基于HY-1C/D衛(wèi)星數(shù)據(jù)的2021年黃海海域大型藻類時空分布特征分析

商杰，趙錚*,王煒荔，丁一，宋彥

（1.自然資源部北海預(yù)報減災(zāi)中心 山東青島 266100；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島 266061）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2007 年以來我國黃海和東海海域每年5—8 月都會發(fā)生不同規(guī)模的大型藻類（主要藻種為滸苔綠潮）災(zāi)害。大型藻類的大規(guī)模爆發(fā)，不僅破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡，還會對沿海城市的發(fā)展產(chǎn)生嚴重威脅，尤其給山東、江蘇的漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展帶來巨大影響[1]。近年來學(xué)者對大型藻類（滸苔綠潮）的生長特性、爆發(fā)成因以及發(fā)生和發(fā)展趨勢開展研究，王建偉等[2]對滸苔綠潮的生長特性進行分析；吳孟泉等[3]利用中分辨率成像光譜儀（Moderate - Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）數(shù)據(jù)研究了2008—2012 年黃海滸苔綠潮的分布變化；章志等[4]利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取了2014 年滸苔綠潮的時空分析特征；矯新明等[5]利用高分一號衛(wèi)星（GF1）遙感數(shù)據(jù)分析了2015 年滸苔綠潮的時空分析特征；盛輝等[6]利用靜止軌道海洋 水 色 衛(wèi) 星（Geostationary Ocean Color Imager，GOCI）等遙感數(shù)據(jù)結(jié)合多種分析方法進行滸苔綠潮提取和時空分析特征；張廣宗等[7]利用“環(huán)境一號”衛(wèi)星系統(tǒng)（HJ-1A/B）和MODIS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對多年滸苔綠潮信息進行提取和分析；劉霜等[8]描述了2017 年滸苔綠潮的新變化趨勢。以上研究表明，雖然大型藻類（滸苔綠潮）自身無毒，但因其生長繁殖期間會消耗水體中的溶解氧并遮蔽陽光，因此會導(dǎo)致一系列的環(huán)境和生態(tài)問題。為了更好地防控大型藻類爆發(fā)造成的風(fēng)險與災(zāi)害，需要對其開展有效地監(jiān)測、預(yù)警和處理等工作。

針對大型藻類增長速度快、影響范圍大等特點，采用傳統(tǒng)航空遙感和船舶實地觀測打撈手段進行監(jiān)測不僅費時費力，而且容易受海況、人力和物力的影響，不能長時間、不間斷地獲取觀測信息。衛(wèi)星遙感具有觀測面積廣、時間連續(xù)等特點，能夠?qū)Υ笮驮孱惖漠a(chǎn)生、遷移路徑、空間分布、生消過程等有效地開展監(jiān)測，已成為開展海洋大范圍監(jiān)測的重要手段。

本文以黃海海域作為研究區(qū)域，采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測與船舶現(xiàn)場監(jiān)測的手段，對2021年大型藻類信息（本文僅分析滸苔綠潮）進行提取，分析其生消過程、遷移路徑、空間分布、密集度變化，并進一步分析針對新情況下大型藻類爆發(fā)的防控手段和措施，為后續(xù)大型藻類的預(yù)防與治理工作提供依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域為30°～38°N，119°～125°E（見圖1 紅框位置），是每年大型藻類的主要影響區(qū)域。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location diagram of the study area

1.1.2 數(shù)據(jù)源

本文所用數(shù)據(jù)源為海洋一號衛(wèi)星C 星（HY-1C）和海洋一號衛(wèi)星D 星（HY-1D）海岸帶成像儀（Coastal Zone Imager，CZI），以下簡稱HY-1C/D（CZI）。HY-1C/D（CZI）衛(wèi)星影像具有覆蓋面積廣、空間分辨率高、時間分辨率高的特點，搭載的CZI傳感器分辨率為50 m，幅寬優(yōu)于950 km[9]，能夠?qū)Υ笮驮孱惖群Ｑ蟓h(huán)境災(zāi)害進行實時監(jiān)測，并有效提取大型藻類的覆蓋信息和邊界。本文選取2021 年4—8月共6 景的HY-1C/D（CZI）影像作為研究數(shù)據(jù)源，分別代表不同發(fā)展時期晴好天氣條件下的影像，用于大型藻類衛(wèi)星遙感解譯和漂移路徑分析。

