衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在海洋漁業(yè)中的應用

吳越+黃洪亮+劉健+等

摘要：隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在海洋漁業(yè)領(lǐng)域中已得到廣泛的應用，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)類型有很多種，每一種數(shù)據(jù)有不同的應用對象。根據(jù)收集到的文獻資料，對幾種主要的海洋漁業(yè)遙感數(shù)據(jù)的特點進行概括和總結(jié)，描述它們主要的應用對象，并根據(jù)南極海域的氣候特征，討論適合南極磷蝦漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，為今后南極磷蝦漁業(yè)的遙感技術(shù)研究提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：海洋漁業(yè)；衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)；南極磷蝦

中圖分類號： S127文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0223-03

收稿日期：2013-10-10

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201203018）；南北極環(huán)境綜合考察與評估專項（編號：CHINARE 2012/2016-01-06）；南極海洋生物資源開發(fā)利用專項；國家“863”計劃（編號：2012AA092304）。

作者簡介：吳越（1987—），男，江蘇泰興人，碩士，研究實習員，從事漁業(yè)遙感的研究。E-mail：wu.yue1006@163.com。

通信作者：黃洪亮，研究員，從事捕撈技術(shù)與漁業(yè)工程的研究。E-mail：ecshhl@163.com。海洋是海洋生物生存和活動的場所，海洋環(huán)境與海洋生物的生存息息相關(guān)，每一個環(huán)境參數(shù)的變化，都會引起海洋生物的分布、洄游、移動、集群的變化[1]，很多學者通過研究海水溫度、葉綠素a濃度及海冰等環(huán)境因子的變動，來掌握海洋經(jīng)濟魚類及其他海產(chǎn)生物的分布、洄游、移動、集群的變化，為海洋漁業(yè)資源開發(fā)、評估及管理提供必要的科學資料[2-6]。因此，在海洋漁業(yè)的開發(fā)和管理中需要實時、同步、高效地掌握海洋環(huán)境要素的變化，而傳統(tǒng)的實測海洋數(shù)據(jù)的方法無法滿足該要求。衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對地表信息長時間、大范圍、高精度的同步監(jiān)測，因此在漁場分布、漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測等研究中得到了越來越多的應用，但是隨著科技的發(fā)展，星載的衛(wèi)星傳感器越來越多，所獲得的數(shù)據(jù)類型也變得繁多。在海洋漁業(yè)應用中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)根據(jù)傳感器波段類型一般可分為光學遙感數(shù)據(jù)和微波遙感數(shù)據(jù)，光學遙感數(shù)據(jù)主要有NOAA/AVHRR（advanced very high resolution radiometer）數(shù)據(jù)、中分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroradiometer，簡稱MODIS）數(shù)據(jù)、Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)（包括MSS、TM、ETM+）、SPOT數(shù)據(jù)等；微波遙感數(shù)據(jù)常有Envisat、Radarsat-1、Radarsat-2等衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在研究過程中科技工作者有了更多的選擇，但同時還需要面對如何選擇合適數(shù)據(jù)的難題。本研究根據(jù)文獻資料，著重描述了常用于監(jiān)測海洋環(huán)境要素的幾種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的基本信息，并分析其特性以及可以應用的對象，使得在今后的研究中能方便快捷地選擇合理的數(shù)據(jù)源；同時討論了衛(wèi)星遙感在南極磷蝦漁業(yè)中的應用前景，選擇適合南極磷蝦漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，為今后的南極磷蝦漁業(yè)漁場分布及資源評估研究提供了基礎(chǔ)。

1光學遙感數(shù)據(jù)資料

1.1NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)

NOAA/AVHRR是NOAA系列衛(wèi)星的主要探測儀器，它是一種五光譜通道的掃描輻射儀，星上探測器掃描角為 -55.4°～+55.4°，星下點分辨率為1.1 km，由于掃描角大，圖像邊緣部分變形較大，實際上最有用的部分在-15°～+15°范圍內(nèi)（15°處的地面分辨率為1.5 km），這個范圍的成象周期為6 d[7]。

AVHRR遙感數(shù)據(jù)具有以下幾個特點：第一，覆蓋范圍大，幅寬為2 800 km，能夠完整地獲取大尺度范圍內(nèi)瞬時同步的海洋環(huán)境信息；第二，時間周期短，加上多星系統(tǒng)，周期更短，可以實時對海洋環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測，掌握其變化情況；第三，數(shù)據(jù)容量、處理量小。同時，AVHRR是國際共享資料，數(shù)據(jù)來源比較方便，國內(nèi)可以實時接收。

