遥感技术在海洋赤潮的监测与防治方面的应用

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1、遥感技术在海洋赤潮的监测与防治方面的应用刘君臣;杨玉忠;黄勇【摘要】随着工农业生产的发展,人口增多,近200 年来,赤潮已成为世界性的年度 自然灾害,是海洋三大公害之一.虽然其发生的原因尚未完全查明,但通过一些手段仍 然可以监测和防治赤潮.由于海洋现象具有空间尺度大、变化周期长、直接观测难 的特点,传统监测方法的周期太长、精度不够高,具有很大的局限性,且效果并不十分 理想.而利用卫星遥感技术的实时性、大尺度、快速和长时间连续的特点,则可以比 较快速地监测赤潮,从而尽可能地降低赤潮的危害.本文从最新的遥感技术出发,结合 国际国内形势,阐述了应用遥感技术进行赤潮监测和防治的方法及原理,重点介绍了

2、高光谱遥感影像处理技术,同时对各种方法的优缺点作一比较,提出了一些建议.期刊名称】北京测绘年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P122-126) 【关键词】 赤潮;遥感技术;赤潮监测;海洋遥感;赤潮防治【作 者】 刘君臣;杨玉忠;黄勇【作者单位】 天津市测绘院,天津 300381;天津市测绘院,天津300381;天津市测绘院,天津 300381正文语种】 中 文中图分类】 P2371 海洋赤潮形成及其危害随着工农业生产的发展，人口增多，近 200 年来，赤潮已成为世界性的年度自然 灾害，是海洋三大公害之一1。发生赤潮的海水颜色并非都是红色，赤潮的颜 色，主要由形成赤潮的优势浮

3、游生物种类的颜色所决定，可以呈现出红色、绿色、 黄褐色。目前发现的赤潮生物有330 多种，其分布极为广泛，几乎遍及世界各个 海域。赤潮发生的原因尚未完全查明，但从理化环境的变化分析，大致可分为自然条件和 人为因素2，3。自然条件主要有化学因素（近海养殖的饵料）、海温和盐度、 气象、海流等，水底层出现无氧和低氧水团也会引起赤潮。此外，赤潮发生与地球 的温室效应、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象也密切相关。人为因素一是人们对农作物 施以超量的化肥、农药等积累在土壤中，随江河排泄于海洋；二是工业生产、生活 垃圾和污水被大量注入海中；三是沿海地区的过度海水养殖，残饵腐败污染海水4。由于浮游生物种类的差异，赤潮

4、的危害可以表现出很多种形式。但归纳起来，赤潮 的危害方式主要有如下五种5，6：（1）生物分泌粘液，同时大量吸收水中的氧气，导致鱼类等海洋动物因缺氧而死 亡；（2）赤潮生物分泌有害物质如氨、硫化氢等，改变浮游生物的生态系统群落结构；（3）造成水体积累大量硫化氢和甲烷等，隔绝了海水与大气圈的气体交换，导致 使生物缺氧或中毒致死；（4）赤潮生物吸收阳光，遮蔽海面，使其它海洋生物因得不到充足的阳光而死亡；（5）赤潮生物产生毒素，直接毒死生物或者随食物链转移引起人类中毒死亡。 基于赤潮给国民经济带来的巨大损失，特别是对海洋养殖及海洋生态环境的破坏， 长期以来，世界各国均投入了大量的人力物力财力以图尽量减

5、少赤潮的影响，在赤 潮的监测、预报、治理方面积累了很多的经验。2 星遥感监测由于海洋现象具有空间尺度大、变化周期长、直接观测难的特点，因此常规方法具 有很大的局限性。而利用卫星遥感技术的实时性、大尺度、快速和长时间连续的特 点，可取得其它监测方法所不可比拟的效果。利用卫星遥感技术，通过卫星监测图 片的校正、合成、分析、解译，再进行判断分析，可以了解赤潮的特征、掌握赤潮 灾害的发展和规律，有效地防止或减少赤潮造成损失和危害，对采取有效措施治理 赤潮灾害有着十分重要的意义79。目前采用的卫星平台及其传感器如：GOES （分辨率8km ）、CZCS （分辨率 800m，装在美国雨云-7号卫星）、Se