1.2 監(jiān)測原理與方法

大型藻類的遙感監(jiān)測是根據(jù)海水反射光譜與覆蓋海水表面的藻類反射光譜的差異來提取藻類信息。黃海大型藻類主要為滸苔，其富含葉綠素a，爆發(fā)時其光譜曲線在400～900 nm 波段，與陸地植被相近。藻類覆蓋越厚，在近紅外波段的反射現(xiàn)象越明顯[10-11]。

2021 年5 月和7 月，研究組實地考察并采集了黃海海域的海水和大型藻類樣本，測量獲取其光譜信息。由于研究內(nèi)容主要是觀察并判別實測樣本的光譜形態(tài)和特征波段，因此現(xiàn)場采集的光譜信息采用原始DN（Digital Number）值表達，沒有處理成反射率信息。將現(xiàn)場光譜DN 值進行可視化并標注HY-1C/D（CZI）波段范圍，得到圖2。結(jié)合對HY-1C/D（CZI）衛(wèi)星遙感影像的光譜信息（見圖3）分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場考察的光譜特征與影像的光譜形態(tài)特征基本一致，即光譜形狀具有相似性，且各個波段反射強度的相對位置一致。

圖2 大型藻類與海水實測光譜曲線Fig.2 Measured spectral curves of macroalgae and seawater

圖3 HY-1C/D（CZI）影像光譜曲線Fig.3 Spectral curve of HY-1C/D(CZI)image

根據(jù)光譜信息特征可以發(fā)現(xiàn)，大型藻類光譜特征與海水光譜特征差異較大。大型藻類在綠色波段處形成弱反射峰，近紅外波段處形成強反射峰。兩處反射峰相較于海水有較大的反射差異，可以用于提取大型藻類。利用紅色和近紅外波段計算歸一化植被覆蓋指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），其作為大型藻類衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測方法，探測能力最強且最穩(wěn)定[12]。因此，本文選用NDVI提取大型藻類信息。

NDVI的計算公式為：

式中：BandNIR、BandRED分別代表近紅外波段和紅色波段的遙感反射值。

使用NDVI方法進行大型藻類信息提取的主要步驟包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、NDVI 計算、提取藻類信息、分析與制圖，具體流程見圖4。首先對影像進行幾何校正、裁剪和鑲嵌等數(shù)據(jù)預(yù)處理，并消除陸地植被、云霧、船舶以及其他干擾信息，只保留藻類和海水信息；在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上進行NDVI計算，獲得包含大型藻類信息的處理影像，采用閾值法對計算結(jié)果進行提取并獲得大型藻類信息；最后將提取的大型藻類覆蓋信息導(dǎo)入地理信息處理軟件中，進行人工交互圖件制作、大型藻類面積信息等數(shù)據(jù)統(tǒng)計并對藻類移動路徑信息進行分析。結(jié)合不同影像波段合成方式對解譯結(jié)果進行綜合比較，更有利于顯示大型藻類信息。如圖5所示，432波段或343波段的假彩色合成影像更易顯示大型藻類的信息和位置，有利于人工判斷和輔助解譯。

圖4 NDVI大型藻類信息提取流程圖Fig.4 Flow chart of NDVI large algae information extraction

圖5 2021年6月標準真彩色與假彩色HY-1C（CZI）合成影像Fig.5 Standard true-color and false-color HY-1C(CZI)composite images in June 2021

2 結(jié)果與分析

2.1 大型藻類信息提取

本文對黃海海域大型藻類的時間、空間、密集度特征進行分析。采用無云或少云情況下的HY-1C/D（CZI）影像，選取2021 年5 月22 日、6 月6日、7月21日、8月17日大型藻類分布遙感監(jiān)測結(jié)果進行展示（見圖6）。

圖6 2021年大型藻類衛(wèi)星遙感影像解譯圖Fig.6 Interpretation map of satellite remote sensing images of large algae in 2021

根據(jù)2021 年遙感監(jiān)測結(jié)果，黃海海域大型藻類的發(fā)展特征為：5 月上旬，蘇北輻射沙洲海域出現(xiàn)零星滸苔，5 月中旬大型藻類在蘇北輻射沙洲向北至射陽、濱海一帶聚集成規(guī)模，隨后向北漂移；6 月上旬開始影響山東沿岸，藻類面積快速增長，6 月底大型藻類規(guī)模達到峰值；7 月上旬大型藻類開始逐漸消亡，至8 月25 日主體消亡。從時間維度來看，大型藻類從出現(xiàn)到消亡存在明顯的周期性，即包含“發(fā)生—發(fā)展—爆發(fā)—消亡”4 個階段。

