基于MODIS數(shù)據(jù)的日照市近海滸苔監(jiān)測(cè)及影響因子分析

孫慧， 謝小平

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，日照　276826)

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基于MODIS數(shù)據(jù)的日照市近海滸苔監(jiān)測(cè)及影響因子分析

孫慧， 謝小平

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，日照276826)

摘要：基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，利用MODIS全球地表反射數(shù)據(jù)，結(jié)合浮游藻類(lèi)指數(shù)(floating algae index，F(xiàn)AI)方法，以山東省日照市近海為研究對(duì)象，進(jìn)行滸苔信息識(shí)別與提取，分析2012年和2013年滸苔的時(shí)空分布特征與發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合海水表面溫度(sea surface temperature，SST)和熱帶測(cè)雨衛(wèi)星(tropical rainfall measuring mission satellite，TRMM)提供的逐月降水資料，揭示氣象因子與滸苔之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，為控制和治理滸苔提供信息支持。結(jié)果表明： 運(yùn)用FAI指數(shù)方法能夠較好地反演出日照市近海2012年及2013年5—7月海面滸苔分布面積及時(shí)空特征； 提取的滸苔信息表明，2013年滸苔強(qiáng)度與面積總體上均大于2012年； 海水表面溫度與月降水量對(duì)滸苔的生長(zhǎng)爆發(fā)有重要影響，滸苔在20℃~21℃之間最易繁殖，降水量的增加為滸苔生長(zhǎng)提供了更加有利的條件，2013年5—7月的水文氣象條件相對(duì)2012年更加有利于滸苔的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：滸苔； FAI指數(shù)； 海水表面溫度(SST)； 降水； 日照市近海

0引言

1研究區(qū)概況

日照市位于山東省東南部黃海之濱，全市陸域面積5 310 km2，海域面積6 000 km2。日照市海岸北起白馬河口，南至魯蘇交界處的繡針河口，海岸線總長(zhǎng)168.5 km。

2007年以來(lái)，黃海中部連續(xù)多年出現(xiàn)以滸苔為主的綠潮災(zāi)害，并多次影響日照市，使日照市近海海域成為綠潮高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[11]。滸苔災(zāi)害的頻繁爆發(fā)給日照市沿海生態(tài)環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及旅游業(yè)等造成了巨大的危害。本文以日照市近海為研究對(duì)象，為確保對(duì)滸苔發(fā)展過(guò)程研究的完整性，研究區(qū)選在E 119°~121.5°，N 34.5°~36.5°之間(圖1)。

圖1　研究區(qū)范圍示意圖

圖1中虛線所示部分為滸苔集中區(qū)域，此區(qū)域?qū)⒈粦?yīng)用于滸苔和氣象要素的分析中。

2數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

MODIS數(shù)據(jù)有較高的光譜和時(shí)間分辨率，對(duì)開(kāi)展自然災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、全球環(huán)境和氣候變化研究以及全球變化綜合性研究等發(fā)揮著重要作用。本文選用的影像數(shù)據(jù)來(lái)自NASA-MODIS網(wǎng)站(http: //reverb.echo.nasa.gov/reverb)提供的L1B級(jí)MODIS/TERRA數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD02(表1)和Oceans NASA網(wǎng)站(http: //oceancolor.gsfc.nasa.gov)提供的空間分辨率為4 km的逐日及逐月平均海水表面溫度(sea surface temperature，SST)數(shù)據(jù)，以及空間分辨率為0.25°的TMI星載微波成像儀逐月降水?dāng)?shù)據(jù)(http: //mirador.gsfc.nasa.gov)。

表1　MODIS數(shù)據(jù)選用波段信息詳情表

根據(jù)北海區(qū)海洋環(huán)境公報(bào)以及于風(fēng)[12]對(duì)黃海滸苔研究得出的結(jié)論，每年的5—7月為黃海海域滸苔的高發(fā)時(shí)期。因此本文選取2012和2013年日照市近海海域5—7月的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)源。選取其中天氣晴朗、云量較少的6景數(shù)據(jù)(2012年5月26日、6月22日、7月6日和2013年6月2日、6月20日、7月5日)進(jìn)行分析。由于2013年5月影像數(shù)據(jù)的遙感數(shù)據(jù)云量較大，質(zhì)量不夠理想，因此本文選用了同年6月2日的數(shù)據(jù)來(lái)反映5月份的滸苔情況。MODIS L1B數(shù)據(jù)自帶地理坐標(biāo)，通過(guò)ENVI 5.0的MRT模塊對(duì)其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換并運(yùn)用FLAASH模塊進(jìn)行大氣校正，消除由大氣散射引起的輻射誤差。由于MODIS數(shù)據(jù)分辨率相對(duì)較低，利用最近鄰域法將其空間分辨率為500 m的1，2波段重采樣成250 m。運(yùn)用SeaDAS海洋遙感分析軟件將SST數(shù)據(jù)重采樣成250 m，進(jìn)行掩模處理，并運(yùn)用彩色合成原理將原始灰度圖像轉(zhuǎn)換成彩色影像，進(jìn)行研究區(qū)域的影像數(shù)據(jù)解譯。

