基于哨兵2 號衛(wèi)星遙感影像的2018 年蘇北淺灘漂浮綠藻時空分布特征研究

袁超，張靖宇，肖潔，傅明珠，張學(xué)雷*，崔廷偉，王宗靈

( 1. 自然資源部第一海洋研究所 海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266061；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室，山東 青島 266237)

1 引言

自2007 年以來，以滸苔（Ulva prolifera）為肇事種的黃海綠潮連年周期性暴發(fā)，對山東南岸的海洋生態(tài)環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖和濱海旅游造成重大損失[1-2]。黃海綠潮在4-5 月份發(fā)生于蘇北淺灘，隨季風(fēng)和海流向北漂移并快速生長，覆蓋和分布面積逐漸擴大，在6 月份到達山東南岸堆積成災(zāi)。滸苔具有高生長率[3]、強漂浮力[4]和多樣化的繁殖方式[5-6]，在適宜條件下會大規(guī)模增殖[1,7]。漂浮綠藻生物量在蘇北淺灘僅為數(shù)千噸[8-9]，而到達山東南岸后可達數(shù)百萬噸。在綠潮形成規(guī)模后打撈，防控成本和難度將大大增加。因此，應(yīng)重視綠潮的早期防控工作。

現(xiàn)場調(diào)查、遙感追溯和數(shù)值模擬等手段均證實黃海綠潮發(fā)源于蘇北淺灘[1,9-14]。蘇北淺灘紫菜養(yǎng)殖筏架上的附生綠藻脫落入海是南黃海大規(guī)模綠潮的重要來源[12-13]。在早期發(fā)生過程中，漂浮綠藻由零星綠藻、小斑塊逐漸發(fā)展為條帶狀的大斑塊[1,7,13]。然而，由于蘇北淺灘水文環(huán)境復(fù)雜且面積較大，船測調(diào)查手段難以實時和大范圍地對漂浮綠藻進行監(jiān)測。對于漂浮綠藻在蘇北淺灘海域的分布、發(fā)生和發(fā)展過程仍缺乏精細的刻畫，制約了綠潮早期防控工作的研究。

衛(wèi)星遙感方法具有時效性好和覆蓋范圍廣的優(yōu)點，是綠潮動態(tài)觀測的重要手段。目前，國內(nèi)外學(xué)者基于多源衛(wèi)星，發(fā)展出一系列的綠潮提取算法，開展了綠潮覆蓋面積、影響面積和漂移路徑的研究，并嘗試進行綠潮生物量的估算[14-22]。由于漂浮綠藻與陸地植被具有相似的光譜特征，光學(xué)遙感的綠潮提取算法主要基于漂浮綠藻和海水在紅光和近紅外波段的光譜差異。常見的綠潮提取算法包括歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、增強型植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index，EVI）、漂浮藻類指數(shù)（Floating Algae Index，F(xiàn)AI）和針對GOCI 衛(wèi)星的漂浮綠藻指數(shù)（Index of Floating Green Algae for GOCI，IGAG）等。其中，NDVI 由于表現(xiàn)穩(wěn)定可靠而被廣泛采用[15-17]。在數(shù)據(jù)源方面，前期研究多基于中低分辨率衛(wèi)星（MODIS、GOCI 等）進行綠潮的跟蹤監(jiān)測，研究區(qū)域集中于鹽城以北海域[14,20]。由于蘇北淺灘漂浮綠藻斑塊面積較小[8]，中低空間分辨率衛(wèi)星難以對其進行識別且可能會造成較大誤差[17,22]。近年來，隨著國內(nèi)外高分辨率衛(wèi)星，如哨兵2 號（Sentinel-2）、高分（GF）系列衛(wèi)星等的運行，使研究漂浮綠藻在蘇北淺灘時空分布規(guī)律成為可能。

本文利用高分辨率衛(wèi)星（以哨兵2 號為主）數(shù)據(jù)，提取了2018 年黃海綠潮發(fā)生期間蘇北淺灘的漂浮綠藻信息，研究了漂浮綠藻在蘇北淺灘的時空分布特征，結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)分析了地形、水溫和風(fēng)向?qū)ζ【G藻分布、發(fā)生和發(fā)展的影響，以期為黃海綠潮的早期防控提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究海區(qū)

