近海區(qū)域海水水質(zhì)遙感監(jiān)測方法

馬 寧，母景琴，杜瑞慶

（唐山師范學院 計算機科學系，河北 唐山 063000）

近海區(qū)域海水水質(zhì)遙感監(jiān)測方法

馬 寧，母景琴，杜瑞慶

（唐山師范學院 計算機科學系，河北 唐山 063000）

我國近海區(qū)域海水水質(zhì)由于水體富營養(yǎng)而呈現(xiàn)變壞的趨勢，發(fā)生赤潮的次數(shù)越來越多，而赤潮與水體中葉綠素a的濃度有關(guān)。通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演出近海區(qū)域海水中葉綠素a的濃度分布，可以高效地對大面積海域進行長時間連續(xù)地監(jiān)測，從而為海洋防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學參考依據(jù)。

海水水質(zhì)；衛(wèi)星遙感監(jiān)測；水體富營養(yǎng)化；赤潮；葉綠素a

我國近海區(qū)域海水水質(zhì)隨著沿海經(jīng)濟的發(fā)展呈現(xiàn)變壞的趨勢，近幾十年由于水體富營養(yǎng)化而發(fā)生過多次赤潮，為漁業(yè)帶來巨大損失，有時候還威脅到人畜的生命。因此，對于近海區(qū)域海水水質(zhì)的監(jiān)測，并從監(jiān)測數(shù)據(jù)中找到發(fā)生赤潮的規(guī)律及赤潮產(chǎn)生的原因至關(guān)重要，除了現(xiàn)場采集海水樣品進行分析研究之外，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對海水水質(zhì)的監(jiān)測越來越受到專家的重視。

1 水體富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化是指水體在自然因素和（或）人類活動的影響下，大量營養(yǎng)鹽（如氮、磷等）隨著流水流入到湖泊、水庫、河口、海灣等水體，使水體在比較短的時間內(nèi)由貧營養(yǎng)狀態(tài)向富營養(yǎng)狀態(tài)變化的一種現(xiàn)象。在不受人類干擾或很少受到人類干擾的自然條件下，湖泊這種從貧營養(yǎng)狀態(tài)過渡到富營養(yǎng)狀態(tài)的自然過程非常緩慢，一般需要上千年或更長時間；而人為排放的工業(yè)廢水與生活污水中含有大量的使水體富營養(yǎng)化的營養(yǎng)物質(zhì)，因此在短時間內(nèi)可以使水體富營養(yǎng)化，且這種狀態(tài)會持續(xù)較長時間[1]。其最主要的表現(xiàn)是：藻類及其它浮游生物的繁殖速度變快，藻類等大量生物越來越多，使水體含氧量下降，水質(zhì)逐漸惡化，因為缺少氧氣而使得魚類及其他生物大量死亡。

水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時的最主要表現(xiàn)是：浮游藻類大量繁殖，即所謂的“水華”。由于占優(yōu)勢的浮游藻類因種類不同而擁有不同的顏色，水面往往呈現(xiàn)不一樣的顏色：例如藍色、紅色、棕色、乳白色等。海洋中的“赤潮”就是海水中出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象。

富營養(yǎng)化會影響水體的水質(zhì)，由于大量藻類等浮游生物的快速繁殖，在水面上吸收更多的陽光，而造成水的透明度降低；因此水底的植物很難得到充足的陽光，很難進行充足的光合作用，可能會造成水中溶解氧含量過大，呈過飽和狀態(tài)。水體中的溶解氧過多還是過少，都會對水中的動物造成大量的損害，甚至造成動物的大量死亡。同時，由于富營養(yǎng)化而瘋長的藻類植物，會在水體中表面形成一層“綠色浮渣”，使得水底的有機沉積物在缺少氧氣的條件下分解出一些有害氣體，這些氣體會傷害到水中的動物，特別是魚類。因富營養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，若它們的含量超過一定的標準，這種水就會對飲用它的人和動物造成傷害，甚至因此發(fā)生中毒生病的現(xiàn)象。在形成“綠色浮渣”后，水下的植物因為氧氣的缺少而不能進行充足的光合作用。長此下去，水內(nèi)氧氣會越來越少，到最后也會使得水內(nèi)的一些植物因缺氧而死亡。死去的藻類和生物增加到一定程度，水體就會開始變臭，因而被污染，再不適合被飲用和使用。近幾十年，由于富營養(yǎng)化引起的環(huán)境問題變得越來越嚴重，因此有必要建立一種科學、統(tǒng)一的評價方法，以便加強對湖泊、河口、海灣等水體的管理，保護它們的生態(tài)環(huán)境。

