在以前的研究中没有受到充分关
注,从而造成我们在浒苔来源,迁移特征等认识上的不足.
以往的研究大多集中在南黄海海域,只关注到浒苔在6,7月
Fig.4Macro-algaepatchesandtheturbidwaterplluneinthe
earlyMayof2008.Bands1,4,and3ofMODIS acquiredOil3-May-2008areusedtoformtheRGB composite.Macro-algaepatchesdetectedon7-May- 2008aledistributedinthepathofSubeicoastalcurrent
indexedbyturbidplumeinthisimage Z.0Z.8nZ.nZ.nZ.nZnZ.?
Z.?nZ.nZ.nZ.NnZ.0n
1646光谱学与光谱分析第31卷
份主要在风的作用下向北迁移并影响青岛,山东半岛沿岸及 海域u.5月初期浒苔的分布与一支浑浊水舌的位置密切相 关,而该浑浊水舌正是携带苏北浅滩大量泥沙的苏北沿岸流 的光学表征l】.主要在苏北沿岸流的作用下,浒苔向南可漂 至东海北纬29.附近(2008年5月713,图4).2009年5月7 日遥感探测出的浒苔分布与苏北沿岸流浑浊水舌也相吻合. 2010年5月初,在长江口外侧水域也观测到浒苔,这与 上述过去两年同期随苏北沿岸流南下的浒苔漂移路径相一 致;与往年同期,致,2010年6月在连云港东北部海域及青 岛外侧海域也观测到大规模绿潮.东海,黄海的浒苔漂移总 体特征表现为:在5月初,即,东亚夏季季风(南风)还较弱 的阶段,浒苔主要随苏北沿岸流向南到达长江口及东海海 域;在东亚夏季季风的强盛时期,即,6和7月份,浒苔则主 要随表层海流向北漂移并影响青岛,山东半岛附近海域. 2.2高空间分辨率遥感与浒苔来源
2007年6月17日的LandsatTM数据显示(如图5),自 极浑浊的射阳河口至苏北浅滩浑浊水团北部较清澈的南黄海 水体,均有斑块大小不等的浒苔出现;由遥感识别出的浒苔 距射阳河口岸基的最近距离为lkm左右.2008年的浒苔漂 移轨迹显示,青岛的浒苔主要来自苏北浅滩浑浊水体北部边 缘,但由于遥感数据的分辨率及浑浊水体特性等因素的影 响,无法更确切地探测到浒苔来源.2009年在苏北射阳河口 的海上实地调查中,有较小的斑块在射阳河口发现.这些浒 120.E122.E
Fig.5Macro-algaeretrievedfromLandsatTM
inlageacquiredon17-Jun~2007 References
苔是来自陆上养殖池塘_1,还是海水中的紫菜养殖?1,或 者有其他来源,仅从遥感影像尚不能确定,但由此结果可以 推定,这些浒苔从苏北沿岸漂向黄海南部并大面积暴发. 2009年7月14日的遥感影像也显示,大量浒苔沿苏北浅滩 辐射状沙脊向外侧分布.
采用同期分辨率为500m的MODIS数据,或者,其最精 细的250m空间分辨率的数据,则很难从苏北浅滩浑浊水体 中探测到浒苔.其原因主要为:(1)绿潮形成初期斑块较小, 特别是高浑浊水体本身较差的光环境可能限制浒苔的快速生 长,如,射阳河VI水体的透明度不到0.1m;(2)高浑浊水体 在可见光波段反射信号较强(见图2),同样大小的浒苔班块 与浑浊水体信息混合后,较清洁水体更难识别.当浒苔进入 透明度高的水体中,良好的光照条件有利于其快速繁殖促使 浒苔斑块增大,在风的作用下,Langmuir环流也会促使浒苔 斑块成条状聚集l1,从而更易于为遥感所探测.Hu等[16]利 用空间分辨率为30m的Landsat影像对2000--2009年间的 苏北沿岸的浒苔分布进行检测,发现每年均有小规模的浒苔 在该海域分布,但在空间分辨率较低的MODIS遥感影像中 往往检测不到.
3结论
本研究利用2007至2010年不同空间分辨率的遥感数据 对我国黄海,东海的绿潮进行了监测.结果显示,在绿潮形 成的初期5月初,来自江苏北部浅滩沿岸浑浊水体的浒苔通 常会沿苏北沿岸流向南漂移,影响东海海域;随着东亚夏季 季风的增强,浒苔主要漂向南黄海;我国黄,东海绿潮影响 区范围广泛,北到山东半岛荣成以东的海域,南到浙江以东 的东海大陆架区,亦可横跨南黄海,影响朝鲜半岛南部附近 海域.近年,我国近海大型绿藻暴发的频次越来越高,特别 是自2007年以来,青岛附近海域连年发生的大规模的绿潮,
引起了国内外的广泛关注.本遥感监测结果表明,黄,东海
浒苔的产生量与影响区要远远高于目前的预期.我国近海岸
大型绿藻暴发的机理与可能的生态效应亦有待进一步研究与
评估.