3研究方法

滸苔是1種富含葉綠素的大型綠藻，當(dāng)其覆蓋海面時(shí)，葉綠素對(duì)太陽(yáng)光的吸收、反射與散射作用會(huì)使海水表面的光譜特征發(fā)生改變。在波譜曲線上，水體在紅光波段、近紅外波段以及短波紅外波段表現(xiàn)為強(qiáng)烈的吸收特征，而含有滸苔的水體在近紅外波段(如MODIS的第2波段，參見(jiàn)表1)出現(xiàn)類(lèi)似于植被光譜曲線的高反射峰[13-15]。基于這些波譜特征，本研究使用胡傳民[10]提出的FAI指數(shù)法來(lái)提取滸苔信息。

FAI定義為

短期旋回基準(zhǔn)面下降期沉積的地層主要由三角洲平原和三角洲前緣富砂沉積物構(gòu)成。在平行物源方向的地震剖面上通常顯示明顯的楔狀體幾何形態(tài)，內(nèi)部連續(xù)、低角度的前積反射發(fā)育［3］。在三角洲進(jìn)積過(guò)程中，前緣沉積物發(fā)生滑塌，經(jīng)常在三角洲進(jìn)積體的坡角處或更遠(yuǎn)的深水湖區(qū)形成滑塌濁積巖，呈小型透鏡體狀，分布面積有限，厚度較薄，一般數(shù)米厚。

(1)

其中

(2)

(3)

式(2)—(3)中：L為傳感器經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)的輻射率；F0為大氣層外垂直入射的太陽(yáng)輻照度；θ0為太陽(yáng)天頂角；Rr為用6S模型[16]估算的瑞利散射反射率； 得到Rrc為瑞利校正后的遙感反射率值；Rrc，RED，Rrc，NIR和Rrc，SWIR分別為紅波段、近紅外波段和短波紅外波段經(jīng)瑞利校正后的反射率值；λ為MODIS各波段的中心波長(zhǎng)，本文中λRED=645 nm，λNIR=859 nm，λSWIR=1 240 nm。

選取2012年和2013年5—7月每個(gè)月滸苔爆發(fā)面積最大的1景影像，代表當(dāng)年當(dāng)月的滸苔發(fā)生情況。陸地的FAI值偏高，容易被誤判為滸苔覆蓋區(qū)域。為了消除陸地植被對(duì)滸苔監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，首先對(duì)陸地進(jìn)行掩模處理。在獲取FAI后，利用閾值法綜合判斷提取檢測(cè)海域的滸苔信息。不同時(shí)期滸苔分布范圍的大小、形狀特征均有不同，通常在5月份滸苔初步形成時(shí)，其分布較為分散且個(gè)體較小，故與周?chē)w差別較小。為了準(zhǔn)確地提取滸苔分布圖斑，本文基于已有研究，利用梯度法計(jì)算相鄰像元之間FAI值的梯度變化，并最終根據(jù)FAI值梯度確定閾值，利用閾值結(jié)合目視解譯提取滸苔圖斑。最后將滸苔提取結(jié)果輸入ArcGIS軟件中，計(jì)算滸苔面積等相關(guān)要素以便進(jìn)行后續(xù)分析。

4結(jié)果與分析

4.1滸苔的空間分布

根據(jù)FAI方法利用MODIS數(shù)據(jù)提取的滸苔信息顯示，滸苔從“出現(xiàn)—生長(zhǎng)爆發(fā)—消亡”存在一個(gè)顯著的周期性[17]。滸苔出現(xiàn)初期，日照市近海海域滸苔的面積和范圍較小，成片的滸苔主要集中于江蘇連云港以東的海面上，在東南風(fēng)以及由南向北黃海表層流的作用下滸苔逐步向日照市海域移動(dòng)； 6月份滸苔集中于營(yíng)養(yǎng)鹽豐富、降水與溫度適宜的黃海中部海域，滸苔進(jìn)入生長(zhǎng)爆發(fā)階段，繁殖速度加快，分布范圍明顯擴(kuò)大，日照市近海的滸苔達(dá)到最大規(guī)模； 此后由于滸苔的移動(dòng)以及人為打撈和自然死亡，日照市近海滸苔覆蓋面積逐步減少、趨于消亡。

