基于MODIS數據的日照市近海滸苔監測及影響因子分析

孫慧， 謝小平

(曲阜師范大學地理與旅游學院，日照　276826)

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基于MODIS數據的日照市近海滸苔監測及影響因子分析

孫慧， 謝小平

(曲阜師范大學地理與旅游學院，日照276826)

摘要：基于遙感和地理信息系統技術，利用MODIS全球地表反射數據，結合浮游藻類指數(floating algae index，FAI)方法，以山東省日照市近海為研究對象，進行滸苔信息識別與提取，分析2012年和2013年滸苔的時空分布特征與發展趨勢，并結合海水表面溫度(sea surface temperature，SST)和熱帶測雨衛星(tropical rainfall measuring mission satellite，TRMM)提供的逐月降水資料，揭示氣象因子與滸苔之間的關聯機制，為控制和治理滸苔提供信息支持。結果表明： 運用FAI指數方法能夠較好地反演出日照市近海2012年及2013年5—7月海面滸苔分布面積及時空特征； 提取的滸苔信息表明，2013年滸苔強度與面積總體上均大于2012年； 海水表面溫度與月降水量對滸苔的生長爆發有重要影響，滸苔在20℃~21℃之間最易繁殖，降水量的增加為滸苔生長提供了更加有利的條件，2013年5—7月的水文氣象條件相對2012年更加有利于滸苔的生長。

關鍵詞：滸苔； FAI指數； 海水表面溫度(SST)； 降水； 日照市近海

0引言

1研究區概況

日照市位于山東省東南部黃海之濱，全市陸域面積5 310 km2，海域面積6 000 km2。日照市海岸北起白馬河口，南至魯蘇交界處的繡針河口，海岸線總長168.5 km。

2007年以來，黃海中部連續多年出現以滸苔為主的綠潮災害，并多次影響日照市，使日照市近海海域成為綠潮高風險區[11]。滸苔災害的頻繁爆發給日照市沿海生態環境、水產養殖以及旅游業等造成了巨大的危害。本文以日照市近海為研究對象，為確保對滸苔發展過程研究的完整性，研究區選在E 119°~121.5°，N 34.5°~36.5°之間(圖1)。

圖1　研究區范圍示意圖

圖1中虛線所示部分為滸苔集中區域，此區域將被應用于滸苔和氣象要素的分析中。

2數據源及其預處理

MODIS數據有較高的光譜和時間分辨率，對開展自然災害與生態環境監測、全球環境和氣候變化研究以及全球變化綜合性研究等發揮著重要作用。本文選用的影像數據來自NASA-MODIS網站(http: //reverb.echo.nasa.gov/reverb)提供的L1B級MODIS/TERRA數據產品MOD02(表1)和Oceans NASA網站(http: //oceancolor.gsfc.nasa.gov)提供的空間分辨率為4 km的逐日及逐月平均海水表面溫度(sea surface temperature，SST)數據，以及空間分辨率為0.25°的TMI星載微波成像儀逐月降水數據(http: //mirador.gsfc.nasa.gov)。

表1　MODIS數據選用波段信息詳情表

根據北海區海洋環境公報以及于風[12]對黃海滸苔研究得出的結論，每年的5—7月為黃海海域滸苔的高發時期。因此本文選取2012和2013年日照市近海海域5—7月的MODIS數據產品作為數據源。選取其中天氣晴朗、云量較少的6景數據(2012年5月26日、6月22日、7月6日和2013年6月2日、6月20日、7月5日)進行分析。由于2013年5月影像數據的遙感數據云量較大，質量不夠理想，因此本文選用了同年6月2日的數據來反映5月份的滸苔情況。MODIS L1B數據自帶地理坐標，通過ENVI 5.0的MRT模塊對其進行投影轉換并運用FLAASH模塊進行大氣校正，消除由大氣散射引起的輻射誤差。由于MODIS數據分辨率相對較低，利用最近鄰域法將其空間分辨率為500 m的1，2波段重采樣成250 m。運用SeaDAS海洋遙感分析軟件將SST數據重采樣成250 m，進行掩模處理，并運用彩色合成原理將原始灰度圖像轉換成彩色影像，進行研究區域的影像數據解譯。

3研究方法

滸苔是1種富含葉綠素的大型綠藻，當其覆蓋海面時，葉綠素對太陽光的吸收、反射與散射作用會使海水表面的光譜特征發生改變。在波譜曲線上，水體在紅光波段、近紅外波段以及短波紅外波段表現為強烈的吸收特征，而含有滸苔的水體在近紅外波段(如MODIS的第2波段，參見表1)出現類似于植被光譜曲線的高反射峰[13-15]。基于這些波譜特征，本研究使用胡傳民[10]提出的FAI指數法來提取滸苔信息。