致谢:本研究的海上现场调查得到了中国科学国际合作
伙伴
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
,中国科学院海洋研究所开放航次平台及中科院烟
台海岸带研究所郝彦菊博士等的大力支持.美国NASA及
USGS等机构为本研究提供遥感数据支持.作者在这里深表
感谢.
[1]HughesTP.Science,1994,266:1547.
[2]Norstr6mA,Nystr6mM,LokrantzJ,eta1.MarineEcologyProgressSeries,2009,376:295.
[3]HauxwellJ,CebrianJ,FurlongC,eta1.Ecology,2000,82:1007. [4]VahteriP,MfikinenA,SaloviusS,eta1.Ambio:AJournaloftheHumanEnvironment,2000,29(6):338
[5]CharlierRH,MorandP,FinklcW.InternationalJournalofEnvironmentalStudies,2009,65(2):191.
[6]HiraokaM,OhnoM,KawaguchiS,eta1.Hydrobiologia,2004,512:239. [7]ValielaI,MeClellandJ,HauxwellJ,eta1.LimnologyandOceanography,1997,42:1105. 第6期光谱学与光谱分析1647
8
9
1O
11
12
[13]
[143
[15]
[183
GowerJFR,HuCM,BorstadGA,eta1.IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensin
g,2006,44:3619.
ShiW.WangMH.JournalofGeophysica1Research-Oceans,l14,C12010,doi:10.1029/2009JC005513.
IiuDY,KeesingJK,XingQG,eta1.MarinePollutionBulletin,2009,58(6):888. PangSJ,LiuF,ShanTF,eta1.MarineEnvironmentalResearch,2010,69:207. JIANGXing-wei,LIUJian-qiang,ZOUBin,etal(蒋兴伟,刘建强,邹斌,
等).ActaOceanologicaSinica(海洋),2009,31(1):
52.
LnXG,QiaoFLGeophysicalResearchLetters,2008,35,L23614,doi:10.1029/2008GL036084.
SUNXiao-gong,FANGMing,HUANGWei(孙效功,方明,黄
伟).OceanologiaetI.imnologiaSinica(海洋与湖沼),2000,31(6):
581.
ThorpeSA.MarinePollutionBulletin,2009,58(12):1787.
HuC,"D,ChenC,eta1.JournalofGeophysicalResearch,2010,115,CO5017,doi:10.1029/2009JC005561.
Monitoring''GreenTide''intheYellowSeaandtheEastChinaSeaUsing Multi-TemporalandMulti--SourceRemoteSensingImages
XINGQian-guo,ZHENGXiang-yang,SHIPing,HAOJia-jia,YUDing-feng,LIANGShou-zhen,LIUDong-yanI,
ZHANGYuan-zhi
1.KeyLaboratoryofCoastalEnvironmentProcesses,YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences,
Yantai264003,China
2.InstituteofSpaceandEarthInformationScience,TheChineseUniversityofHongKong,Shatin,NT,HongKong,China
AbstractLandsat-TM(ThemeMapper)andEOS(EarthObservingSystem)——
MODIS(MODerateresolutionImagingSpectrora
diometer)Terra/Aquaimageswereusedtomonitorthemacro-algae(U/vaprolife?-12)bloomsince2007attheYellowSeaand
theEastChinaSea.AttheturbidwatersofNorthernJiangsuShoal,thereisstrongspectralmixingbehavior,andsatellite
imageswithfinerspaticalresolutionaremoreeffectiveindetectionofmacro-algaepatches.Macro-algaepatchesweredetectedby
theLandsatimagesforthefirsttimeattheSheyangestuarywhereisdominatedbyveryturbidwaters.TheMODISimages
showedthatthemacro-algaefromtheturbidwatersneartheNorthernJiangsuShoaldriftedsouthwardlyintheearlyofMayand
affectedtheEastChinaSeawaters;withthestrengtheningeast-asianSummerMonsoon,macro-algaepatchesmainlydriftedina
northwardpathwhichwasmostlyobservedattheYellowSea.Macro-algaepatcheswerealsofoundtodrifteastwardlytowards
theKoreaPeninsular,whicharesupposedtobedrivenbytheseasurfacawind. KeywordsGreentide;U/vaprolifera;Remotesensing;Yellowsea;EastChinasea (ReceivedJu1.22,2010;acceptedOct.10,2010)