赤潮遙感自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)范文
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《海洋學(xué)研究雜志》2016年第2期
摘要：
赤潮是最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害之一，它不僅破壞海洋漁業(yè)生產(chǎn)、惡化海洋環(huán)境、影響濱海旅游業(yè)，而且還會(huì)影響人類健康。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、重復(fù)率高、成本低廉等優(yōu)勢，近年來已成為赤潮監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)接收和處理遙感數(shù)據(jù)，并利用赤潮水體的光譜和固有光學(xué)量特征自動(dòng)提取赤潮信息。在實(shí)際業(yè)務(wù)化應(yīng)用中，該系統(tǒng)被國家監(jiān)測部門采用，在2013年4月至9月東海赤潮高發(fā)期間，該系統(tǒng)制作了55期赤潮遙感監(jiān)測產(chǎn)品，用于指導(dǎo)船舶現(xiàn)場監(jiān)測工作，取得了良好的應(yīng)用效果。利用本系統(tǒng)對(duì)近年來東海發(fā)生的27次大型赤潮事件進(jìn)行了發(fā)生位置和面積的提取，并與現(xiàn)場觀測結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，系統(tǒng)對(duì)大部分赤潮范圍的識(shí)別有較好的效果，對(duì)赤潮識(shí)別準(zhǔn)確度大概在80％左右。
關(guān)鍵詞：
遙感；衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理；赤潮；赤潮自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)
引言
赤潮是水體中藻類短期內(nèi)大量聚集或爆發(fā)性增殖引起的一種海洋現(xiàn)象。當(dāng)赤潮發(fā)生在近岸特別是養(yǎng)殖區(qū)，由于部分引起赤潮的藻種還能分泌毒素，它會(huì)危害到漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)甚至人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和生命安全。我國是世界上海洋養(yǎng)殖業(yè)最發(fā)達(dá)的國家之一，因此赤潮對(duì)我國海洋環(huán)境和沿海經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)區(qū)的高速發(fā)展。同時(shí)東海也是我國赤潮災(zāi)害最嚴(yán)重的海區(qū)，其發(fā)生面積和次數(shù)均為全國海域之最［1］。為減少赤潮災(zāi)害所造成的損失，對(duì)赤潮的監(jiān)測和防治是最首要和迫切解決的問題［2］。目前赤潮常規(guī)監(jiān)測手段主要是建立赤潮監(jiān)控區(qū)，對(duì)赤潮發(fā)生、發(fā)展和消亡過程水體生化參數(shù)、赤潮物種等進(jìn)行采樣測量與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)赤潮事件的監(jiān)測；除此之外，對(duì)沿海赤潮的觀測記錄主要來自于海監(jiān)部門的飛機(jī)和沿海漁民等及時(shí)發(fā)現(xiàn)與上報(bào)。這些監(jiān)測手段容易受到赤潮爆發(fā)不確定性以及時(shí)間空間等的諸多限制，且產(chǎn)生的費(fèi)用也通常較高。相比之下，衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、重復(fù)率高、成本低廉等優(yōu)勢，近年來已是赤潮監(jiān)測不可或缺的重要手段。目前國內(nèi)能監(jiān)測赤潮的系統(tǒng)不多，楊建洪等［3］利用遙感水色圖像和人工識(shí)別相結(jié)合的方法建立了赤潮監(jiān)測系統(tǒng)。與之不同的是，本文建立的東海赤潮遙感自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是不需要人工干預(yù)的業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星遙感資料自動(dòng)接收和處理，以及利用赤潮水體的固有光學(xué)特性來自動(dòng)提取赤潮信息。
一、系統(tǒng)構(gòu)架
由于赤潮信息的提取需要快速及實(shí)效性，因此赤潮遙感自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)需要保障穩(wěn)定和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)來源。它由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為衛(wèi)星海洋遙感數(shù)據(jù)接收與處理子系統(tǒng)和赤潮遙感信息提取子系統(tǒng)。
1．1 衛(wèi)星海洋遙感數(shù)據(jù)接收與處理子系統(tǒng)
1．2 赤潮遙感信息提取子系統(tǒng)
目前，赤潮遙感提取算法分為兩種。第一種是基于葉綠素質(zhì)量濃度異常和水體反射率光譜性質(zhì)的赤潮提取方法，如溫度法［4－5］、葉綠素質(zhì)量濃度法［6－7］、特征波段組合法［8］、熒光法［9］和多源數(shù)據(jù)綜合分析法［10］等，該方法在近岸光學(xué)復(fù)雜水體中對(duì)赤潮的識(shí)別正確率較低，并且未能實(shí)現(xiàn)對(duì)赤潮水體的自動(dòng)化識(shí)別和對(duì)赤潮實(shí)際發(fā)生類型的判斷。第二種是基于水體固有光學(xué)量的赤潮提取方法。這兩種方法各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。由于東海的赤潮一般都是發(fā)生在渾濁的二類水體，因此子系統(tǒng)中赤潮判別方法通過結(jié)合上面2種方法，以固有光學(xué)量提取為主，進(jìn)行了赤潮遙感信息提取的集成。遙感固有光學(xué)量綜合算法赤潮判別流程如圖3所示。圖中的遙感數(shù)據(jù)為表1中的L2A數(shù)據(jù)，光譜相對(duì)高度指數(shù)RH的計(jì)算方法見文獻(xiàn)［11］，色素吸收比重和散射－吸收比值可以通過半分析算法計(jì)算［12］。