研究區(qū)域位于南黃海西部的蘇北淺灘及其北部（32.4°～34.4°N，120°～122°E）。蘇北淺灘具有似三角洲狀的地形地貌—輻射沙洲（圖1）。輻射沙洲以江蘇東臺弶港為中心，向東北和東南方向延伸出若干沙脊和潮溝。蘇北淺灘的潮流受輻射沙洲影響顯著。漲、落潮的主流向與潮溝走向一致，潮溝流速大于沙脊[23]。蘇北淺灘是中國條斑紫菜筏式養(yǎng)殖的重要區(qū)域，而養(yǎng)殖筏架上的附生綠藻脫落入海被認為是黃海綠潮的重要來源[24]。

2.2 研究數(shù)據(jù)

哨兵2 號衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計劃發(fā)射的多光譜對地觀測衛(wèi)星。哨兵2 號衛(wèi)星的高度為786 km，幅寬為290 km，重訪周期為5 d。在13 個光譜波段中，可見光（B2，B3，B4）和近紅外（B8）波段的空間分辨率為10 m。哨兵2 號衛(wèi)星的高時空分辨率特征為研究漂浮綠藻在蘇北淺灘的分布、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖 1 蘇北淺灘水深和地形概況Fig. 1 Bathymetric topography of the Subei Shoal

哨兵2 號影像為免費開放獲取，下載于歐洲航天局網(wǎng)站（https://scihub.copernicus.eu/dhus/）。本文篩選了2018 年黃海綠潮暴發(fā)期的少云影像（5 月14 日、5 月24 日、6 月3 日、6 月8 日、6 月13 日、6 月23 日、7 月3 日和7 月13 日），研究漂浮綠藻在蘇北淺灘的時空分布特征。哨兵2 號L1C 級影像是經(jīng)過正射校正和亞像元級幾何精校的大氣表觀反射率產(chǎn)品。L1C 級數(shù)據(jù)可基于歐洲航天局發(fā)布的Sen2cor 插件進行輻射定標(biāo)和大氣校正，得到各波段的大氣底層反射率（即L2A 級產(chǎn)品）。5 月14 日，哨兵2 號影像未檢測到漂浮綠藻。5 月24 日，漂浮綠藻條帶在蘇北淺灘南部可見，但該區(qū)域被厚云覆蓋。因此，本研究還選取了2018 年5 月23 日的高分1 號WFV 影像，其空間分辨率為16 m。該數(shù)據(jù)來源于國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)（dds.nsoas.org.cn/mainIndex.do）。

為了驗證哨兵2 號影像提取漂浮綠藻信息的可靠性，本研究于2018 年6 月13 日在蘇北淺灘南部海域開展了漂浮綠藻分布狀態(tài)的現(xiàn)場觀測。

利用美國Remote Sensing Systems（RSS）網(wǎng)站提供的微波+紅外融合海表溫度（Microwave+IR Signal Fusion SST， MISST） 數(shù) 據(jù) 和CCMP（ Cross Calibrated Multi-Platform）海面風(fēng)場數(shù)據(jù)，研究影響漂浮綠藻時空分布的主要環(huán)境因子。MISST 和CCMP 海面風(fēng)場數(shù)據(jù)的空間分辨率分別為9 km 和0.25°。

2.3 漂浮綠藻提取方法

利用NDVI 指數(shù)進行漂浮綠藻信息提取：

式中，NIR、R為近紅外和紅外波段的反射率。本研究中，NIR采 用哨兵2 號的B8 波 段（842 nm），R采 用B4 波段（665 nm）。

通過設(shè)定閾值T來確定漂浮綠藻的存在與否。本研究通過NDVI 閾值分割和假彩色合成圖像進行目視解譯來共同確定T值。閾值T的理論值為0，但受各種因素（淺灘、水深等）的影響而存在波動。本文中T值的范圍為[-0.10，0.05]。

通過計算綠潮的覆蓋面積（S）和漂浮綠藻分布區(qū)域的外包絡(luò)面的面積（D）來表征綠潮的暴發(fā)規(guī)模和影響范圍。S為NDVI＞T的像元數(shù)N與像元面積的乘積：