2.2 大型藻類生長過程與時空分布分析

大型藻類覆蓋面積以像元為單位進行計算，計算公式為：

式中：N為大型藻類解譯像素個數(shù)；r為衛(wèi)星影像空間分辨率，HY-1C/D（CZI）影像空間分辨率為50 m。綠潮分布面積依據(jù)計算解譯結(jié)果面積獲得。2021年黃海海域不同時間大型藻類的覆蓋面積和分布面積統(tǒng)計見圖7。

圖7 大型藻類分布特征統(tǒng)計直方圖Fig.7 Statistical histogram of distribution characteristics of macroalgae

5 月上旬，衛(wèi)星遙感監(jiān)測到蘇北輻射沙洲北側(cè)海域有呈點狀或斑塊狀零星滸苔分布，大型藻類進入發(fā)生階段。5月中旬—6月上旬，衛(wèi)星遙感監(jiān)測顯示大型藻類進入發(fā)展期，分布面積和覆蓋面積快速上升并保持高增長率。6月中旬—7月上旬，大型藻類進入爆發(fā)期，6 月底大型藻類規(guī)模達到峰值，整體分布范圍最北端到達威海乳山市外海海域，最南端到達鹽城外海海域，大型藻類密集區(qū)主要集中在山東南部外海海域并在沿岸大量登陸，對近海海域影響較為嚴重，直到7月中旬，由于海溫等條件適合大型藻類繼續(xù)生長和繁殖，其分布面積和覆蓋面積維持在較高水平。7 月中下旬—8 月下旬為大型藻類消亡期，由于人為打撈、海水環(huán)境變化等影響，大型藻類的分布面積、覆蓋面積、密集度逐步下降，8 月末大型藻類完全消亡。

2.3 大型藻類移動軌跡分析

不同時間大型藻類分布范圍的中心點可以代表其漂移位置變化。根據(jù)時間跨度繪制2021 年大型藻類的漂移軌跡，結(jié)果見圖8。2021 年大型藻類在東海外海海域首次被監(jiān)測到，整體從南向北、從外向內(nèi)逐漸漂移，值得注意的是，5 月中旬—下旬期間大型藻類主體在35°N 線附近停留徘徊20 余天，隨后6 月上旬越過35°N 線向山東南部外海漂移聚集并最終于此消散。此次大型藻類災(zāi)害產(chǎn)生時間較早、消亡時間較晚、在快速生長期停留在適宜生長區(qū)過長，導(dǎo)致產(chǎn)生了較往年更為嚴重的影響。

圖8 2021年大型藻類移動軌跡圖Fig.8 Trajectory of macroalgae in 2021

大型藻類的移動主要受海面風(fēng)和表層海流的共同影響。根據(jù)中國氣象局和船舶現(xiàn)場監(jiān)測的氣象資料，分析2021 年4 月下旬—5 月中旬射陽海域風(fēng)向出現(xiàn)異常，以偏北風(fēng)和偏東風(fēng)為主，偏南風(fēng)頻率降為近十年最低值，其中5 月偏北風(fēng)風(fēng)力明顯高于近十年均值，偏北風(fēng)限制了大型藻類北移。蘇北輻射沙洲北側(cè)海域的潮流以南北往復(fù)流為主，潮致余流較小，對大型藻類南北凈運輸影響不大，而對漂移起主要作用的是風(fēng)致表層流，其與風(fēng)作用基本一致。風(fēng)和流的共同作用導(dǎo)致大型藻類5月中下旬在蘇北輻射沙洲一帶海域滯留。從現(xiàn)場船舶監(jiān)測結(jié)果來看，大型藻類移動軌跡與遙感監(jiān)測基本一致。

2.4 大型藻類生長過程分析

借助大型藻類的密集度變化對其生長過程進行分析。密集度是藻類覆蓋面積與分布面積的比值，主要用于評價大型藻類發(fā)展階段和增長速度。通過密集度的計算，在一定程度上能夠減少云霧覆蓋因素的干擾。2021 年黃海海域大型藻類密集度見圖9。由圖可見，大型藻類密集度在不同階段特點明顯，整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。5 月中旬大型藻類進入發(fā)展期，密集度開始迅速增長，6 月中旬藻類進入爆發(fā)期，密集度達到頂峰并且維持較高水平，7 月中旬后大型藻類進入消亡期，密集度迅速下降到較低水平并持續(xù)到結(jié)束。