從年際變化看，2013年日照市近海以及整個(gè)黃海海域的滸苔覆蓋面積明顯高于2012年。2012年滸苔出現(xiàn)初期(即5月)，日照市近海只有零星滸苔出現(xiàn)； 2013年初期成片滸苔已經(jīng)出現(xiàn)在日照市近海，滸苔的覆蓋面積和規(guī)模明顯較2012年大且有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)。滸苔進(jìn)入生長(zhǎng)爆發(fā)階段時(shí)，大面積滸苔出現(xiàn)在日照市近海以及黃海海域。MODIS圖像處理結(jié)果顯示，2013年6月日照市近海滸苔覆蓋面積高達(dá)1 504.49 km2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2012年同時(shí)期的86.22 km2。7月初滸苔沿著海岸線向東北漂移，徘徊數(shù)日后到達(dá)青島及煙臺(tái)沿岸。日照市近海滸苔逐漸消亡，最終因風(fēng)力和洋流的共同作用向外海移動(dòng)。此時(shí)，黃海西北部海域的滸苔面積也明顯減少(圖2)。

(a) 2012年 (b) 2013年

圖22012和2013年衛(wèi)星監(jiān)測(cè)滸苔分布圖

Fig.2The distribution of algae detected by MODIS in 2012 and 2013

4.2氣象因子對(duì)滸苔的影響

海域滸苔的時(shí)空變化包含著海區(qū)基本的生態(tài)信息，同光照、溫度、鹽度以及風(fēng)潮流等各種因素密切相關(guān)。滸苔爆發(fā)不僅取決于藻類(lèi)生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)條件，也取決于其生長(zhǎng)所處的生態(tài)環(huán)境條件。本文主要從溫度與降水2個(gè)方面著手，分析氣象因子對(duì)滸苔生長(zhǎng)及時(shí)空變化規(guī)律的影響。

4.2.1溫度影響

氣候變化越來(lái)越深刻地影響著近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)，其中SST是影響滸苔生長(zhǎng)和繁殖的一個(gè)重要環(huán)境因子[18]。現(xiàn)有研究認(rèn)為，滸苔最適宜的生長(zhǎng)溫度為20~25 ℃，在溫度為25 ℃時(shí)，滸苔生長(zhǎng)達(dá)到峰值[19]。日照市屬于暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，受海洋環(huán)境的影響，具有顯著的海洋氣候性質(zhì)，氣候溫和，光照充足。年平均氣溫為12.7 ℃，最熱月平均氣溫為25.3 ℃。這種氣候條件為滸苔的爆發(fā)與生長(zhǎng)提供了良好的溫度環(huán)境。

選取日照市近海海域附近4個(gè)滸苔覆蓋度較高的點(diǎn)(E119.80°，N35.40°)、(E120.72°，N35.34°)、(E120.69°，N34.57°)和(E121.10°，N36.17°)，分析2012年和2013年5—7月的逐日海水表面平均溫度變化情況(圖3)。

(a) (E120.69°，N34.57°)處 (b) (E120.72°，N35.34°)處

(c) (E119.80°，N35.40°)處 (d) (E121.10°，N36.17°)處

圖3日照市近海4地點(diǎn)5—7月逐日SST分布圖

Fig.3Daily SST in 4 spots of Rizhao offshore from May to July

從圖3可以看出，2013年5月SST略低于2012年，但都在10~20℃之間。根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，5月為滸苔出現(xiàn)初期，滸苔數(shù)量較少且生長(zhǎng)速度較為緩慢。6月前后日照市近海以及黃海海域滸苔爆發(fā)出現(xiàn)密集區(qū)，這時(shí)的SST剛剛超過(guò)20℃，達(dá)到滸苔的最佳繁殖溫度范圍。此時(shí)滸苔體內(nèi)新陳代謝旺盛，生長(zhǎng)速度驚人。這種溫度趨勢(shì)將一直持續(xù)到7月中旬，為滸苔的生長(zhǎng)爆發(fā)提供了合適的溫度條件。7月下旬SST接近或者超過(guò)25℃，滸苔走向消亡階段。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2013年6—7月SST落在20~25℃區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)略多于2012年，這與2013年滸苔顯著多于2012年的研究結(jié)果相吻合。