AVHRR數(shù)據(jù)可以用來連續(xù)地觀測大面積的海洋表面溫度、葉綠素濃度等環(huán)境要素的分布以及變化情況。我國學者很早就開始利用AVHRR提取海洋表面溫度、葉綠素濃度等信息，其中張松等利用AVHRR數(shù)據(jù)分析了1985年1月至2007年12月冬、夏2季渤海、黃海、東海表面溫度年際變化特征[8]；商少凌等通過對1997—1998年夏汛期間AVHRR海洋表層水溫的分析來推測臺灣海峽中上層魚類中心漁場的變動[9]；趙冬至等利用AVHRR數(shù)據(jù)的可見光和近紅外波段進行歸一化差值的方法和2個波段的比值與實測的數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系，來獲取近岸海域葉綠素濃度[10-14]。此外，AVHRR數(shù)據(jù)還可以應用到反演海表面懸浮泥沙濃度的研究中，李京利用AVHRR數(shù)據(jù)提取了杭州灣海域的懸浮泥沙含量[12]。

1.2MODIS數(shù)據(jù)

MODIS是搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上的一個重要的傳感器，是衛(wèi)星上唯一將實測數(shù)據(jù)通過X波段向全世界直接廣播，可以免費接收數(shù)據(jù)并無償使用的星載儀器。MODIS共有36個光譜波段，從0.4 μm（可見光）到14.4 μm（熱紅外）全光譜覆蓋，具有250、500、1 000 m空間分辨率，每1～2 d觀測1次地球表面。在軌道的夜間時段，只有熱紅外波段收集數(shù)據(jù)[13]。

MODIS數(shù)據(jù)具有以下幾個特點。第一，覆蓋范圍大。幅寬為2 330 km，能夠獲取大尺度范圍內(nèi)瞬時同步的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。第二，空間分辨率大幅度提高。由NOAA的千米級提高到了MODIS的百米級。第三，周期短。Terra和Aqua衛(wèi)星都是太陽同步極軌衛(wèi)星，Terra在地方時上午過境，Aqua在地方時下午過境，1 d可以過境4次，具有快速實時的監(jiān)測能力。第四，多波段數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)具有36個波段，多波段信息可以同時提供海洋水色、浮游植物等特征信息，增加了海洋復雜系統(tǒng)的觀測和識別能力等。endprint

MODIS數(shù)據(jù)的應用比較廣泛，劉良明等研究了MODIS數(shù)據(jù)反演黃海以及東海海域表面溫度的方法，建立了適合我國海域的MODIS海表面溫度遙感反演模型[14]；沙慧敏等利用MODIS數(shù)據(jù)反演了東海表面溫度、葉綠素a濃度時空分布特征，并分析了其年際變化[15]；錢莉等利用MODIS數(shù)據(jù)提取渤海的葉綠素a濃度，分析其時空變化特征[16]；王芳等基于MODIS數(shù)據(jù)和泥沙粒徑二元特征參數(shù)建立反演模型，來獲取渤海海洋表層懸浮泥沙濃度[17]；吳龍濤等利用MODIS數(shù)據(jù)的1B級數(shù)據(jù)對渤海海冰進行反演，提供海冰遙感圖像和海冰密集度、冰厚度數(shù)值產(chǎn)品[18]；張辛等利用MODIS數(shù)據(jù)，以中山站附近海域為研究對象，提取了該地區(qū)海冰范圍數(shù)據(jù)及其周圍溫度信息[19]。因此，MODIS遙感數(shù)據(jù)主要用于監(jiān)測海表面溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙、海冰等海洋環(huán)境要素。

1.3Landsat TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)

美國NASA的陸地衛(wèi)星（Landsat）自1972年7月23日以來已發(fā)射7顆（第6顆發(fā)射失?。andsat在不同階段裝載的傳感器不同，衛(wèi)星數(shù)據(jù)分為MSS、TM、ETM+數(shù)據(jù)。目前在海洋環(huán)境監(jiān)測中最常用的是TM數(shù)據(jù)，它是Landsat 4和Landsat 5攜帶的傳感器專題制圖儀（thematic mapper）所獲取的多波段掃描影像，從1982年發(fā)射至今，工作狀態(tài)良好，實現(xiàn)了連續(xù)地獲取地球影像。TM數(shù)據(jù)包含7個波段，波段1～5和波段7的空間分辨率為30 m，波段6（熱紅外波段）的空間分辨率為120 m[20]。

