赤潮遙感自動監測系統開發范文

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《海洋學研究雜志》2016年第2期

摘要：

赤潮是最嚴重的海洋災害之一，它不僅破壞海洋漁業生產、惡化海洋環境、影響濱海旅游業，而且還會影響人類健康。衛星遙感技術具有覆蓋范圍廣、重復率高、成本低廉等優勢，近年來已成為赤潮監測不可或缺的重要手段。本研究利用C＋＋語言建立了一套赤潮遙感監測系統。該系統能自動接收和處理遙感數據，并利用赤潮水體的光譜和固有光學量特征自動提取赤潮信息。在實際業務化應用中，該系統被國家監測部門采用，在2013年4月至9月東海赤潮高發期間，該系統制作了55期赤潮遙感監測產品，用于指導船舶現場監測工作，取得了良好的應用效果。利用本系統對近年來東海發生的27次大型赤潮事件進行了發生位置和面積的提取，并與現場觀測結果進行比較。結果顯示，系統對大部分赤潮范圍的識別有較好的效果，對赤潮識別準確度大概在80％左右。

關鍵詞：

遙感；衛星數據處理；赤潮；赤潮自動監測系統

引言

赤潮是水體中藻類短期內大量聚集或爆發性增殖引起的一種海洋現象。當赤潮發生在近岸特別是養殖區，由于部分引起赤潮的藻種還能分泌毒素，它會危害到漁業、養殖業、旅游業甚至人類社會的經濟和生命安全。我國是世界上海洋養殖業最發達的國家之一，因此赤潮對我國海洋環境和沿海經濟有著重要的影響。東海作為我國主要的邊緣海，擁有廣闊的海岸線和豐富的海洋資源，承載著長三角經濟區的高速發展。同時東海也是我國赤潮災害最嚴重的海區，其發生面積和次數均為全國海域之最［1］。為減少赤潮災害所造成的損失，對赤潮的監測和防治是最首要和迫切解決的問題［2］。目前赤潮常規監測手段主要是建立赤潮監控區，對赤潮發生、發展和消亡過程水體生化參數、赤潮物種等進行采樣測量與分析，實現對赤潮事件的監測；除此之外，對沿海赤潮的觀測記錄主要來自于海監部門的飛機和沿海漁民等及時發現與上報。這些監測手段容易受到赤潮爆發不確定性以及時間空間等的諸多限制，且產生的費用也通常較高。相比之下，衛星遙感具有覆蓋范圍廣、重復率高、成本低廉等優勢，近年來已是赤潮監測不可或缺的重要手段。目前國內能監測赤潮的系統不多，楊建洪等［3］利用遙感水色圖像和人工識別相結合的方法建立了赤潮監測系統。與之不同的是，本文建立的東海赤潮遙感自動監測系統是不需要人工干預的業務化系統，它實現了衛星遙感資料自動接收和處理，以及利用赤潮水體的固有光學特性來自動提取赤潮信息。

一、系統構架

由于赤潮信息的提取需要快速及實效性，因此赤潮遙感自動監測系統需要保障穩定和實時的數據來源。它由兩個子系統組成，分別為衛星海洋遙感數據接收與處理子系統和赤潮遙感信息提取子系統。

1．1　衛星海洋遙感數據接收與處理子系統

1．2　赤潮遙感信息提取子系統

目前，赤潮遙感提取算法分為兩種。第一種是基于葉綠素質量濃度異常和水體反射率光譜性質的赤潮提取方法，如溫度法［4－5］、葉綠素質量濃度法［6－7］、特征波段組合法［8］、熒光法［9］和多源數據綜合分析法［10］等，該方法在近岸光學復雜水體中對赤潮的識別正確率較低，并且未能實現對赤潮水體的自動化識別和對赤潮實際發生類型的判斷。第二種是基于水體固有光學量的赤潮提取方法。這兩種方法各有自己的優點和缺點。由于東海的赤潮一般都是發生在渾濁的二類水體，因此子系統中赤潮判別方法通過結合上面2種方法，以固有光學量提取為主，進行了赤潮遙感信息提取的集成。遙感固有光學量綜合算法赤潮判別流程如圖3所示。圖中的遙感數據為表1中的L2A數據，光譜相對高度指數RH的計算方法見文獻［11］，色素吸收比重和散射－吸收比值可以通過半分析算法計算［12］。

