基于GF-4 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的赤潮信息識別方法
——以秦皇島海域?yàn)槔?

宋 彥 ，王 寧 ，丁 一 ，辛 蕾 ，孫 青 ，姜 濤

（1.國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266061；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.91033 部隊(duì)，山東 青島 266061）

赤潮是由海水中的某些浮游植物、原生動(dòng)物或細(xì)菌在一定環(huán)境條件下，短時(shí)間內(nèi)暴發(fā)性增殖或聚集而引起的一種水體變色的生態(tài)異常現(xiàn)象，主要分為有害赤潮和無害赤潮兩大類。近年來，隨著我國近岸海水富營養(yǎng)化愈加嚴(yán)重，有毒赤潮頻繁發(fā)生且規(guī)模不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重破壞海洋生態(tài)環(huán)境，影響海洋捕撈業(yè)、海水養(yǎng)殖業(yè)等海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，甚至威脅人類的身體健康和生命安全[1]。因此，加強(qiáng)赤潮研究和防治顯得尤為迫切。而赤潮監(jiān)測對研究赤潮形成原因、研判赤潮過程的環(huán)境特征以及做好赤潮災(zāi)害預(yù)警預(yù)測都十分關(guān)鍵。

赤潮監(jiān)測的方法主要有現(xiàn)場監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測兩種。傳統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測主要依靠船舶監(jiān)測或航空監(jiān)測，需要監(jiān)測人員乘船到赤潮海域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測、生物采樣分析等現(xiàn)場測量，或通過航空拍攝方式監(jiān)測赤潮海域，這些方法監(jiān)測精確度相對較高，但監(jiān)測耗時(shí)長、人力物力成本高、覆蓋點(diǎn)位有限、難以獲取赤潮總體面積，很難適應(yīng)赤潮暴發(fā)快、變化快、周期短的特點(diǎn)。相比之下，衛(wèi)星遙感監(jiān)測利用赤潮水體的光學(xué)特性，通過衛(wèi)星遙感影像識別赤潮水體、提取赤潮信息，確定赤潮面積和覆蓋范圍。衛(wèi)星遙感監(jiān)測具有空間覆蓋范圍廣、時(shí)間重訪率高、成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，并且受時(shí)間、海況、天氣狀況等因素的限制比現(xiàn)場監(jiān)測方式小得多，可以更好地監(jiān)測赤潮的動(dòng)態(tài)變化，成為赤潮監(jiān)測的重要手段[2-3]。