二、系統(tǒng)應(yīng)用
赤潮遙感自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)于2012年底開發(fā)完成，2013年初部署到國家相關(guān)監(jiān)測部門，并投入運(yùn)行，圖4為赤潮遙感自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)部分可視化界面。每天衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)通過遙感地面站自動(dòng)接收和預(yù)處理，然后輸入赤潮遙感監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)處理，并生成赤潮遙感監(jiān)測產(chǎn)品，最后通過網(wǎng)絡(luò)把這些赤潮信息發(fā)送給相關(guān)部門，赤潮通報(bào)，所有這些流程只需要在2h內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)東海的赤潮高發(fā)區(qū)進(jìn)行每日準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)化監(jiān)測。在2013年4月至9月東海赤潮高發(fā)期間，系統(tǒng)制作了55期赤潮遙感監(jiān)測產(chǎn)品，圖5是本系統(tǒng)生成的單軌赤潮遙感監(jiān)測產(chǎn)品樣例，圖6是本系統(tǒng)生成的月份赤潮遙感監(jiān)測產(chǎn)品樣例。
三、討論
3．1 多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用評(píng)價(jià)
赤潮遙感自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)是實(shí)時(shí)獲取衛(wèi)星遙感資料，本系統(tǒng)使用的遙感資料是美國的MODIS衛(wèi)星，雖然MODIS衛(wèi)星運(yùn)行正常，但已經(jīng)超過它的服役期限，因此單一的數(shù)據(jù)源限制了系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的輸入是系統(tǒng)下一步的擴(kuò)展方向。目前在軌能使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)不多，如韓國的靜止衛(wèi)星GOCI和美國的NPP衛(wèi)星。自主衛(wèi)星HY－1B已經(jīng)處于退役期很不穩(wěn)定，不過后期會(huì)有新的HY－1C／D星進(jìn)行替換。如果這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)都能作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，會(huì)極大地拓展系統(tǒng)的使用生存期和范圍。特別是GOCI靜止衛(wèi)星，它每天有8軌數(shù)據(jù)且能監(jiān)測同一地方，大大增加了赤潮監(jiān)測的頻次。
3．2 赤潮遙感提取效果評(píng)價(jià)
利用本系統(tǒng)對(duì)近年來東海發(fā)生的27次大型赤潮事件進(jìn)行了發(fā)生位置和面積的提取，并與現(xiàn)場觀測結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)遙感提取結(jié)果準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)（表2）。可以看出，總體上本系統(tǒng)對(duì)赤潮范圍的識(shí)別與實(shí)際公布面積存在一定差距，但從以上對(duì)各赤潮事件提取結(jié)果的詳細(xì)分析來看，大部分赤潮范圍的識(shí)別有較好的效果，對(duì)赤潮識(shí)別準(zhǔn)確度大概在80％左右。 由于本系統(tǒng)使用的資料為可見光衛(wèi)星資料，該衛(wèi)星資料受云的影響較大，而且識(shí)別算法給出的閾值范圍為基于統(tǒng)計(jì)的固定值，對(duì)于不同海域和時(shí)間內(nèi)發(fā)生的赤潮事件，容易受水體光學(xué)環(huán)境背景場的變化等多種條件的影響，因此識(shí)別結(jié)果與實(shí)際情況存在一定出入在所難免。另外，單純通過固有光學(xué)量算法提取赤潮區(qū)域相對(duì)比較困難，很容易受到非赤潮環(huán)境水體的干擾，必須借助于遙感反射率光譜共同識(shí)別；而為了降低對(duì)部分赤潮事件的漏判，對(duì)RH模型閾值的適當(dāng)放寬應(yīng)該也會(huì)對(duì)該模型算法的赤潮范圍識(shí)別效果造成一定的影響。通過此次對(duì)不同年份和區(qū)域的赤潮事件識(shí)別效果來看，本系統(tǒng)對(duì)于東海赤潮水體的識(shí)別具有較高可信度。
四、小結(jié)
本研究開發(fā)了一套東海赤潮遙感自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，形成了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)接收、遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和赤潮遙感監(jiān)測產(chǎn)品自動(dòng)生成的赤潮遙感監(jiān)測的業(yè)務(wù)處理流程。對(duì)于赤潮監(jiān)測工作起到了極大的促進(jìn)，使赤潮監(jiān)測從被動(dòng)的報(bào)告型向主動(dòng)的探測型轉(zhuǎn)換。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的每日重復(fù)覆蓋特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)和赤潮高發(fā)區(qū)每日準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水色異常區(qū)域并指導(dǎo)相應(yīng)的部門進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，從而有效地在赤潮爆發(fā)初期開展災(zāi)害預(yù)防減災(zāi)等工作。
作者:朱乾坤 陶邦一 雷惠 張正龍 單位：衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家海洋局 第二海洋研究所 杭州師范大學(xué) 理學(xué)院 遙感與地球科學(xué)研究院 國家海洋局 東海環(huán)境檢測中心