6、aWIFS （装于美国“海星”号卫星，分辨 率1.1km ）、Landsat （分辨率80m ）都能很好地监视大陆架及河口区域水质状 况，再通过对理化数据的计算处理，就可提前1 5天对整个海岸带的水质动态作 出预报10。由于卫星图像是一种复合信息，它包含了大气效应、海面反射和水体效应三部分信 息。因而必须对图像进行预处理，包括大气校正、几何精校正和地理编码等工作， 然后再利用校正后的卫片进行综合判断，包括采用一些模型算法等。利用卫星图像 进行赤潮监测的方法主要有以下几种11-12：（1）海表温度（SST ）分析方法对赤潮特征的研究表明，赤潮发生时会有海水表面温度升高，甚至出现局部水面高 温现象

7、。也就是说，海水温度是赤潮生物繁殖、赤潮形成与维持的重要因素。利用 卫星发送的海温场资料，通过对卫星图片分析和演算获得的SST，监测近海水体的 异常高温区来判断赤潮的发生、发展、流向和消失。（2）生物量分析方法为了排除水体中悬浮物质的干扰，将赤潮信息准确提取出来，需要计算监测海区的生物量，得到监测海区的生物量分布图。生物量的变化情况直接反映了海区中浮游 植物的含量情况。研究结果表明，在赤潮发生海域，生物量的值明显偏高。通过生 物量等值线图，可从整体上获得浮游植物在海区中的大体运动趋势，从而使对赤潮 的跟踪监测成为可能。（3）图像合成分析方法分别采用NOAA214的1、2、3通道和FY21C的1

8、、2、6通道进行假彩色合成， 通过变换去掉噪声，然后再进行色彩变换得到赤潮分布的假彩色合成图像，再提取 边界、计算边界、计算出面积，最后就形成了最终的赤潮分布图。（4）水温水色法遥感技术水温水色法遥感技术是国内学者在20 世纪90年代提出来的一类赤潮卫星遥感信 息提取技术。该类技术依据赤潮发生时海面温度异常和水体变色的原理而建立的。 基于 AVHRR 资料的水温水色赤潮信息提取技术已被用于我国东海等海域的赤潮探 测和监测。其应用结果显示该技术对我国二类水体自营养型赤潮的探测和监测有效。（5）人工神经网络法遥感技术 近年来，人工神经网络和模糊推理系统等数学方法因具有很强的对复杂与不确定信 息的处

9、理能力正在被国内外学者应用于赤潮卫星信息提取技术研究。（6）多波段差值比值法遥感技术 国内开发的多波段差值比值法遥感技术基于 SeaWIFS 的多波段特征和赤潮水体的 光谱反射特征。但不同的差值比值模型又有其不同的适用海区和赤潮类型。（7）温度遥感技术 赤潮发生时因赤潮生物在短期内大量聚集，形成一种类似于温室的效应，其表面海 水温略高于正常水温，因此可利用红外辐射计来观测赤潮的范围和动向。（8）高光谱遥感影像处理通过处理高光谱遥感影像，可以对赤潮进行监测和赤潮生物种类的识别。以下详细 介绍应用高光谱遥感影像处理技术。2.1 赤潮检测方法（1）合成假彩色图像 图像协方差所描述的是像元亮度值与像元

10、平均亮度值的离散程度以及图像信息量的 大小，图像间相关系数描述的是不同波段图像间的相关程度，它能体现出两个波段 图像间的重叠程度。根据协方差最大、相关性最小的原则，遴选出 3 个通道的图 像进行假彩色合成，可以保证所合成图像的信息量，这是进行正确判读的重要依据（2）异常区域的反射率曲线 对合成的高光谱假彩色图像进行人工判读，确定其中有无异常区域出现，若有，则 提取异常区域的反射率曲线。为保证提取的反射率曲线能客观反映异常区域的光谱 特征，可将异常区域的平均反射率曲线作为其反射率曲线。（3）根据反射率曲线进行赤潮检测 由于赤潮生物的存在，其水体会呈现出不同于正常海水的光谱特征，所以，根据图 像中

11、异常区域的反射率曲线，可以断定是否有赤潮发生。2.2 赤潮生物种类识别方法 遥感图像分类的过程即是识别的过程 。考虑到要用比较小的计算量获得比较高的 分类精度，采用以下基于反射率曲线及其微分曲线的分类方法，其计算量小于最大 似然法的计算量，而由于反射率微分曲线对反射率曲线形状的约束，其分类精度比 最小距离法的分类精度显然要高。具体识别过程共分以下 3 个步骤：（1）对反射率曲线进行平滑处理 由于噪声和辐射校正误差的存在，反演出的反射率曲线往往不够光滑，会呈现出局 部锯齿状。为恢复被测对象的真实反射特性，须对反射率曲线作平滑处理，这也是 对其求微分曲线的必要前提，因为微分对于反射率值的局部突变非