圖9 2021年黃海海域大型藻類密集度Fig.9 Density of macroalgae in the Yellow Sea in 2021

結(jié)合現(xiàn)場實地考察（見圖10）和密集度統(tǒng)計分析，5 月中旬前為大型藻類發(fā)生階段，密集度維持在0.5%以下的較低水平并緩慢增長。5 月中旬—6 月上旬為大型藻類發(fā)展階段，海水溫度、鹽度、光照等條件有利于大型藻類的生長，密集度開始快速增長至2.0%，現(xiàn)場調(diào)查也表明5 月中旬大型藻類呈零散團狀或條帶狀分布且較為分散。6 月中旬—7 月上旬為大型藻類爆發(fā)期，自然條件適宜滸苔等大量繁殖，密集度達到高峰并維持在2.0%～3.0%的較高水平，現(xiàn)場調(diào)查也反映該時期大型藻類呈大面積塊狀或條帶狀分布，密集程度高、厚度較大。7 月中旬后為大型藻類消亡期，受自然環(huán)境變化影響，大型藻類不再繁殖增長且開始消亡，密集度呈迅速下降趨勢。7月下旬后受到臺風(fēng)、水溫等環(huán)境影響，藻類消亡速度加快，密集度低于1.0%，空間上呈零星分布，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)滸苔等呈斑塊狀分布，不能成片覆蓋海面并出現(xiàn)白化滸苔，說明大型藻類已經(jīng)進入消亡階段，與密集度結(jié)果一致。因此，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查可以看出密集度能夠反映大型藻類爆發(fā)—消亡的整個過程。

圖10 2021年黃海大型藻類實地考察圖片F(xiàn)ig.10 Field survey of large algae in the Yellow Sea in 2021

3 結(jié)論

基于2021 年的HY-1C/D（CZI）遙感影像數(shù)據(jù)，采用NDVI、彩色影像目視解譯等方法對2021 年黃海海域大型藻類信息進行提取，并對大型藻類的分布面積、覆蓋面積、時空分布、密集度進行分析。結(jié)果表明：

①從時間分布來看，2021 年大型藻類可監(jiān)測時間為4 月17 日—8 月25 日，持續(xù)時間大約為130 d，持續(xù)時間較長。大型藻類的生長周期可以分為4個階段，即4 月—5 月中旬為發(fā)生階段，5 月中旬—6 月上旬為發(fā)展階段，6月中旬—7月上旬為爆發(fā)階段，7月中旬—8月下旬為消亡階段。

②從空間分布來看，2021 大型藻類災(zāi)害總體由南向北漂移，發(fā)生階段大型藻類中心主要集中在東海以及黃海和東海交界處海域。5 月上旬大型藻類進入黃海海域，5 月下旬徘徊在35°N 以南蘇北輻射沙洲海域；6 月上旬主體密集區(qū)越過35°N 并逐漸向北移動，最終到達山東南部外海海域并開始影響沿岸城市；7 月—8 月下旬大型藻類主體逐漸消散。與往年（2009—2021 年）大型藻類峰值數(shù)據(jù)進行對比，此次大型藻類災(zāi)害總體上呈現(xiàn)時間提前、持續(xù)時間更久、峰值分布面積和覆蓋面積更大等特點。

③從密集度分析結(jié)果來看，大型藻類發(fā)生階段密集度較低；發(fā)展階段由于藻類快速生長，密集度也迅速增長；爆發(fā)階段密集度達到高峰；消亡階段隨著藻類消亡，密集度下降。密集度整體呈現(xiàn)從小到大再到小的變化特點，最大值出現(xiàn)在6月中旬，表明大型藻類呈現(xiàn)先生長再聚集最后消亡擴散的變化特點。

通過業(yè)務(wù)化工作驗證，表明HY-1C/D（CZI）衛(wèi)星數(shù)據(jù)在監(jiān)測黃海海域大型藻類的應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，大大減少了混合像元造成的解譯結(jié)果誤差。此外HY-1C/D（CZI）衛(wèi)星采用上、下午衛(wèi)星組網(wǎng)，可增加觀測次數(shù)，基本滿足大型藻類監(jiān)測的需要。與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)果相比，本文得到的大型藻類的分布面積和覆蓋面積更精確，圖幅范圍更大，因此能大范圍精確地監(jiān)測大型藻類。此方法可以為大型藻類遙感監(jiān)測工作提供更為精確和實時的數(shù)據(jù)，為制作大型藻類精細監(jiān)測模型提供更為精準的監(jiān)測結(jié)果。