FAI定義為

短期旋回基準面下降期沉積的地層主要由三角洲平原和三角洲前緣富砂沉積物構成。在平行物源方向的地震剖面上通常顯示明顯的楔狀體幾何形態，內部連續、低角度的前積反射發育［3］。在三角洲進積過程中，前緣沉積物發生滑塌，經常在三角洲進積體的坡角處或更遠的深水湖區形成滑塌濁積巖，呈小型透鏡體狀，分布面積有限，厚度較薄，一般數米厚。

(1)

其中

(2)

(3)

式(2)—(3)中：L為傳感器經過輻射定標的輻射率；F0為大氣層外垂直入射的太陽輻照度；θ0為太陽天頂角；Rr為用6S模型[16]估算的瑞利散射反射率； 得到Rrc為瑞利校正后的遙感反射率值；Rrc，RED，Rrc，NIR和Rrc，SWIR分別為紅波段、近紅外波段和短波紅外波段經瑞利校正后的反射率值；λ為MODIS各波段的中心波長，本文中λRED=645 nm，λNIR=859 nm，λSWIR=1 240 nm。

選取2012年和2013年5—7月每個月滸苔爆發面積最大的1景影像，代表當年當月的滸苔發生情況。陸地的FAI值偏高，容易被誤判為滸苔覆蓋區域。為了消除陸地植被對滸苔監測結果的影響，首先對陸地進行掩模處理。在獲取FAI后，利用閾值法綜合判斷提取檢測海域的滸苔信息。不同時期滸苔分布范圍的大小、形狀特征均有不同，通常在5月份滸苔初步形成時，其分布較為分散且個體較小，故與周圍水體差別較小。為了準確地提取滸苔分布圖斑，本文基于已有研究，利用梯度法計算相鄰像元之間FAI值的梯度變化，并最終根據FAI值梯度確定閾值，利用閾值結合目視解譯提取滸苔圖斑。最后將滸苔提取結果輸入ArcGIS軟件中，計算滸苔面積等相關要素以便進行后續分析。

4結果與分析

4.1滸苔的空間分布

根據FAI方法利用MODIS數據提取的滸苔信息顯示，滸苔從“出現—生長爆發—消亡”存在一個顯著的周期性[17]。滸苔出現初期，日照市近海海域滸苔的面積和范圍較小，成片的滸苔主要集中于江蘇連云港以東的海面上，在東南風以及由南向北黃海表層流的作用下滸苔逐步向日照市海域移動； 6月份滸苔集中于營養鹽豐富、降水與溫度適宜的黃海中部海域，滸苔進入生長爆發階段，繁殖速度加快，分布范圍明顯擴大，日照市近海的滸苔達到最大規模； 此后由于滸苔的移動以及人為打撈和自然死亡，日照市近海滸苔覆蓋面積逐步減少、趨于消亡。

從年際變化看，2013年日照市近海以及整個黃海海域的滸苔覆蓋面積明顯高于2012年。2012年滸苔出現初期(即5月)，日照市近海只有零星滸苔出現； 2013年初期成片滸苔已經出現在日照市近海，滸苔的覆蓋面積和規模明顯較2012年大且有不斷擴大的趨勢。滸苔進入生長爆發階段時，大面積滸苔出現在日照市近海以及黃海海域。MODIS圖像處理結果顯示，2013年6月日照市近海滸苔覆蓋面積高達1 504.49 km2，遠遠高于2012年同時期的86.22 km2。7月初滸苔沿著海岸線向東北漂移，徘徊數日后到達青島及煙臺沿岸。日照市近海滸苔逐漸消亡，最終因風力和洋流的共同作用向外海移動。此時，黃海西北部海域的滸苔面積也明顯減少(圖2)。

(a) 2012年 (b) 2013年

圖22012和2013年衛星監測滸苔分布圖

Fig.2The distribution of algae detected by MODIS in 2012 and 2013

4.2氣象因子對滸苔的影響

海域滸苔的時空變化包含著海區基本的生態信息，同光照、溫度、鹽度以及風潮流等各種因素密切相關。滸苔爆發不僅取決于藻類生長的營養物質條件，也取決于其生長所處的生態環境條件。本文主要從溫度與降水2個方面著手，分析氣象因子對滸苔生長及時空變化規律的影響。