大部分科學家認為水體中營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高的最主要原因是藻類在短時間內(nèi)大量繁殖。其中含磷物為其關(guān)鍵因素。影響藻類生長的因素很多，有陽光、水溫等物理因素，也有pH值、營養(yǎng)鹽類等化學因素，還有一些生物因素。因此，要找到藻類等生物的快速繁殖規(guī)律，就需要找到它們繁殖速度與營養(yǎng)物質(zhì)濃度之間的關(guān)系；如果考慮到所有因素，則預(yù)測模型是非常復雜而難以得到。因此，采用一些可以觀測并計算的方式來進行預(yù)測，現(xiàn)在采用最多的指標是：水體中氮含量超過0.2-0.3 ppm，生化需氧量大于10 ppm，磷含量大于0.01-0.02 ppm，pH值7-9的淡水中細菌總數(shù)每毫升超過10萬個，因此而表征藻類數(shù)量的葉綠素a含量大于10 μmg/L。因此，可以通過葉綠素a進行水質(zhì)監(jiān)測，而且葉綠素a與水體透明度的關(guān)系也非常明顯。

評價水體富營養(yǎng)化的方法主要有：營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，營養(yǎng)度指數(shù)法和評分法。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法中根據(jù)水體透明度制定的卡爾森指數(shù)是最常用的評價水體富營養(yǎng)化的方法之一。后來，日本的相崎守弘等人提出了修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM），即以葉綠素a濃度為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。這也是近海水域海水水質(zhì)監(jiān)測使用最多的一個指數(shù)[2]。

2 我國近海區(qū)域赤潮發(fā)生情況

對近海區(qū)域海水水質(zhì)影響最大的自然災(zāi)害之一是赤潮。它是由于海水富營養(yǎng)化造成海洋浮游生物過度繁殖而致使海水變色的現(xiàn)象。赤潮一般會造成漁業(yè)經(jīng)濟的損失，而且大部分赤潮是有毒的，它們也會導致海洋生物的死亡，甚至會造成人畜死亡。因此，赤潮已經(jīng)成為全球海洋的公害之一，如何減少赤潮的發(fā)生、如何監(jiān)測赤潮從而得到它的發(fā)生規(guī)律等科研課題已經(jīng)成為國際海洋環(huán)境研究的重要內(nèi)容。

隨著我國海洋開發(fā)和沿海地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國赤潮災(zāi)害發(fā)生越來越頻繁。如圖1所示，在上個世紀90年代中期，我國沿海每年發(fā)生赤潮的平均次數(shù)不超過10次；進入21世紀以來，每年發(fā)生的赤潮次數(shù)逐年高速增加，2003年是赤潮發(fā)生次數(shù)最多的年份，為119次；隨后10年以來，赤潮發(fā)生次數(shù)盡管有所減少，但一直維持在60次以上的高位，只是在2011年和2013年發(fā)生次數(shù)稍低于60次。按此規(guī)律發(fā)展，我國沿海發(fā)生赤潮的次數(shù)將維持在40次以上的高位。赤潮災(zāi)害是我國海洋環(huán)境研究的重要內(nèi)容之一，其監(jiān)測與防治成了當今海洋環(huán)保的重大課題。

圖1 1996年-2013年我國沿海發(fā)生赤潮次數(shù)

目前，我國對于赤潮災(zāi)害的監(jiān)測手段主要有：船舶定點監(jiān)測、岸站和浮標監(jiān)測、衛(wèi)星（航空）遙感監(jiān)測等手段。衛(wèi)星遙感監(jiān)測是近幾十年來發(fā)展起來的最新監(jiān)測手段，它與以前的船舶定點監(jiān)測和岸站和浮標監(jiān)測對比而言，擁有不可比擬的優(yōu)點：它可提供大面積、長期、定點連續(xù)的觀測。利用多種監(jiān)測手段對比研究，是了解赤潮發(fā)生時間、覆蓋面積、發(fā)生的程度和擴散方向、發(fā)生規(guī)律等的重要手段。