式中，r為衛(wèi)星傳感器的空間分辨率。

3 結(jié)果與討論

3.1 哨兵2 號影像中漂浮綠藻信息的現(xiàn)場驗證

通過現(xiàn)場同步調(diào)查，對2018 年6 月13 日哨兵2 號影像提取的漂浮綠藻信息進行驗證（圖2，表1）。結(jié)果表明，哨兵2 號提取的漂浮綠藻信息能夠與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相匹配。漂浮綠藻位于海水表面，在渾濁水體中可以與背景區(qū)分開。1 號站點存在微小的綠藻斑點，面積小于0.5 m2，哨兵2 號影像未探測到漂浮綠藻信息。2 號站點漂浮綠藻分布較為稀疏，覆蓋度約為10%，影像檢測到微弱漂浮綠藻信息。3 號和4 號站點存在顯著的漂浮綠藻條帶，可以清晰地從影像中看到。

圖 2 2018 年6 月13 日哨兵2 號衛(wèi)星影像中漂浮綠藻信號的現(xiàn)場驗證Fig. 2 Field verification of floating green algae signal from Sentinel-2 images on June 13, 2 018

表 1 2018 年6 月13 日不同站位哨兵2 號影像中漂浮綠藻信號的現(xiàn)場驗證Table 1 Field verification of floating green algae signal by Sentinel image at different stations on June 13, 2 018

3.2 漂浮綠藻在蘇北淺灘的時空分布特征

本文采取NDVI 閾值分割與目視解譯法相結(jié)合的方法，對2018 年蘇北淺灘海域漂浮綠藻信息進行了提?。▓D3）；圖4 反映了漂浮綠藻外包絡(luò)面、覆蓋面積和分布面積隨時間的變化規(guī)律。

2018 年蘇北淺灘漂浮綠藻的發(fā)展過程可大體劃分為發(fā)生—發(fā)展—維持—消失4 個階段。5 月23 日，零星漂浮綠藻在蘇北淺灘南部的太陽島附近首次被發(fā)現(xiàn)，覆蓋面積為1.78 km2。6 月3 日，漂浮綠藻的分布范圍迅速擴大至整個蘇北淺灘，覆蓋面積擴大了32 倍，分布面積達到17 830 km2。6 月中下旬，漂浮綠藻發(fā)展進入維持階段。6 月13 日的漂浮綠藻的分布特征與6 月3 日相似，但在淺灘以北海域的分布面積顯著增加。6 月23 日，漂浮綠藻在蘇北淺灘以北的影響范圍向東擴展到122°E，覆蓋面積（199.28 km2）達到最大，比5 月23 日約高兩個數(shù)量級（圖4）。7 月3 日，蘇北淺灘大部分區(qū)域被厚云覆蓋，但在無云區(qū)仍然可觀測到漂浮綠藻條帶。7 月13 日，研究區(qū)域已無法檢測到漂浮綠藻。整個過程持續(xù)約50 d，與歷年黃海綠潮生消過程相一致[16,25]。

在蘇北淺灘，漂浮綠藻聚集成條帶狀，自紫菜養(yǎng)殖筏架區(qū)向外沿各潮溝呈輻射狀分布。如圖3 所示，漂浮綠藻最早可追溯至淺灘中心筏架養(yǎng)殖區(qū)邊緣，而后沿潮溝延伸擴展。綠藻條帶的寬度在10～200 m之間，沿潮溝可斷續(xù)綿延數(shù)十千米。出蘇北淺灘后，漂浮綠藻仍呈條帶狀分布，生物量與覆蓋面積顯著增加，但其分布無明顯規(guī)律，呈散布狀（圖3d，圖3e，圖3f）。6 月3 日，綠藻條帶已覆蓋整個北部淺灘，其中部分漂浮綠藻從淺灘西北沿岸和東部離岸潮溝漂移出淺灘。淺灘以北海域，漂浮綠藻在6 月3 日至6 月13 日明顯向江蘇近岸聚集，并在34°N 以北出現(xiàn)東西跨越半個經(jīng)度的綠潮鋒面；6 月23 日漂浮綠藻則向外海擴散，從近岸至122°E 連成高覆蓋率、高生物量的大面積綠潮。

