青島近海滸苔光譜特征研究

樊彥國, 白 羽, 陳潘潘, 丁智慧, 徐 琳

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院, 山東 青島266580)

滸苔(Enteromorpha), 主要附著在巖石、潮帶灘涂或者石礫上生長[1-3], 有極強的環境適應能力和繁殖能力, 正常情況下20 d就能繁殖到原來的1.5倍[4]。2008年奧運會帆船比賽前夕, 黃海海域暴發了規模很大的滸苔災害[5], 從此每年5月至7月份黃海海域均會暴發大規模滸苔災害, 已對我國海洋環境以及海洋經濟造成很大危害[6-7]。近年來, 國內外學者開展了許多關于滸苔的科學研究, 在利用遙感技術監測滸苔方面取得了良好的進展。曾韜等[8]基于“北京一號”小衛星數據, 利用人機交互的方法提取了青島近海的滸苔信息。蔣興偉等[9]基于 SAR數據, 運用面向對象的方法快速提取滸苔信息。邢前國等[10]利用不同空間分辨率、多時相的衛星遙感數據, 對2007~2010年間黃海、東海發生的綠潮災害進行了監測。趙文靜等[11]研究了水下懸浮滸苔的海面光譜響應, 分析了海面光譜隨著滸苔厚度、懸浮物深度以及水體渾濁度的變化規律。盧霞等[12-13]從定性和定量兩個角度研究了滸苔從成熟期至死亡期的光譜特征和光譜位置變量。

滸苔的光譜特征是利用遙感手段監測滸苔的重要基礎, 本文主要通過測定不同條件下滸苔的光譜反射率曲線, 獲取滸苔的光譜特征, 并通過分析Landsat 陸地衛星影像(TM)圖像和中分辨率成像光譜儀影像(MODIS)圖像上滸苔的光譜特征, 提取滸苔信息, 為實現高效地滸苔遙感監測提供一定的理論依據。

1 實測滸苔光譜數據分析

1.1 實驗過程

本研究通過測定滸苔的光譜反射率來分析其光譜特征, 于2012年7月19日、20日在青島市黃島區金沙灘進行海水和滸苔光譜數據測量。采用的儀器是AvaField地物光譜儀, 光譜范圍200~1 100 nm,光譜分辨率為2.4 nm, 視場角為25o, 光譜間隔采用6 nm, 室外測量。由于岸邊海水波動較大, 影響測量精度, 對于海水及水中滸苔光譜反射率的測量通過采集樣本的方式實現。實驗分為以下三部分: 實驗(1)利用內壁為黑色的圓桶采集海水樣本及海水中滸苔樣本各3組, 桶高為30 cm, 海水組需要加滿海水,滸苔組粗略設定滸苔厚度為10 cm, 加滿海水, 每組均測量10條光譜反射率曲線進行平均, 然后對每組的數據取平均, 得出海水及滸苔的反射率曲線。實驗(2)分別選取沙灘上及巖石海岸上有滸苔覆蓋的站點5處, 每個站點均測量 10條光譜反射率曲線進行平均, 然后對5處的數據進行平均, 得到覆蓋于沙灘和巖石海岸上滸苔的光譜反射率曲線。實驗(3)內壁為黑色的圓桶高為30 cm, 分為3組, 每組3個, 第一組滸苔厚度為5 cm, 第二組滸苔厚度為10 cm, 第三組滸苔厚度為15 cm, 然后3組圓桶均加滿海水。每個桶中的滸苔漂浮于海水表面, 均測量10條光譜反射率曲線進行平均, 然后對每組的數據取平均, 得到不同厚度的滸苔反射率曲線。