TM數(shù)據(jù)的主要特點有以下幾點。第一，空間分辨率高。空間分辨率比MODIS遙感數(shù)據(jù)更高，使得獲取的海洋環(huán)境信息更精確。第二，周期較長。Landsat 4、Landsat 5衛(wèi)星每16 d掃描同一地區(qū)，即16 d覆蓋全球1次。第三，覆蓋范圍偏小。幅寬為185 km，可以用于小范圍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測。第四，時間序列長。從1982年至今，TM遙感數(shù)據(jù)保持著良好的工作狀態(tài)，具有長時間監(jiān)測同一地區(qū)的能力，同時還可以與MSS和ETM+遙感數(shù)據(jù)進行互補，能夠更精確地獲取監(jiān)測信息。

TM數(shù)據(jù)較適合長期監(jiān)測海岸帶海域環(huán)境的變化。胡平香等利用1988—2003年之間不同時相的七景TM數(shù)據(jù)對江蘇省輻射沙洲的中部進行了灘涂演變的監(jiān)測[21]；鄭小慎等利用TM數(shù)據(jù)建立了9種波段組合，并與實測數(shù)據(jù)建立了渤海灣海表面葉綠素a濃度反演模型，發(fā)現(xiàn)4波段和3波段組合建立的回歸模型較適合渤海灣海表面葉綠素a濃度的反演[22]；邢飛等利用TM數(shù)據(jù)反演了江蘇近岸海域四季大面懸浮泥沙濃度，并與現(xiàn)場調(diào)查的實測數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明，利用TM數(shù)據(jù)反演的懸浮泥沙濃度基本上可以正確反映該地區(qū)懸浮泥沙濃度的時空分布趨勢[23]；國巧真等建立TM數(shù)據(jù)的海冰面積與MODIS和NOAA/AVHRR海冰面積之間的對應關(guān)系，用TM海冰面積來訂正MODIS和NOAA/AVHRR海冰面積，以提高這2種高時間分辨率遙感資料對海冰面積的判別精度[24]。從上述研究可以看出，TM數(shù)據(jù)主要用于海岸帶灘涂演變、岸線變化以及海岸帶海域懸浮泥沙濃度、葉綠素濃度、海冰等海洋環(huán)境變化的監(jiān)測。

2微波遙感數(shù)據(jù)資料

2.1合成孔徑雷達

星載合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，簡稱SAR）因其全天候、全天時、高分辨率、穿透力強等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。星載SAR系統(tǒng)的衛(wèi)星有很多種，包括ERS-1、ERS-2、Radarsat-1、ASAR、Radarsat-2等。

相對于光學遙感來說，微波遙感具有很多獨特的優(yōu)點：同步性、快速觀測性；全天時、全天候；微波輻射對地表具有一定的穿透能力；對某些地表物體具有特殊的波譜特征，例如冰在微波波段的比輻射率是0.99，但是水在微波波段的比輻射率為0.40，兩者數(shù)值相差巨大，可以很清楚地看出，微波遙感能輕易地將兩者分開[25]。

2.2Radarsat-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)

Radarsat-2是由加拿大航天局和麥克唐納/德特威樂聯(lián)合出資研制的星載合成孔徑雷達系統(tǒng)，設(shè)計的最高分辨率可以達到3 m，于2007年12月14日成功發(fā)射升空。它具有高分辨率成像能力以及多種極化方式，能夠根據(jù)指令進行左右視切換獲取圖像，縮短衛(wèi)星的重訪周期為24 d，增加了立體數(shù)據(jù)的獲取能力，另外還具有強大的數(shù)據(jù)存儲功能和高精度姿態(tài)測量及控制能力，成為了目前世界上最先進的商業(yè)合成孔徑雷達衛(wèi)星[26]。

Radarsat-2的SAR數(shù)據(jù)特點：第一，超精細分辨率。SAR圖像的分辨率最高可達3 m，是目前在商業(yè)衛(wèi)星中使用的最小分辨率。第二，全極化成像模式。多種極化模式提高了對地面區(qū)分識別和分類的能力，增加了SAR圖像的應用范圍。第三，成像選擇能力。既可左視也可右視，縮短了衛(wèi)星對探測區(qū)域重訪的時間，同時可以拍攝其他高分辨率衛(wèi)星拍攝不到的南極的一些區(qū)域。第四，幾何準確度提高。由于其載有GPS的接收系統(tǒng)，提高了衛(wèi)星系統(tǒng)定位的精度。第五，快速及時響應能力。