3.3 漂浮綠藻時空分布的環(huán)境驅(qū)動機制

適宜的環(huán)境條件是黃海綠潮暴發(fā)的必要條件。蘇北淺灘及周邊海域較高的營養(yǎng)鹽水平是支撐滸苔快速生長和繁殖的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[26-28]。圖5 展示了研究期間蘇北淺灘及周邊海域的海表溫度和海面風(fēng)場的變化過程。溫度是影響滸苔微觀繁殖體萌發(fā)和附生綠藻群落演替的重要環(huán)境因子[1]。室內(nèi)實驗結(jié)果表明，滸苔的最適生長溫度范圍為14～26℃[3]，而其微觀繁殖體在10～25℃萌發(fā)率較高[5,6,29]。本研究中，研究區(qū)域的海表溫度在各時間的空間分布較為一致，自南至北、由近岸向外海逐漸降低。蘇北淺灘的海表溫度最高，通常比同緯度的黃海外海高2℃左右。本研究首次探測到漂浮綠藻時蘇北淺灘的海表溫度約為18℃，與往年船測調(diào)查中該區(qū)域大面積漂浮綠藻出現(xiàn)時的海表溫度相一致[13]，也與歷年衛(wèi)星遙感首次探測到漂浮綠藻時的海表溫度相符[18,21,25]。在維持階段，海表溫度雖然持續(xù)上升，但是仍處于滸苔的最適生長溫度區(qū)間內(nèi)[3]。

圖 3 2018 年不同日期哨兵2 號影像的漂浮綠藻（紅點）分布（白色區(qū)域為云掩膜）Fig. 3 Time-series distribution of the floating green algae (red dots) in the Subei Shoal in 2 018 based on the Sentinel-2 images (the thick clouds are marked by white dots)

在蘇北淺灘，漂浮綠藻自紫菜養(yǎng)殖筏架區(qū)沿潮溝向外輻射分布。這表明蘇北淺灘是黃海綠潮的源頭。前期研究表明，蘇北淺灘的紫菜養(yǎng)殖筏架為滸苔的微觀繁殖體提供了附著基，是黃海綠潮的孕育場所[5-8]。附生綠藻在紫菜養(yǎng)殖筏架回收過程中脫落入海，由附生轉(zhuǎn)變?yōu)槠顟B(tài)，是黃海綠潮的重要來源[12-13,24]。蘇北淺灘獨特的潮流系統(tǒng)和輻射沙洲地貌特征有利于漂浮綠藻的帶狀聚集。該區(qū)域潮溝與沙脊相間，潮溝由外海向核心區(qū)變窄變淺。相同流量下，潮溝內(nèi)海水流速大于沙脊，有利于漂浮綠藻聚集并向外輸運[22-23]。漂浮綠藻在潮溝中匯聚還可能與谷物圈效應(yīng)（Cheerios Effect）有關(guān)[30]。當(dāng)兩個能夠產(chǎn)生液面變形的物體相互靠近時，由于系統(tǒng)重力勢能和表面能傾向于最低，物體之間就會相互靠近聚集。

相關(guān)研究表明，綠潮漂移路徑主要由風(fēng)場驅(qū)動下的表層流場決定[11,18,21]。從對應(yīng)日期的CCMP 海面風(fēng)場圖（圖5）可以看出，漂浮綠藻條帶在蘇北淺灘以北的走向與盛行風(fēng)向較為一致。5 月中旬，海表風(fēng)場由北風(fēng)向南風(fēng)轉(zhuǎn)變，有利于漂浮綠藻的向北漂移。6 月3-13 日研究區(qū)盛行東南風(fēng)，漂浮綠藻主要在江蘇近岸堆積。6 月23 日，當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，綠藻條帶則向外海擴展。在較小空間尺度上，漂浮綠藻仍呈帶狀分布。這可能與拉彌爾環(huán)流有關(guān)，小的拉彌爾環(huán)流逐步合并會引起滸苔或其他漂浮物的條帶狀聚集[11,31]。

圖 4 2018 年蘇北淺灘海域漂浮綠藻的外包絡(luò)面（a）、覆蓋面積和分布面積（b）變化Fig. 4 Temporal changes of envelops (a), coverage and distribution area (b) of the floating green algae in the Subei Shoal in 2 018