國內(nèi)外大量學(xué)者做過基于遙感手段的赤潮監(jiān)測方法研究。1974 年，Strong 利用陸地衛(wèi)星Landsat 的MSS傳感器第6 波段單波段數(shù)據(jù)進(jìn)行了湖泊赤潮的探測[4]。1983 年，Holligan 等基于赤潮水體和非赤潮水體的光譜特征，提出了利用CZCS 遙感數(shù)據(jù)第1 波段和第3波段的遙感反射率建立雙波段比值模型探測赤潮的方法，提取效果較為理想，為后來學(xué)者研究利用其他水色傳感器建立多波段差值比值法奠定了基礎(chǔ)[5]。1993 年，胡德永基于陸地衛(wèi)星Landsat 的TM 傳感器數(shù)據(jù)分析了赤潮水體與清潔水體、渾濁水體的光譜特性，發(fā)現(xiàn)三類水體在第3 波段和第4 波段存在反射率差異[6]。1994年，Gower 為解決在高亮度水體中雙波段比值法過飽和的問題，提出了基于AVHRR 遙感數(shù)據(jù)的雙波段差值比值法[7]。2002 年，Koponen 等人利用 MODIS 衛(wèi)星250m 分辨率數(shù)據(jù)和1000m 分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行多波段假彩色合成，研究提取了波羅的海的赤潮信息[8]。2003年，Stumpf 等提出利用SeaWiFS 傳感器數(shù)據(jù)反演的葉綠素a 濃度異常值與平均值之差監(jiān)測葉綠素a 濃度異常現(xiàn)象，減少葉綠素a 濃度反演誤差，并將該方法成功用于墨西哥灣K. brevis 藻赤潮識別[9]。同年，Huang 等基于赤潮水體溫度變化的特征建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，利用NOAA/AVHRR 遙感數(shù)據(jù)識別了我國渤海夜光藻赤潮水體信息[10]。2004 年，Kahru 等人利用MODIS數(shù)據(jù)第1、4、3 波段合成的真彩色影像，對秘魯Paracas灣進(jìn)行了監(jiān)測，通過第1、2 波段的反射率差值識別赤潮信息強(qiáng)度[11]。同年，Tang 等利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演葉綠素濃度、海表溫度和風(fēng)場數(shù)據(jù)，綜合了海岸帶等深線信息及現(xiàn)場觀察，提出建立赤潮深層機(jī)制的建議[12]。2006 年，王其茂等利用赤潮水體的光譜特性及赤潮發(fā)生時(shí)水體中葉綠素a 濃度的變化特征，綜合水體懸浮泥沙信息，提出了利用MODIS 遙感數(shù)據(jù)第3、4、9、11波段提取赤潮信息的反演方法[13]。2010 年，趙文化等利用MERSI 遙感數(shù)據(jù)葉綠素濃度與熒光指數(shù)雙閾值方法有效監(jiān)測了我國東海赤潮[14]。2007 年，李繼龍等使用MODIS 真彩色影像構(gòu)建多波段差值比值，通過海表溫度和葉綠素a 濃度等參數(shù)選取閾值，對長江口及鄰近海域的赤潮進(jìn)行反演提取[15]。2011 年，Son 等利用MODIS遙感數(shù)據(jù)光譜信息提出了光譜分類方法，并將其應(yīng)用在五次不同的赤潮事件中[16]。2012 年，孫麗雅等基于MODIS 遙感數(shù)據(jù)分析水體葉綠素濃度信息，提取東海赤潮信息，發(fā)現(xiàn)使用葉綠素濃度的月平均差值法能有效提取水體異常信息，比起閾值法更能反映出赤潮發(fā)展趨勢[17]。2017 年，張賀和鄭小慎利用MODIS 遙感數(shù)據(jù)和GOCI 遙感數(shù)據(jù)研究基于葉綠素a 濃度的赤潮反演方法，通過實(shí)測數(shù)據(jù)建立針對渤海海域的反演模型，較好地提取了2014 年渤海赤潮[18]。2017 年，江彬彬等利用GOCI 遙感數(shù)據(jù)的歸一化離水輻射率參數(shù)通過閾值法對赤潮進(jìn)行判別，有效地監(jiān)測了我國東海不同時(shí)間不同地點(diǎn)的三次赤潮[19]。2020 年，姜德娟等利用MODIS 數(shù)據(jù)采用葉綠素異常法、赤潮指數(shù)法、波段比值法、紅波段差值法和Karenia brevis 指數(shù)法五種方法提取渤海赤潮信息，發(fā)現(xiàn)渤海的不同海域?qū)λ惴ǖ倪m應(yīng)性有所差異[20]。由于這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)難以同時(shí)兼顧空間分辨率、時(shí)間分辨率及時(shí)效性，并且赤潮提取算法的遷移性較差，這些方法在我國赤潮災(zāi)害業(yè)務(wù)化監(jiān)測工作中的應(yīng)用有所局限。

我國的GF-4 衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道，搭載了一臺可見光50m 分辨率、中波紅外400m 分辨率、大于400km 幅寬的凝視相機(jī)，具備可見光、多光譜和紅外成像能力。GF-4 衛(wèi)星相比MODIS、MERIS 等衛(wèi)星具有分辨率高、重訪周期短、幅寬大、響應(yīng)快速、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢[21-22]，相比 Landsat、GOCI 等衛(wèi)星時(shí)效性、靈活性更高，更適用于赤潮信息提取，但目前基于GF-4 衛(wèi)星的研究還比較少。此外，秦皇島附近海域赤潮監(jiān)測是我國渤海生態(tài)環(huán)境監(jiān)測任務(wù)的重要內(nèi)容。隨著秦皇島附近海域的環(huán)境治理力度逐年加大，赤潮頻率降低、面積減小，需要使用更高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，而目前尚未見在該海域應(yīng)用GF-4 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)識別赤潮水體、提取赤潮信息的有效算法。因此，本文采用GF-4衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，研究適用于秦皇島附近海域赤潮信息提取的方法，以期為該海域赤潮遙感監(jiān)測提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)域