1.2 實驗結果分析

1.2.1 海水與水中滸苔光譜特征分析

根據實驗(1)得到海水與水中滸苔的光譜反射率曲線, 如圖1中所示, 實線表示海水的光譜反射率曲線。如果是純凈水體, 反射峰會出現在可見光中的藍綠光波段, 在可見光其他波段的反射率會很低, 在近紅外和中紅外波段反射率趨近于0[14]。但是由于本次實驗所測量的海水是用內壁為黑色的圓桶所裝,對海水的反射率測量結果產生了一定影響, 致使藍綠光波段的反射峰表現不明顯; 而且由于黃海海域的水體屬于Ⅱ類水體, 水中含有的葉綠素濃度較高,從而使近紅外波段反射率抬高, 光譜反射率曲線整體趨于平緩。

圖1 海水和滸苔實測光譜反射率曲線Fig.1 Spectral reflectance curves of seawater and enteromorpha

圖1中虛線為測得的滸苔光譜反射率曲線, 在可見光波段, 由于藻類色素在藍光波段(440 nm)附近和紅光波段(670 nm)附近存在著吸收峰, 在綠光波段(550 nm)附近存在一個吸收低谷, 所以滸苔光譜曲線在440 nm附近和670 nm附近反射率低, 形成反射低谷; 而在550 nm附近反射率迅速提升形成一反射峰。在近紅外波段, 反射率迅速增大, 形成一個“陡坡”, 這主要是滸苔中葉綠素a的影響; 而在710 nm及760 nm處突然形成的反射谷, 主要是由于大氣在熒光區間窄的強吸收帶(730 nm的水汽吸收帶和760 nm的氧氣吸收帶)造成的[15]。總之, 滸苔與海水的光譜反射率曲線特征差別非常明顯。

1.2.2 覆蓋于沙灘、巖石海岸表面滸苔光譜特征對比分析

根據實驗(2)得到覆蓋于巖石海岸、沙灘表面滸苔光譜反射率曲線, 分別如圖2實線和虛線中所示,曲線整體趨勢保持一致, 在藍光波段(440 nm)附近和紅光波段(670 nm)附近形成反射谷, 而在綠光波段(550 nm)附近形成反射峰; 在近紅外波段反射率明顯增大; 由于沙灘上的滸苔表面存在不少泥沙,造成沙灘上滸苔的光譜反射率整體高于巖石海岸上滸苔的光譜反射率。

圖2 覆蓋于沙灘、巖石海岸表面滸苔光譜反射率曲線Fig.2 Spectral reflectance curves of enteromorpha on the surface of sand and rocky coast

1.2.3 相同水深不同厚度的滸苔光譜特征對比分析

根據實驗(3)得到粗略條件下相同水深不同厚度的滸苔光譜反射率曲線, 如圖3所示, 分別為滸苔厚度為5, 10, 15 cm時的反射率曲線, 3條曲線的整體趨勢基本一致, 隨著滸苔厚度的增加, 在不同波段所形成的波峰更加明顯, 這主要是由于隨著滸苔厚度的增加, 水中的葉綠素濃度不斷增高, 熒光效應增強, 從而使各波段表現的特征更加明顯。

圖3 不同厚度的滸苔光譜反射率曲線Fig.3 Spectral reflectance curves of enteromorpha with different thicknesses

2 基于遙感圖像的滸苔光譜特征分析

2.1 TM圖像滸苔光譜特征分析

選取2009年7月15日青島近海的LANDSAT5衛星圖像, 該圖像已經過系統級的幾何校正, 滿足實驗需要。對TM5衛星圖像進行預處理, 將灰度值轉化為反射率值, 并剔除第六波段后重新組合顯示,得到的真彩色圖像如圖4所示, 圖像上可以觀察到在近海區域有條帶狀分布的綠色物質, 便是滸苔,進而得到滸苔光譜反射率曲線如圖5所示。

圖4 TM真彩色圖像Fig.4 True color images of TM

圖5 TM圖像上滸苔反射率光譜曲線Fig.5 Spectral reflectance curves of enteromorpha on TM

從圖5中看到, 滸苔光譜反射率曲線在藍光波段(波段1)和紅光波度(波段3)出存在反射谷, 在綠光波段(波段 2)存在反射峰, 而在近紅外波度(波段 4)反射率明顯增大, 形成“陡坡”。