12、常敏感。（2）计算反射率曲线微分 反射率的一阶微分反映出反射率随波长变化的快慢程度，不同赤潮生物种类的微分 曲线差异，反映出它们的反射率曲线形状的差异。因此，反射率的一阶微分可以进 一步反映出被测对象的反射光谱特性。（3）相关分析函数的构造 同时考虑反射率曲线和反射率微分曲线的加权距离，引入加权距离函数。3 比较与结论赤潮遥感使用的资料主要是NOAA气象卫星的AVHRR和海洋水色卫星数据。虽 然Landsat TM数据的高地面分辨率有利于赤潮探测，但其重复周期长，加上天 气的影响，可用资料的获得率低，很难满足赤潮探测要求。总的来说，AVHRR具 有免费实时、重复率高的优点，但其通道少、波带宽、

13、灵敏度低，对赤潮信息的反 演提取不利。在赤潮遥感中，多光谱水色资料是最重要的。1978 1986年运行的海岸带水色扫 描仪开始了海洋水色卫星遥感时代，虽然CZCS数据是设计用来进行1类海水叶 绿素a的卫星遥感测量，但也曾用来试验做海洋藻类水华探测，图谱合一的高光 谱及超光谱遥感研究和应用日益增多，但在环境资源遥感应用领域，主要还是中分 辨率成像光谱扫描仪的应用研究和技术开发，在遥感算法上的研究还有待进一步加 强。较之原有卫星、飞机红外紫外探测手段，机载成像高光谱遥感具有空间分辨率高 波谱连续性强、覆盖面大及快速灵活等优点，因此，发展基于高光谱遥感数据的赤 潮监视监测研究，具有重要的现实意义。利

14、用卫星遥感技术监测赤潮，的确是减少赤潮灾害所造成的经济损失和人类健康危 害的一种行之有效的方法。只是利用遥感技术监测赤潮，要受天气条件制约，这是 其很不利的一个方面。另外在SST的计算中，由于缺乏海洋演变的实测资料，海 面温度计算模型的精度还有待于进一步的提高。为研制一个经验性的指定区域预报 系统以跟踪赤潮灾害的发生、发展和消亡，还有许多工作要做。组织和建立一个与 地理信息系统兼容的点和图像数据以及与 www 数据融合，易于理解的数据库。在赤潮遥感监测中，还存在许多不确定性的问题，因此，还需要把不确定性的知识 数据化，并建立知识库。另外，还要探索地理逻辑库的建设，从而在遥感和地理信 息系统的支

15、持下，以地理专家系统来解决赤潮遥感监测中遥感信息的不确定性问题， 从而最终形成对赤潮灾害的准确监控，有效地减轻和防止赤潮灾害，保护好海洋环 境，保证沿海工农业的持续发展。4 应用前景展望 要真正减少赤潮发生，就必须做好科学监测和准确预报这两个重要环节。应用现代 高科技，结合地球科学的发展，特别是 3S 集成技术的应用，赤潮的动态实时监测 即将成为可能。（1）发展监测赤潮新技术因 GIS 能从大量复杂数据中提取简单信息、遥感可利用高空和远距离操作提供航 拍照片、数码图像和卫星图像，而这些信息是现场工作无法得到的，因此它们成为 赤潮监测的有用工具，也必将成为今后赤潮监测的重要手段。GIS和遥感通常

16、都不 是单独使用的，它们必须和其它手段结合起来，两者也经常结合在一起使用，比如 遥感技术与实地采样分析、计算机数据处理系统相结合，以弥补各自的不足，相互 取长补短。（2）建立赤潮监测数据库 建立数据库便于信息的长期保存与查阅，便于在任何需要的时候调取有关信息，实 现自动化管理。赤潮监测数据、方法和信息不断增多，各地地理、水文、气象、污 染等条件各异，仅进行赤潮的单因素研究、各发生区的孤立研究或仅仅考虑当前的 状况，不仅资源有限、信息量小而且局限性大，因此建立赤潮监测数据库是发展的 必然。建立了赤潮藻类和水质数据库，这些数据是赤潮预测和管理的基础。数据库的内容包括数据子集、获得数据的GISH具、