本文選取秦皇島附近海域?yàn)檠芯繀^(qū)域（經(jīng)度范圍119°10′0"E-120°0′0"E，緯度范圍 39°20′0"N-40°0′0"N），位置示意圖如圖1 所示。秦皇島附近海域是渤海赤潮高發(fā)海域，秦皇島附近海域赤潮監(jiān)測是渤海生態(tài)環(huán)境監(jiān)測任務(wù)的重要內(nèi)容。根據(jù)《秦皇島市海洋環(huán)境公報(bào)》和《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005 年至2020年該海域發(fā)現(xiàn)赤潮至少50 起，累計(jì)發(fā)現(xiàn)赤潮面積超過13980km2，給海洋經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重影響[23-25]。

圖1 秦皇島附近海域位置示意圖

1.2 GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)介紹

高分四號（GF-4）衛(wèi)星于 2015 年 12 月 29 日成功發(fā)射，是我國第一顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星，具有分辨率高、重訪周期短、幅寬大、響應(yīng)快速、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢，能夠克服衛(wèi)星圖像分辨率低和衛(wèi)星觀測時(shí)間間隔長、覆蓋范圍小等缺陷，為我國海洋災(zāi)害監(jiān)測提供快速、可靠、穩(wěn)定的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)保障。

GF-4 衛(wèi)星可見光近紅外通道包含5 個(gè)波段，中波紅外通道包含1 個(gè)波段。各波段寬度、空間分辨率、幅寬等特征信息如表1 所示。

表1 GF-4 衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、圖像裁切、陸地掩膜以及圖像增強(qiáng)等。

使用以下公式對GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)：Le＝Gain×DN＋Bias。其中，Le 為衛(wèi)星載荷通道入瞳處等效輻射亮度，DN 為衛(wèi)星載荷觀測值，Gain 和Bias 分別為定標(biāo)系數(shù)增益、偏移量。Gain 和Bias 的值從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站直接獲取，通過運(yùn)算將傳感器記錄的原始無量綱DN 值轉(zhuǎn)換為圖像輻射亮度。

利用ENVI 軟件中的FLAASH 大氣校正模塊對GF-4 影像進(jìn)行大氣校正。輸入處理后的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，獲得地表反射率數(shù)據(jù)。利用ENVI 軟件的正射校正流程化工具對GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正。正射校正結(jié)束后對圖像做自動(dòng)配準(zhǔn)，控制均方根誤差（RMSE）小于1 個(gè)像元，以保證幾何校正的精度[26]。

為提高影像處理效率，對GF-4 衛(wèi)星影像進(jìn)行裁切，去除研究區(qū)域之外的影像。對裁切后的影像進(jìn)行陸地掩膜處理，排除陸地干擾，便于識別海水與赤潮信息。圖像增強(qiáng)可以加強(qiáng)影像上的感興趣特征，突出赤潮水體與非赤潮水體的對比信息，提高信息分類精度。

2 赤潮信息提取原理與方法

基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取赤潮信息，主要原理是赤潮生物引起海水水質(zhì)變化，導(dǎo)致赤潮發(fā)生區(qū)域的水體光譜特性與其他水體光譜特性不同，這一特點(diǎn)在遙感上表現(xiàn)為水體的遙感反射率發(fā)生不同程度的增強(qiáng)或減弱。