SAR數(shù)據(jù)在海洋漁業(yè)中主要用于監(jiān)測海冰信息，隨著科技的發(fā)展，其監(jiān)測技術(shù)逐步成熟。劉建強等利用Radarsat-1衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)對渤海海冰進行全面監(jiān)測，得到了渤海海冰的詳細特征[27]；朱海天等提出利用SAR數(shù)據(jù)建立渤海海冰遙感監(jiān)測系統(tǒng)[28]。Radarsat-2衛(wèi)星于2007年發(fā)射，與之相關(guān)研究偏少，Radarsat-2數(shù)據(jù)還有著其他方面的應用。李露鋒等利用Radarsat-2衛(wèi)星的SAR圖像對珠江口海域的葉綠素a質(zhì)量濃度進行了反演，獲得了良好的效果[29]；范開國等利用Radarsat-2衛(wèi)星的SAR圖像探測了臺灣淺灘淺海的水深，結(jié)果顯示，探測水深值的均方根誤差達到2.5 m，誤差小于10%[30]；張忠等利用衛(wèi)星同步實測漁船數(shù)據(jù)特征，與 Radarsat-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行對比，得出由Radarsat-2圖像數(shù)據(jù)得到的漁船的長寬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)具有良好的對應關(guān)系，為今后提高海上漁船監(jiān)測提供了有益參考[31]。在今后的研究過程中，Radarsat-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以得到更廣泛的應用。endprint

3衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在南極磷蝦漁業(yè)中的應用前景

南極磷蝦是目前已知的地球上資源量最大的單種生物，是南冰洋生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵種，國際上已有研究表明，南極磷蝦的時空變動與海冰的消長和葉綠素關(guān)系密切，受海冰的影響，漁場的漁期隨著季節(jié)的改變也會相應改變[32-34]。由于南極區(qū)域特殊的氣候特征，通過實地監(jiān)測手段并不能做到全面、實時的調(diào)查，因此實測調(diào)查數(shù)據(jù)比較缺乏，而衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應用滿足了大范圍、實時地監(jiān)測南極磷蝦漁業(yè)環(huán)境的需求。

國內(nèi)外對基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的南極海域環(huán)境相關(guān)的研究并不是太多，常用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型主要是MODIS、SAR數(shù)據(jù)[19，35-36]。MODIS數(shù)據(jù)雖然具有較高的分辨率，完全可以獲取比較精確的水色狀況和海冰信息，但是南極地區(qū)長期處于冬季，光照時間較短，且經(jīng)常有云覆蓋，導致該地區(qū)能夠用來研究的光學遙感數(shù)據(jù)相對缺乏[37]，研究時間段主要集中在南極夏季，說明MODIS數(shù)據(jù)難以滿足監(jiān)測南極水域海洋環(huán)境的需求。而微波遙感的全天候、高分辨率等特點，使得基于SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測南極海域海洋環(huán)境極為有效。同時，SAR數(shù)據(jù)中冰和水的比輻射率相差較大，可以區(qū)分冰和水的分界線，可以準確地獲取海冰的詳細特征。Radarsat-2作為目前最先進的星載SAR衛(wèi)星之一，其SAR數(shù)據(jù)具有較強的探測能力及獨特的優(yōu)勢，為今后南極海冰信息的遙感探測提供了保障。

4小結(jié)

本研究對幾種常用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作了概括介紹，同時根據(jù)其特點介紹了它們在海洋漁業(yè)中的應用對象。而海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中還有很多適合海洋漁業(yè)應用的數(shù)據(jù)，由于應用方向單一或者應用次數(shù)較少，文中并沒有一一列出，如可以用來監(jiān)測海洋葉綠素a濃度的SeaWIFs數(shù)據(jù)等。

隨著遙感技術(shù)的逐步成熟，形成了比較系統(tǒng)全面的技術(shù)方法，多尺度、多分辨率、全天候、高精度和快速靈活成為了今后遙感技術(shù)的發(fā)展方向，很多衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在逐步被新的數(shù)據(jù)所替代，希望廣大學者在今后的研究過程中能夠發(fā)現(xiàn)更好的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并加以運用。

在南極磷蝦漁業(yè)應用過程中，由于南極氣候的原因，南極海域海洋水色狀況研究相對較少，且相關(guān)研究精度偏低，在今后的研究工作中需要基于微波數(shù)據(jù)進行這方面的研究；同時還需要更多的實地調(diào)查，以獲取南極海洋環(huán)境信息，用于驗證和提高衛(wèi)星遙感反演南極海域環(huán)境信息的精度。

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