17、遥感图像等。最终这些信息都将发往 Internet 上，结合目前的气象数据做进一步分析。将各地各部门的赤潮信息进 行共享，以方便管理和研究，（3）寻求国际合作国际信息联网及遥感监测技术除常规监测和浮标自动连续监测外，在赤潮监测中还应重视国际信息联网和遥感技术的应用。建立赤潮信息库，利用遥感技术，寻找高 叶绿素水域，同时还能获得海流、水温等海水的理化信息，应用卫星遥感技术可获 得明确而超前的赤潮发展动态，从而采取得力措施。5 问题及建议我国赤潮卫星遥感虽然近年来发展较快，总体技术水平特别是技术应用水平已与国 外十分接近，但仍存在着遥感机理研究不深、赤潮探测与监测技术不够成熟以及没 有专门的赤潮遥

18、感卫星等问题。具体如下：（1）赤潮卫星遥感机理研究通过分析现场光谱的测量数据，对某些赤潮水体例如夜光藻和甲藻等赤潮水体的光谱特性已有了一定的认识。但对整个赤潮生消过程的水体光谱变化特性、赤潮水体的紫外光谱特性以及我国近岸二类水体中悬浮泥沙和黄色物质对赤潮水体光谱的影 响等研究甚少，知之不多。对多种赤潮生物的繁殖和生长过程的最适海水温度已有 较好的认识，但对赤潮发生过程中水体的温度变化特性还缺乏足够的了解。（2）二类海水的赤潮卫星遥感探测和识别技术开发我国现已开发的一些赤潮卫星遥感技术和方法只适用于监测赤潮，不具备探测（发 现）赤潮的能力。具有赤潮探测能力的一些卫星遥感技术和方法也处于试应用阶段

19、， 需进一步试验验证和提高。此外，现有的赤潮遥感技术均不具备识别赤潮种类的能 力。（3）重复观测间隔与空间分辨率难以两全 我国目前可用于赤潮探测的观测卫星有多种，但因为太阳同步轨道的原因，难以在 空间分辨率与重复观测时间之间得到满意的选择。如：Landsat陆地卫星TM数 据，有较好的空间分辨率（30mx30m）,但重复观测间隔为16天；遇到云层覆 盖观测地区，重复观测需要32 天，从时间上讲，难以观测赤潮的发展趋势；而气 象卫星（NOAA系列）尽管可在12天内对同一地区进行重复观测，但空间分辨 率较差（lllkmxlllkm）,对于大面积的赤潮，可以提供一定的监测（预报） 参考数据，但对于小

20、面积的赤潮，难以提供有效的监测（预报）数据。因此，从赤 潮监测或预报的角度看，卫星遥感数据的有效信息量是不足够的。（4）易受天气影响 目前能用于赤潮相关因子监测的卫星遥感技术是可见光近红外热红外波段， 其本身易受云层覆盖的影响，特别是华南地区，多云多雨。以珠江口及其邻近海区 为例，全年能有效接收的NOAA图像数据（无大面积云层覆盖）为6070幅， 平均56天一幅，以这样的监测频率，很难进行有效的赤潮监测。（5）波段的限制 卫星遥感受波段的限制是多方面的，主要是大气的吸收作用使得很多波段的地面信 息无法到达卫星上的传感器，卫星遥感波段的选择都是选择在所谓的大气窗口段。 如：波长范围为010 -0

21、14pm的紫外线，通过大气层时，只有013 -014pm能 部分通过大气层，通常紫外波段从空中可探测的高度大致在2000米以下，但紫外 波段对水面漂油及有机体的识别有独特效果。（6）遥感技术仅能获得海洋表层的有关信息 遥感技术是利用电磁波探测的技术，无论是利用太阳光谱的被动式遥感，还是主动 式遥感，都只能探测海洋表层的相关信息。而海洋是一个复杂的三维动态系统，仅 仅获得海洋表层信息是远远不够的。（7）赤潮遥感星载遥感器研制目前在天上运行的被国内外用于赤潮探测和监测的SeaStar、E0S2A、NOAA和 FY21卫星以及我国的HY21卫星均不是赤潮遥感专用卫星，其遥感器SeaWiFS、 MOD