4.2.1溫度影響

氣候變化越來越深刻地影響著近岸海洋生態系統，其中SST是影響滸苔生長和繁殖的一個重要環境因子[18]。現有研究認為，滸苔最適宜的生長溫度為20~25 ℃，在溫度為25 ℃時，滸苔生長達到峰值[19]。日照市屬于暖溫帶濕潤季風氣候，受海洋環境的影響，具有顯著的海洋氣候性質，氣候溫和，光照充足。年平均氣溫為12.7 ℃，最熱月平均氣溫為25.3 ℃。這種氣候條件為滸苔的爆發與生長提供了良好的溫度環境。

選取日照市近海海域附近4個滸苔覆蓋度較高的點(E119.80°，N35.40°)、(E120.72°，N35.34°)、(E120.69°，N34.57°)和(E121.10°，N36.17°)，分析2012年和2013年5—7月的逐日海水表面平均溫度變化情況(圖3)。

(a) (E120.69°，N34.57°)處 (b) (E120.72°，N35.34°)處

(c) (E119.80°，N35.40°)處 (d) (E121.10°，N36.17°)處

圖3日照市近海4地點5—7月逐日SST分布圖

Fig.3Daily SST in 4 spots of Rizhao offshore from May to July

從圖3可以看出，2013年5月SST略低于2012年，但都在10~20℃之間。根據衛星監測結果顯示，5月為滸苔出現初期，滸苔數量較少且生長速度較為緩慢。6月前后日照市近海以及黃海海域滸苔爆發出現密集區，這時的SST剛剛超過20℃，達到滸苔的最佳繁殖溫度范圍。此時滸苔體內新陳代謝旺盛，生長速度驚人。這種溫度趨勢將一直持續到7月中旬，為滸苔的生長爆發提供了合適的溫度條件。7月下旬SST接近或者超過25℃，滸苔走向消亡階段。通過統計發現，2013年6—7月SST落在20~25℃區域內的數據略多于2012年，這與2013年滸苔顯著多于2012年的研究結果相吻合。

為了客觀地反映滸苔與溫度之間的關系，在對滸苔生長的溫度因子進行定性對比分析的基礎上，將月平均SST與滸苔分布數據相疊合進行定量相關分析。選取2012年和2013年滸苔活躍期5—7月覆蓋度較高的300個點,建立4 km范圍的緩沖區，利用各個緩沖區讀取相應區域的SST及FAI，并計算對應點上SST與FAI的相關系數。月平均SST與FAI疊合結果見圖4。

(a) 2012年5月(b) 2012年6月(c) 2012年7月

(d) 2013年5月(e) 2013年6月(f) 2013年7月

圖4月平均SST與FAI疊合圖

Fig.4Overlapping of monthly averageSSTandFAI

通過計算發現SST在20℃以下時，SST與FAI相關系數最小，[20℃，25℃)范圍內相關系數最大，而在25℃以上的相關系數介于兩者之間。將[20℃,25℃)再細分進行深一步研究，以1℃為步長逐步減小區域內的最高氣溫，并計算SST與FAI的相關系數，得到的相關系數均通過了α=0.01的置信檢驗。結果顯示，當溫度在[20℃，21℃)之間時SST與FAI之間的相關系數最大，即在[20℃，21℃)溫度對滸苔的影響最為顯著。同時通過對比分析2012年與2013年不同溫度閾值與FAI之間的相關關系得出，2013年的相關系數均高于2012年，表明2013年溫度變化對滸苔的影響更為顯著(表2)。

表2　SST與FAI相關系數表

4.2.2降水影響

研究表明滸苔發生的最根本原因是近岸海域存在著嚴重的富營養化[20]。在降水和徑流沖刷的動力作用下，大量可溶性營養物匯入海中，使海水鹽度降低； 同時大量含氮的營養物入海給滸苔的繁殖提供了豐富的物質基礎。海水鹽度下降易形成溫躍層和鹽躍層，藻類物質在此海洋環境下生長迅速。

利用GrADS軟件提取TMI降水數據，并通過分析降水資料發現，2013年5—7月研究區域的降水量普遍高于2012年同期降水量(圖5)。2013年5月，當滸苔由蘇北海域向日照近海海域靠近時，日照近海有一個較大的降水集中區域(E120°，N35.2°)，降水量高達200 mm，比2012年顯著增加。對比分析6月份的降水情況發現，2012年青島沿岸形成一個少雨區，月總降水量小于30 mm。與2012年相比，2013年6月滸苔活躍地區(日照及青島近岸)的降水相對較多，降水量偏多為滸苔在日照沿岸大量生長和繁殖提供了有利的水文條件; 7月，日照市近海海域滸苔基本消亡，滸苔逐漸北移。2013年7月集中降水帶的移動路徑與滸苔的遷移路徑一致，隨著滸苔的北移而北上，到達煙臺威海海域。而2012年7月降水主要集中在日照青島海域，山東半島東部與北部海域的降水明顯偏少。以上對比分析表明： 降水量偏多使沿岸大量的有機質被沖進海里，提高了海水富氧離子含量，為滸苔的生長繁殖提供了所需的營養成分。