3.4 對黃海綠潮早期防控的啟示

黃海綠潮具有異地起源、大規(guī)模和長距離漂移的特征，對山東半島南岸造成重大的經(jīng)濟和社會損失[1]。對漂浮綠藻在蘇北淺灘分布和發(fā)展過程的充分認識能夠為制定和實施黃海綠潮早期防控措施提供科學(xué)依據(jù)。

減少綠藻附著和控制附生綠藻入海是控制黃海綠潮暴發(fā)規(guī)模的第一步。通過研發(fā)新型材料或?qū)ΜF(xiàn)有材料進行處理以減少綠藻附著的相關(guān)研究已有報道，但由于成本和操作等問題而難以得到大規(guī)模應(yīng)用[28]。目前，將紫菜養(yǎng)殖網(wǎng)簾直接運回陸地處理可以減少附生綠藻入海。然而，仍有大量附著于梗繩上的綠藻通過機械作業(yè)去除入海，成為附生綠藻脫落入海的主要方式[12,24]。附生綠藻入海后，滸苔由于具有高比生長率[3]、強漂浮能力[4]和多樣化的繁殖方式，迅速成為漂浮綠藻群落的單一優(yōu)勢種[1]。據(jù)估計，漂浮綠藻的初始入海生物量僅為幾千噸，但到達山東沿岸時可達數(shù)百萬噸[8-9,32]。因此，黃海綠潮的早期防控可以起到事半功倍的效果。

本研究中，哨兵2 號衛(wèi)星影像首次探測到漂浮綠藻的時間為5 月23 日，比船測調(diào)查手段首次發(fā)現(xiàn)零星漂浮綠藻的時間（4 月25 日）晚了近1 個月[33]。這可能是由于早期零星漂浮綠藻面積較小，只有當(dāng)匯聚成較大斑塊才能夠從衛(wèi)星影像中解譯出來[13]。因此，在漂浮綠藻的早期監(jiān)測和預(yù)警過程中，高分辨率衛(wèi)星遙感仍需與船舶和無人機等手段相結(jié)合。

高分辨率衛(wèi)星（哨兵2 號和高分系列衛(wèi)星等）能夠提供準(zhǔn)實時、精細的漂浮綠藻分布特征，為漂浮綠藻的前期防控提供數(shù)據(jù)支撐。本研究結(jié)果表明蘇北淺灘的漂浮綠藻受輻射沙洲的約束而在潮溝中聚集成條帶狀，且可能對黃海綠潮有持續(xù)貢獻。綠潮在潮溝內(nèi)的帶狀聚集有利于開展船舶打撈工作。在出淺灘后，綠藻條帶走向會隨風(fēng)和流的作用而發(fā)生改變，增加了打撈難度。在向北漂移的過程中，漂浮綠藻會進入快速生長期，增加了打撈的經(jīng)濟成本。因此，在蘇北淺灘進行漂浮綠藻打撈可能是一種切實可行、經(jīng)濟且高效的黃海綠潮防控手段。

圖 5 2018 年5 月到7 月南黃海西部海表溫度（等值線，℃）和海面風(fēng)場（矢量）Fig. 5 Sea surface temperature (contour) and wind field (vectors) in the southwestern Yellow Sea during May to July, 2 018

4 結(jié)論

本文主要采用空間分辨率為10 m×10 m 的哨兵2 號影像，通過NDVI 閾值分割和目視解譯法相結(jié)合的方法提取2018 年蘇北淺灘的漂浮綠藻信息，結(jié)合地形、MISST 海表溫度和CCMP 海面風(fēng)場數(shù)據(jù)分析影響漂浮綠藻時空變化的主要環(huán)境因子。結(jié)論如下：

（1）2018 年，漂浮綠藻最早于5 月23 日在淺灘南部被探測到，在6 月份逐漸向北擴大并維持，在7 月中旬消失。

（2）蘇北淺灘的漂浮綠潮聚集成條帶狀，自紫菜養(yǎng)殖筏架區(qū)沿潮溝向外輻射分布，并在黃海綠藻發(fā)展過程中持續(xù)向北輸出。出淺灘后，漂浮綠藻的分布和走向與盛行風(fēng)向密切相關(guān)。

（3）漂浮綠藻在蘇北淺灘的帶狀聚集有利于開展船舶打撈工作。