3 衛(wèi)星遙感技術(shù)對赤潮發(fā)生的監(jiān)測

國外學者最先利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對赤潮災(zāi)害進行監(jiān)測，并通過水色來分析赤潮的發(fā)生[3-4]。海洋水色的衛(wèi)星遙測始于美國的CZCS（Costal Zone Color Scanner，海岸帶水色掃描儀）衛(wèi)星[5]?，F(xiàn)在這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)還來自SeaWiFS（寬視場水色掃描儀）衛(wèi)星[6]、TM（Thematic Mapper）衛(wèi)星[7]、AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer，高級甚高分辨率輻射儀）衛(wèi)星[8]。

從技術(shù)方面來看，國外主要利用數(shù)據(jù)模擬遙感與多波段遙感技術(shù)。Stumpf等[9]在研究赤潮時，根據(jù)赤潮的一些規(guī)律進行研究：赤潮發(fā)生時，因其表層水體顏色發(fā)生改變，其紅光段反射率下降，而近紅外波段反射率仍保持正常值；然后AVHRR和CZCS衛(wèi)星數(shù)據(jù)中水體反射率之比進行赤潮發(fā)生的認定。Kahru等[10]和Cullen等[11]在分析衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時，進行了大量的現(xiàn)場采集海洋觀測資料的工作，再通過建立輻射傳輸方程來反演赤潮的相關(guān)信息。國內(nèi)利用遙感數(shù)據(jù)對赤潮的研究也在本世紀初就已經(jīng)開始了。

黃韋艮等[12]在衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用計算機中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行計算，從而建立赤潮信息的一個模型，使赤潮探測的準確率提升到78.5%。其他一些學者根據(jù)赤潮發(fā)生時葉綠素a的變化規(guī)律，用遺傳算法進行反演，從而得到水體中葉綠素a的濃度分布情況，也獲得了較好的效果。趙冬至等[13]利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和實測的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)，應(yīng)用歸一化差值方法建立了葉綠素a的濃度分布模型，也取得很好的效果。

從上述的赤潮遙感監(jiān)測來看，各種衛(wèi)星資料因衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)方式不同而所取得的效果也不太一樣。比如TM衛(wèi)星重復的周期較長，很難監(jiān)測短時間內(nèi)發(fā)生的赤潮，更難探測到迅速發(fā)生的赤潮現(xiàn)象。AVHRR衛(wèi)星對海洋監(jiān)測的數(shù)據(jù)通道較少，其分辨率也很難達到1公里以下，因此對于較小的赤潮和詳細的赤潮信息來講，也不太合適。而且CZCS衛(wèi)星與SeaWiFS衛(wèi)星的分辨率也不太高，對于沿海區(qū)域來講，這些數(shù)據(jù)不夠精細。因此利用這些衛(wèi)星遙感技術(shù)對赤潮進行監(jiān)測的正確率有時候就不太高。

MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀）位于美國新一代對地觀測系統(tǒng)兩顆在軌業(yè)務(wù)衛(wèi)星之上，它的探測頻道很多，達到36個。有人把它看作是海洋水色衛(wèi)星上的SeaWiFS傳感器的延續(xù)。MODIS與SeaWiFS都有250 nm和500 nm探測通道，它們主要用來探測可見光。除此之外，MODIS還將0.66 μm～0.68 μm通道劃分成兩個，這樣就可以滿足提取二類水體中葉綠素a的需要。張春桂等[14]利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演得到了一個葉綠素a濃度分布圖，然后根據(jù)現(xiàn)場觀測到的葉綠素a濃度分布情況，進行了分析與對比；然后采用美國出品的SeaDAS軟件所提供的一些算法對福建沿海水域的葉綠素a濃度進行反演，所得的結(jié)果都有不同程度的偏高。從中得到OC3標準經(jīng)驗算法比較適合于福建近海葉綠素a濃度反演的結(jié)論。