為了客觀地反映滸苔與溫度之間的關(guān)系，在對(duì)滸苔生長(zhǎng)的溫度因子進(jìn)行定性對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，將月平均SST與滸苔分布數(shù)據(jù)相疊合進(jìn)行定量相關(guān)分析。選取2012年和2013年滸苔活躍期5—7月覆蓋度較高的300個(gè)點(diǎn),建立4 km范圍的緩沖區(qū)，利用各個(gè)緩沖區(qū)讀取相應(yīng)區(qū)域的SST及FAI，并計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)上SST與FAI的相關(guān)系數(shù)。月平均SST與FAI疊合結(jié)果見(jiàn)圖4。

(a) 2012年5月(b) 2012年6月(c) 2012年7月

(d) 2013年5月(e) 2013年6月(f) 2013年7月

圖4月平均SST與FAI疊合圖

Fig.4Overlapping of monthly averageSSTandFAI

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)SST在20℃以下時(shí)，SST與FAI相關(guān)系數(shù)最小，[20℃，25℃)范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)最大，而在25℃以上的相關(guān)系數(shù)介于兩者之間。將[20℃,25℃)再細(xì)分進(jìn)行深一步研究，以1℃為步長(zhǎng)逐步減小區(qū)域內(nèi)的最高氣溫，并計(jì)算SST與FAI的相關(guān)系數(shù)，得到的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了α=0.01的置信檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度在[20℃，21℃)之間時(shí)SST與FAI之間的相關(guān)系數(shù)最大，即在[20℃，21℃)溫度對(duì)滸苔的影響最為顯著。同時(shí)通過(guò)對(duì)比分析2012年與2013年不同溫度閾值與FAI之間的相關(guān)關(guān)系得出，2013年的相關(guān)系數(shù)均高于2012年，表明2013年溫度變化對(duì)滸苔的影響更為顯著(表2)。

表2　SST與FAI相關(guān)系數(shù)表

4.2.2降水影響

研究表明滸苔發(fā)生的最根本原因是近岸海域存在著嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化[20]。在降水和徑流沖刷的動(dòng)力作用下，大量可溶性營(yíng)養(yǎng)物匯入海中，使海水鹽度降低； 同時(shí)大量含氮的營(yíng)養(yǎng)物入海給滸苔的繁殖提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。海水鹽度下降易形成溫躍層和鹽躍層，藻類(lèi)物質(zhì)在此海洋環(huán)境下生長(zhǎng)迅速。

利用GrADS軟件提取TMI降水?dāng)?shù)據(jù)，并通過(guò)分析降水資料發(fā)現(xiàn)，2013年5—7月研究區(qū)域的降水量普遍高于2012年同期降水量(圖5)。2013年5月，當(dāng)滸苔由蘇北海域向日照近海海域靠近時(shí)，日照近海有一個(gè)較大的降水集中區(qū)域(E120°，N35.2°)，降水量高達(dá)200 mm，比2012年顯著增加。對(duì)比分析6月份的降水情況發(fā)現(xiàn)，2012年青島沿岸形成一個(gè)少雨區(qū)，月總降水量小于30 mm。與2012年相比，2013年6月滸苔活躍地區(qū)(日照及青島近岸)的降水相對(duì)較多，降水量偏多為滸苔在日照沿岸大量生長(zhǎng)和繁殖提供了有利的水文條件; 7月，日照市近海海域滸苔基本消亡，滸苔逐漸北移。2013年7月集中降水帶的移動(dòng)路徑與滸苔的遷移路徑一致，隨著滸苔的北移而北上，到達(dá)煙臺(tái)威海海域。而2012年7月降水主要集中在日照青島海域，山東半島東部與北部海域的降水明顯偏少。以上對(duì)比分析表明： 降水量偏多使沿岸大量的有機(jī)質(zhì)被沖進(jìn)海里，提高了海水富氧離子含量，為滸苔的生長(zhǎng)繁殖提供了所需的營(yíng)養(yǎng)成分。

(a) 2012年5月 (b) 2012年6月 (c) 2012年7月

(d) 2013年5月 (e) 2013年6月 (f) 2013年7月

圖5研究區(qū)2012年和2013年5—7月逐月降水量分布圖

Fig.5Monthly precipitation distribution from May to July of 2012 and 2013 of study area

基于前面介紹的氣溫與滸苔分布的相關(guān)分析，對(duì)逐月降水量分布與滸苔分布進(jìn)行疊合(圖6)。同樣選取2012年和2013年滸苔活躍期覆蓋度較高的300個(gè)點(diǎn)，計(jì)算4 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)相對(duì)應(yīng)的逐月降水量與FAI的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示，滸苔分布與降水呈明顯的正相關(guān)，2013年的相關(guān)系數(shù)為0.833，高于2012年的0.738(以上相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了0.01的置信檢驗(yàn))，表明2013年降水變化對(duì)滸苔的影響更為顯著。