二、系統應用

赤潮遙感自動監測系統于2012年底開發完成，2013年初部署到國家相關監測部門，并投入運行，圖4為赤潮遙感自動監測系統部分可視化界面。每天衛星遙感數據通過遙感地面站自動接收和預處理，然后輸入赤潮遙感監測系統進行自動處理，并生成赤潮遙感監測產品，最后通過網絡把這些赤潮信息發送給相關部門，赤潮通報，所有這些流程只需要在2h內完成，實現了對東海的赤潮高發區進行每日準實時業務化監測。在2013年4月至9月東海赤潮高發期間，系統制作了55期赤潮遙感監測產品，圖5是本系統生成的單軌赤潮遙感監測產品樣例，圖6是本系統生成的月份赤潮遙感監測產品樣例。

三、討論

3．1　多源衛星數據的應用評價

赤潮遙感自動監測系統的基礎是實時獲取衛星遙感資料，本系統使用的遙感資料是美國的MODIS衛星，雖然MODIS衛星運行正常，但已經超過它的服役期限，因此單一的數據源限制了系統的推廣應用。多源衛星數據的輸入是系統下一步的擴展方向。目前在軌能使用的衛星數據不多，如韓國的靜止衛星GOCI和美國的NPP衛星。自主衛星HY－1B已經處于退役期很不穩定，不過后期會有新的HY－1C／D星進行替換。如果這些衛星數據都能作為系統的數據源，會極大地拓展系統的使用生存期和范圍。特別是GOCI靜止衛星，它每天有8軌數據且能監測同一地方，大大增加了赤潮監測的頻次。

3．2　赤潮遙感提取效果評價

利用本系統對近年來東海發生的27次大型赤潮事件進行了發生位置和面積的提取，并與現場觀測結果進行比較，對遙感提取結果準確度進行評價（表2）。可以看出，總體上本系統對赤潮范圍的識別與實際公布面積存在一定差距，但從以上對各赤潮事件提取結果的詳細分析來看，大部分赤潮范圍的識別有較好的效果，對赤潮識別準確度大概在80％左右。　由于本系統使用的資料為可見光衛星資料，該衛星資料受云的影響較大，而且識別算法給出的閾值范圍為基于統計的固定值，對于不同海域和時間內發生的赤潮事件，容易受水體光學環境背景場的變化等多種條件的影響，因此識別結果與實際情況存在一定出入在所難免。另外，單純通過固有光學量算法提取赤潮區域相對比較困難，很容易受到非赤潮環境水體的干擾，必須借助于遙感反射率光譜共同識別；而為了降低對部分赤潮事件的漏判，對RH模型閾值的適當放寬應該也會對該模型算法的赤潮范圍識別效果造成一定的影響。通過此次對不同年份和區域的赤潮事件識別效果來看，本系統對于東海赤潮水體的識別具有較高可信度。

四、小結

本研究開發了一套東海赤潮遙感自動監測系統，形成了衛星遙感數據自動接收、遙感數據自動處理和赤潮遙感監測產品自動生成的赤潮遙感監測的業務處理流程。對于赤潮監測工作起到了極大的促進，使赤潮監測從被動的報告型向主動的探測型轉換。利用衛星數據的每日重復覆蓋特點，實現了對重點監控區和赤潮高發區每日準實時監測工作，及時發現水色異常區域并指導相應的部門進行跟蹤監測，從而有效地在赤潮爆發初期開展災害預防減災等工作。

作者:朱乾坤 陶邦一 雷惠 張正龍 單位：衛星海洋環境動力學國家重點實驗室 國家海洋局 第二海洋研究所 杭州師范大學 理學院 遙感與地球科學研究院 國家海洋局 東海環境檢測中心