22、IS、AVHRR、MVISR 和 COCTS 等都没有设置专门的赤潮遥感波段。因此， 影响了赤潮遥感技术的发展和卫星遥感技术探测与监测赤潮的能力。基于以上考虑，结合我国的实际，提出以下建议：（1）我国目前由于赤潮监测能力有限，记录的赤潮次数远远少于实际赤潮发生的 次数，因此应着重加强遥感监测赤潮技术的应用，克服遥感监测赤潮技术上的难点， 如攻关多源卫星数据（NOAA，FY21C，SeaWIFS，HY21）赤潮信息提取方法与 同化的技术问题，将卫星遥感用在赤潮的业务化监测工作中。（2）建立赤潮灾害应急监测系统。我国目前缺乏对有害藻类发生时的应急监测计 划及具体实施方法。选择示范区，建立以卫星、海

23、监飞机、海监船舶、浮标、平台 为硬件，以GIS+ MODEL +Internet为软件平台的技术系统。建立赤潮现场的应 急监测方案，这将对我国的赤潮监视监测工作起到规范化的作用。（3）我国应加强赤潮水体的光谱和热红外辐射特性的测量和研究，开展赤潮水体 的微波散射特性测量和研究，重点搞清二类海水赤潮的卫星遥感机理。（4）应根据我国近岸水体性质和卫星遥感机理，加强二类海水的赤潮卫星遥感探 测和识别技术的开发。（5）建议通过卫星遥感机理研究，提出赤潮遥感最佳波段，在我国自己的海洋卫 星上增加赤潮遥感波段，形成中国特色的赤潮卫星遥感技术系统。（6）建立全天候多层次立体海洋监测系统，由卫星飞机水面船只岸

24、基水 面水下的各种观测仪器组成，并有地理信息系统和各种模拟模型提供信息分析支持， 使其能够对海区的异常和赤潮的发生发展提供足够多的基础观测信息，为多学科的 联合研究提供基础数据。在分析了由卫星发送回来的数据之后，进行初步评估，圈 定重要警戒区域，并决定是否需要派出遥感飞机加强或加密监测，以及有无必要派 出水面船只进行现场测。(7) 在系统综合数据库的基础上，加强多学科的交互研究。有效的实测数据可为 遥感信息模型提供定标的依据，而遥感数据的分析结果也为实测数据点的空间位置 设定提供依据，从而使实测数据更加有效。对于我国赤潮的研究及治理现状，还是要以预防为主，防治结合，立足于现场监测 监视，发挥现

25、有海洋环境污染监测网和渔政监测网的作用；充分调动有关方面的人 力物力和财力，搞好科技攻关；依靠科学管理和科学技术，切实做好赤潮的防治工 作。参考文献1王修林，孙培艳，高振会，韩秀荣，陈江麟.中国有害赤潮预测方法研究现状 和进展J.海洋科学进展，2003 ,21 ( 1 ):93 - 96.2 周凡赤潮的成因、危害及治理J.生物学教学，2004,29 ( 1 ):1 - 3.3 刘令梅赤潮的监测技术和防治措施J.海洋技术，1998 ,17 ( 3 ):58 -64.4 丛丕福，赵冬至，曲丽梅利用卫星遥感技术监测赤潮的研究J.海洋技术， 2001,20(4):69-72.5 范学炜，张汉德，孙幸文

26、成像高光谱数据在赤潮检测和识别中的应用研究J.国土资源遥感，2003 ( 1 ):8 - 12.6 李桂娇，尹华，彭辉赤潮研究现状与动向J.重庆环境科学，2001, 23 (3):38-41.7张建辉，夏新，刘雪芹，王明翠.赤潮研究的现状与展望J 中国环境监测， 2002 ,18 ( 2 ):20 - 25.8 刘雪芹，夏新，张建辉，韦璐，王明翠赤潮监测技术的现状与发展J.中 国环境监测，2002，18（6）：6467.9 顾德宇，许德伟，陈海颖赤潮遥感进展与算法研究J.遥感技术与应用， 2003 ， 18（6）：434440.10 顾德宇，孙强，腾俊华等从SeaWiFS数据提取赤潮信息研究 A.“SeaWiFS海洋水色卫星遥感应用技术研究”最终研究技术报告专集C, 1998 : 127 - 149.11 黄韦艮，毛显谋，张鸿翔，等赤潮卫星遥感监测与实时预报J.海洋预 报，1998，15（3）:110-115.12 王秀林，黄韦艮基于人工神经网络的赤潮卫星遥感方法研究J.遥感学 报，2003，7（2）:125-130.