(a) 2012年5月(b) 2012年6月(c) 2012年7月

(d) 2013年5月(e) 2013年6月(f) 2013年7月

圖6逐月降水量與滸苔疊合圖

Fig.6Overlapping of monthly precipitation and algae

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的反演，得到了2012和2013年日照市近海及黃海海域滸苔爆發(fā)的時(shí)空分布規(guī)律。并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，分析了海水表面溫度及降水量2個(gè)氣象因子對(duì)滸苔分布的影響。研究結(jié)果表明：

1)運(yùn)用FAI指數(shù)方法能夠較好地反演出日照市近海2012年及2013年5—7月海面滸苔分布面積及強(qiáng)度特征。

2)衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，5月為日照市近海滸苔出現(xiàn)初期，強(qiáng)度較?。?6月滸苔大量生長(zhǎng)繁殖，強(qiáng)度達(dá)到最大； 到7月滸苔已基本消亡。對(duì)比分析2012年和2013年同時(shí)期的滸苔面積與強(qiáng)度，從“出現(xiàn)—生長(zhǎng)爆發(fā)—消亡”整個(gè)滸苔生長(zhǎng)周期來(lái)看，2013年滸苔規(guī)模較2012年大。

3)從滸苔的影響因子來(lái)看，氣象條件與滸苔暴發(fā)的概率和程度存在緊密聯(lián)系。海水表面溫度在20~21℃之間最適宜滸苔的生長(zhǎng)； 降水量偏多，導(dǎo)致海水表層營(yíng)養(yǎng)鹽增多，為滸苔營(yíng)造了一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境。在二者的共同作用下滸苔會(huì)大量生長(zhǎng)繁殖并覆蓋大范圍海域。日照市近海海域2013年的海水表面溫度與降水量2個(gè)氣象因子均比2012年更有利于滸苔的生長(zhǎng)，這也正是該海域2013年滸苔爆發(fā)量遠(yuǎn)大于2012年的原因所在。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Monitoring of Enteromorpha prolifera and analysis of impact factors based on MODIS data in Rizhao offshore

SUN Hui, XIE Xiaoping

(SchoolofGeographyandTourism,QufuNormalUniversity,Rizhao276826,China)

Abstract:Rizhao offshore was selected as the study area in monitoring the Enteromorpha Prolifera. Using the floating algae index (FAI) which is based on the remote sensing technology and geographic information system with MODIS global surface reflectance data, the authors interpreted and extracted the Enteromorpha prolifera information in Rizhao offshore. Temporal and spatial evolution characteristics of 2012 and 2013 were studied through these methods. Combined with the sea surface temperature data and the precipitation provided by TRMM satellite, the relationship between Enteromorpha prolifera and the meteorological factors were revealed. The results can provide information about controlling and alleviating the harm of Enteromorpha prolifera. Some conclusions have been reached: The intensity and distribution areas of Enteromorpha prolifera could be well revealed by using FAI index from May to July in 2012 and 2013. The information about Enteromorpha prolifera by using threshold indicates that the intensity and the areas of Enteromorpha prolifera in 2013 was stronger than that in 2013. Temperature and precipitation have great influence on the thriving of Enteromorpha prolifera. The temperature between 20℃ and 21℃ is the best interval for the growth of Enteromorpha prolifera, and the increasing of precipitation is also important for the increasing of Enteromorpha prolifera. In short, hydrographic and meteorological condition in 2013 was more suitable for thriving of Enteromorpha prolifera than that in 2012.

Keywords:Enteromorpha prolifera; FAI index; sea surface temperature(SST); precipitation; Rizhao offshore

通信作者：謝小平(1966- )，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楹涌诤０秳?dòng)力工程及河流生態(tài)。Email： xp.xie@263.net。

作者簡(jiǎn)介：第一 孫慧(1990- )，女，碩士研究生，主要從事遙感及地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。Email： jnczdl@163.com。

中圖法分類(lèi)號(hào)：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-070X(2016)01-0144-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“龍門(mén)山地區(qū)涪江上游晚新生代水系演化與新構(gòu)造響應(yīng)研究”(編號(hào)： 41072164)資助。

收稿日期：2014-10-14；

修訂日期：2014-12-12

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.21

引用格式： 孫慧,謝小平.基于MODIS數(shù)據(jù)的日照市近海滸苔監(jiān)測(cè)及影響因子分析[J].國(guó)土資源遙感,2016,28(1)：144-151.(Sun H,Xie X P.Monitoring of Enteromorpha prolifera and analysis of impact factors based on MODIS data in Rizhao offshore[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1)：144-151.)