2.1 赤潮水體光譜特性

赤潮水體和非赤潮水體的光譜特性曲線有明顯差異[27]。通過觀察不同水體的光譜特性，可以明顯地區(qū)分赤潮水體和非赤潮水體。整體來講，赤潮水體的光譜特性主要表現(xiàn)在可見光波段和近紅外波段。從遙感反射率看，赤潮水體的反射率較低，非赤潮水體的反射率較高；從反射峰、吸收峰看，赤潮水體在440-460nm 的藍(lán)光波段和650-670nm 的紅光波段處形成吸收峰，在560-580nm 的綠光波段和690-710nm 的紅光波段處形成反射峰，而非赤潮水體則沒有這一特征。大量水體實(shí)驗(yàn)表明，赤潮水體中生物密集、葉綠素含量高，對黃光吸收多，對綠光反射強(qiáng)，導(dǎo)致了這一光譜特征。

2.2 GF-4 衛(wèi)星波段特征及對赤潮信息的敏感度

結(jié)合赤潮水體和非赤潮水體的光譜特性，針對GF-4 衛(wèi)星的波段設(shè)置，獲得如圖2 所示的光譜特性曲線。不難看出，兩類水體在GF-4 衛(wèi)星的不同波段反映的信息有所局限，但仍然能夠明顯區(qū)分相互間的差異。

圖2 基于GF-4 衛(wèi)星波段設(shè)置的赤潮水體和非赤潮水體光譜特性

2.3 赤潮信息提取方法

通過分析基于GF-4 衛(wèi)星的赤潮水體光譜特性發(fā)現(xiàn)，赤潮水體與非赤潮水體在第2、3、5 波段的遙感反射率特征差異較大，換言之，這三個(gè)波段對赤潮信息的敏感度更高、使用價(jià)值更大，可以作為赤潮信息提取的重要指標(biāo)。根據(jù)赤潮水體的光譜特性和GF-4 衛(wèi)星的波段設(shè)置特點(diǎn)，提出三種基于GF-4 衛(wèi)星的赤潮信息提取方法。

2.3.1 雙波段比值法

相比非赤潮水體，赤潮水體具有更為明顯的吸收峰和反射峰，而非赤潮水體在相應(yīng)波段變化比較小。王其茂等曾利用這一特點(diǎn)，基于MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)展了的閾值提取方法（R3 為 459-479nm 的可見光藍(lán)光波段，R4 為545-565 nm 的可見光綠光波段，Cr 為常數(shù)）[13]。對比MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的波段設(shè)置差異，針對性嘗試的雙波段比值赤潮提取方法。其中，R2、R3 分別是GF-4 衛(wèi)星第2 波段和第3 波段的遙感反射率，分別含有赤潮水體的反射信息和赤潮水體的吸收信息；Cr 是常數(shù)，其大小與研究區(qū)域的水體特性以及赤潮藻種有關(guān)，基于經(jīng)驗(yàn)確定。

2.3.2 雙波段差值法

比較赤潮水體與非赤潮水體的光譜特征，在藍(lán)光、綠光波段，非赤潮水體的遙感反射率遠(yuǎn)高于赤潮水體。隨著頻譜波長的增加，非赤潮水體遙感反射率下降幅度相比赤潮水體更大。在近紅外波段，赤潮水體與非赤潮水體的遙感反射率已經(jīng)相差不大。依據(jù)赤潮水體與非赤潮水體的這一光譜特性，選取GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的第3 波段和第5 波段，采取R3-R5

2.3.3 多波段差值比值法

根據(jù)對赤潮水體光譜特性的分析，GF-4 衛(wèi)星的第2、3、5 波段對赤潮信息的敏感度較高。之前兩種方法都僅使用了兩個(gè)波段，對波段信息的應(yīng)用存在一定的局限性。為提高赤潮識別精度，考慮將三個(gè)波段信息均引入計(jì)算公式，提出的多波段差值比值赤潮提取方法，其中Cr 是常數(shù)，其大小與研究區(qū)域的水體特性以及赤潮藻種有關(guān)，基于經(jīng)驗(yàn)確定。