由于各地近海水域水質(zhì)不同，引起赤潮發(fā)生的植物種類也有所區(qū)別，在衛(wèi)星數(shù)據(jù)表現(xiàn)上也有所不同。因此，不管利用何種衛(wèi)星數(shù)據(jù)對近海葉綠素a進行反演時，都需要經(jīng)過長時間多次迭代反演，從而找到適合當?shù)氐姆囱菽Ｐ?，為當?shù)爻喑睘?zāi)害的預(yù)防做出一定的貢獻。

4 總結(jié)

從20世紀90年代以來，我們近海發(fā)生赤潮的次數(shù)呈現(xiàn)出不斷增加并在高位徘徊的趨勢，由于赤潮會給人類帶來巨大的損失，對于赤潮的監(jiān)測則顯得非常重要。而赤潮的發(fā)生與水體中葉綠素a的濃度之間有著非常大的聯(lián)系，通過多種衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)反演出近海水域中葉綠素a的濃度分布，并結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)掌握赤潮發(fā)生的情況，從而找到赤潮發(fā)生的規(guī)律，可以為將來找到赤潮發(fā)生原因并減少赤潮發(fā)生次數(shù)打下良好的基礎(chǔ)。

[1] 王明翠,劉雪芹,張建輝.湖泊富營養(yǎng)化評價方法及分級標準[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2002,18(5)∶47-49.

[2] 張永豐,李欣陽,張萬磊,張建樂.微微型藻華爆發(fā)海域硅酸鹽與葉綠素a分布特征研究[J].生態(tài)科學,2013,32(4)∶509-513.

[3] 顧德宇,許德偉,陳海穎.赤潮遙感進展與算法研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2003,18(6)∶434-440.

[4] 趙輝,張淑平.中國近海浮游植物葉綠素,初級生產(chǎn)力時空變化及其影響機制研究進展[J].廣東海洋大學學報,2014, 34(1)∶98-104.

[5] Holligan P M, Viollier M, Dupouy C, et al. Satellite and ship studies of coccolithophore product ion along a continent al shelf edge[J]. Nature, 1983, 304∶ 339-342.

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[7] 胡德永,王杰生,王振生.陸地衛(wèi)星TM觀測到渤海灣赤潮[J].遙感信息,1991,6(3)∶11-14.

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[9] Stumpf R P, Mary A Tyler. Satellite detection of bloom and pigment distributions in estuaries[J]. Remote Sensing of Environment, 1998, 24∶ 385- 404.

[10] Kahru M, Mitchell B G. Spectral reflectance and absorption of a massive red tide off Southern California[J]. Journal of Geophysical Research, 1998, 103∶ 21601-21609.

[11] Cullen J J, Ciotti A M, Davis R F, et al. Optical detect ion and assessment of algal blooms[J]. Limonl Oceang, 1997, 42∶ 1223-1239.

[12] 黃韋艮,肖清梅,樓秀林.國內(nèi)外赤潮衛(wèi)星遙感技術(shù)與應(yīng)用進展[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2002,17(1)∶32-36.

[13] 趙冬至,傅云娜,趙玲,等.近岸海域水色算法真實性檢驗的不同葉綠素a測試方法換算模型[J].海洋環(huán)境科學,2007, 26(1)∶101-106

[14] 張春桂,曾銀東,張星,等.海洋葉綠素a濃度反演及其在赤潮監(jiān)測中的應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學報,2007,18(6)∶821-831.

（責任編輯、校對：田敬軍）

Initially Search of Remote Sensing Monitoring for Offshore Water Quality

MA Ning, MU Jing-qin, DU Rui-qing

(Department of Computer Science, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

Water quality presents the tendency of getting worse in Chinese offshore areas due to water body eutrophic. The number of red tide which is related to the concentration of chlorophyll a in sea water has occurred more and more. Though the inversion of distribution of chlorophyll a via satellite data, it is effective to monitor the large area of water for long time and provide scientific reference basis for the marine disaster prevention and mitigation work.

sea water quality; remote science monitoring; water body eutrophic; red tide; chlorophyll-a

TP79

A

1009-9115(2015)02-0069-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2015.02.021

唐山市科學研究與發(fā)展計劃項目（12140204A-4）

2015-02-03

馬寧（1973-），女，河北唐山人，碩士，副教授，研究方向為計算機應(yīng)用。