2.2 MODIS圖像滸苔光譜特征分析

選取2008 年7月6日上午過境的分辨率為250 m的黃海區域 1B級定標輻射率產品 MODIS02。對MOIDS圖像進行幾何校正、大氣校正、圖像裁剪等預處理, 得到各波段的反射率值, 結果圖像如圖6所示, 青島附近海面上出現的條帶狀分布的物質即為滸苔, 從而獲得MODIS圖像上滸苔的光譜反射率曲線, 如圖7所示。

圖6 預處理后的青島近海MODIS圖像Fig.6 MODIS images of Qingdao offshore after preprocessing

圖7 MODIS圖像上滸苔光譜反射率曲線Fig.7 Spectral reflectance curves of enteromorpha on MODIS

由于 MODIS 250m分辨率數據只有紅光波段和近紅外波段, 從圖7中可以看出, 紅光波段中心波長(645 nm)對應的反射率低, 近紅外波段中心波長(858 nm)對應的反射率高, 差別十分明顯。

3 遙感圖像滸苔信息提取

根據上述分析可知, 光譜特征表現為在紅光波段有反射谷, 而在近紅外波段有明顯的反射峰, 所以可將紅光波段和近紅外波段作為滸苔遙感監測的敏感波段。將海里的滸苔看作是含有大量水體的綠色植被, 在植被遙感研究中, NDVI應用最廣, 歸一化植被指數(NDVI)[4]的計算公式可表示為

其中PNIR和PR分別表示近紅外、紅光波段的像元亮度(DN)值或反射率值, 其比值大小限定于–1到1之間。

分別基于TM圖像和MODIS圖像計算NDVI值,對陸地進行掩膜處理, 進而提取滸苔信息。通過反復試驗發現, 對于 TM 圖像, 當 NDVI值取為 0.3~0.4可以較好地獲取滸苔信息; 對于 MODIS圖像, 當NDVI值取為0~0.1可以較好地獲取滸苔信息。滸苔提取結果如圖8和圖9所示, 圖中綠色部分表示滸苔,黃色部分表示陸地, 藍色部分表示海水, 由于云霧等因素的影響, 提取結果存在一定誤差。

圖8 TM圖像NDVI提取結果Fig.8 NDVI extracting result of TM

圖9 MODIS圖像NDVI提取結果Fig.9 NDVI extracting result of MODIS

4 結論

本文首先通過三組實驗實地測量不同條件下滸苔的光譜反射率曲線, 結果表明: (1)滸苔與海水的光譜反射率曲線特征差別非常明顯; 滸苔的基本光譜特征表現為在藍光波段和紅光波段附近形成反射谷, 在綠光波段形成反射峰, 而在近紅外波段反射率明顯增大, 形成高反射峰; (2)覆蓋于沙灘上的滸苔光譜反射率比覆蓋于巖石上的滸苔光譜反射率高; (3)隨著滸苔厚度的增加, 在不同波段所形成的波峰更加明顯。

總之, 不同環境中的其他物質因子會對滸苔的光譜特征造成一定影響, 使光譜反射率曲線有所不同, 但滸苔的基本光譜特征保持不變。

在此基礎之上, 通過分析TM圖像和MODIS圖像上滸苔的光譜特征, 進一步驗證滸苔在紅光波段的低反射率特征和近紅外波段的高反射率特征, 將紅光波段和近紅外波段作為敏感波段, 利用 NDVI方法提取滸苔信息, 有較好的效果, 體現了光譜特征對于滸苔監測的重要性。

本文僅僅是對于滸苔的光譜特征進行了初步研究探索, 為了更好地提高滸苔遙感監測的效率, 將對遙感圖像上滸苔的信息提取方法以及滸苔災害暴發的時空分布特征進行深入研究, 以期能為滸苔的預防治理提供依據。

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