3 結(jié)果

根據(jù)《2017 年秦皇島市海洋環(huán)境公報(bào)》記載[23]，2017年8 月9 日至8 月26 日，秦皇島戴河口至金夢海灣附近海域發(fā)生赤潮災(zāi)害，最大影響面積為50km2。8 月15日，秦皇島附近海域天氣狀況良好，幾乎無云霧遮蓋海面，故使用8 月 15 日GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)（GF4_PMS_E11 9.1_N39.1_20170815_L1A0000171696）進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 雙波段比值法

結(jié)合目視判讀，分析雙波段比值法計(jì)算得到的影像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)發(fā)生赤潮海域的像元值大于周圍正常海域的像元值，多次實(shí)驗(yàn)取Cr 值為0.85，提取的赤潮面積為68km2，提取結(jié)果如圖3 所示。

圖3 基于雙波段比值法的提取結(jié)果

3.2 雙波段差值法

結(jié)合目視判讀，分析雙波段差值法計(jì)算得到的影像數(shù)據(jù)，多次實(shí)驗(yàn)取Cr 值為0.1，提取的赤潮面積為43km2，提取結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 基于雙波段差值法的提取結(jié)果

3.3 多波段差值比值法

結(jié)合目視判讀，分析多波段差值比值法計(jì)算得到的影像數(shù)據(jù)，多次實(shí)驗(yàn)取Cr 值為1.65，提取的赤潮面積為61km2，提取結(jié)果如圖5 所示。

圖5 基于多波段差值比值法的提取結(jié)果

3.4 真彩色目視判讀

為了更好地比較三種方法的有效性，本文對8 月15 日GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的真彩色影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)?zāi)恳暸凶x，提取赤潮水體面積37km2，提取的赤潮范圍如圖6 所示。

圖6 真彩色影像赤潮提取結(jié)果

4 討論

比較分析提取的赤潮信息位置可以看到，雙波段比值法、雙波段差值法和多波段差值比值法提取的赤潮范圍和目視判讀的提取范圍都有所重合，并且將大部分赤潮信息提取出來，其中雙波段差值法吻合度最高，多波段差值比值法次之，雙波段比值法吻合度最低。

比較分析提取的赤潮信息面積，雙波段差值法誤差最小，雙波段比值法誤差最大，多波段差值比值法誤差介于二者之間。根據(jù)《秦皇島市海洋環(huán)境公報(bào)》的記錄，本次赤潮過程的最大影響面積為50km2，而目視判讀和雙波段差值法的提取面積都小于50km2，可能是因?yàn)楸敬纬喑边^程并不是在8 月15 日達(dá)到最大影響范圍；多波段差值比值法和雙波段比值法的提取面積較大，可能是因?yàn)榇嬖谝欢ǖ恼`判，例如將沿岸海域非赤潮區(qū)域誤判為赤潮區(qū)域。

本文提出的方法還有待改進(jìn)。一方面，對于Cr 值的選取更多依賴專家經(jīng)驗(yàn)，可以嘗試積累數(shù)據(jù)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法確定；另一方面，GF-4 衛(wèi)星作為我國近年來發(fā)射的衛(wèi)星，數(shù)據(jù)處理的精度可能存在一定偏差，對赤潮信息提取結(jié)果有一定影響。GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠?yàn)榍鼗蕧u附近海域赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)支持，未來可以考慮從提高GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理能力、改進(jìn)赤潮識別提取算法等方面入手做更深的研究。

5 結(jié)論

本文通過分析赤潮水體和非赤潮水體的光譜特性差異，綜合考慮GF-4 衛(wèi)星波段特征，分析提出了基于GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)第2、3、5 波段的三種赤潮信息提取方法。從2017 年8 月秦皇島附近海域的應(yīng)用情況來看，三種方法均可提取赤潮信息，其中，雙波段差值法的實(shí)際應(yīng)用效果最好，該方法的應(yīng)用和進(jìn)一步研究可以為秦皇島附近海域赤潮監(jiān)測提供技術(shù)支持。