(a) 2012年5月 (b) 2012年6月 (c) 2012年7月

(d) 2013年5月 (e) 2013年6月 (f) 2013年7月

圖5研究區2012年和2013年5—7月逐月降水量分布圖

Fig.5Monthly precipitation distribution from May to July of 2012 and 2013 of study area

基于前面介紹的氣溫與滸苔分布的相關分析，對逐月降水量分布與滸苔分布進行疊合(圖6)。同樣選取2012年和2013年滸苔活躍期覆蓋度較高的300個點，計算4 km緩沖區范圍內相對應的逐月降水量與FAI的相關系數。結果顯示，滸苔分布與降水呈明顯的正相關，2013年的相關系數為0.833，高于2012年的0.738(以上相關系數均通過了0.01的置信檢驗)，表明2013年降水變化對滸苔的影響更為顯著。

(a) 2012年5月(b) 2012年6月(c) 2012年7月

(d) 2013年5月(e) 2013年6月(f) 2013年7月

圖6逐月降水量與滸苔疊合圖

Fig.6Overlapping of monthly precipitation and algae

5結論

通過對遙感影像數據的反演，得到了2012和2013年日照市近海及黃海海域滸苔爆發的時空分布規律。并結合氣象數據，分析了海水表面溫度及降水量2個氣象因子對滸苔分布的影響。研究結果表明：

1)運用FAI指數方法能夠較好地反演出日照市近海2012年及2013年5—7月海面滸苔分布面積及強度特征。

2)衛星遙感動態監測結果顯示，5月為日照市近海滸苔出現初期，強度較小； 6月滸苔大量生長繁殖，強度達到最大； 到7月滸苔已基本消亡。對比分析2012年和2013年同時期的滸苔面積與強度，從“出現—生長爆發—消亡”整個滸苔生長周期來看，2013年滸苔規模較2012年大。

3)從滸苔的影響因子來看，氣象條件與滸苔暴發的概率和程度存在緊密聯系。海水表面溫度在20~21℃之間最適宜滸苔的生長； 降水量偏多，導致海水表層營養鹽增多，為滸苔營造了一個良好的生長環境。在二者的共同作用下滸苔會大量生長繁殖并覆蓋大范圍海域。日照市近海海域2013年的海水表面溫度與降水量2個氣象因子均比2012年更有利于滸苔的生長，這也正是該海域2013年滸苔爆發量遠大于2012年的原因所在。

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(責任編輯： 李瑜)

Monitoring of Enteromorpha prolifera and analysis of impact factors based on MODIS data in Rizhao offshore

SUN Hui, XIE Xiaoping

(SchoolofGeographyandTourism,QufuNormalUniversity,Rizhao276826,China)

Abstract:Rizhao offshore was selected as the study area in monitoring the Enteromorpha Prolifera. Using the floating algae index (FAI) which is based on the remote sensing technology and geographic information system with MODIS global surface reflectance data, the authors interpreted and extracted the Enteromorpha prolifera information in Rizhao offshore. Temporal and spatial evolution characteristics of 2012 and 2013 were studied through these methods. Combined with the sea surface temperature data and the precipitation provided by TRMM satellite, the relationship between Enteromorpha prolifera and the meteorological factors were revealed. The results can provide information about controlling and alleviating the harm of Enteromorpha prolifera. Some conclusions have been reached: The intensity and distribution areas of Enteromorpha prolifera could be well revealed by using FAI index from May to July in 2012 and 2013. The information about Enteromorpha prolifera by using threshold indicates that the intensity and the areas of Enteromorpha prolifera in 2013 was stronger than that in 2013. Temperature and precipitation have great influence on the thriving of Enteromorpha prolifera. The temperature between 20℃ and 21℃ is the best interval for the growth of Enteromorpha prolifera, and the increasing of precipitation is also important for the increasing of Enteromorpha prolifera. In short, hydrographic and meteorological condition in 2013 was more suitable for thriving of Enteromorpha prolifera than that in 2012.

Keywords:Enteromorpha prolifera; FAI index; sea surface temperature(SST); precipitation; Rizhao offshore

通信作者：謝小平(1966- )，男，博士，教授，主要研究方向為河口海岸動力工程及河流生態。Email： xp.xie@263.net。

作者簡介：第一 孫慧(1990- )，女，碩士研究生，主要從事遙感及地理信息系統應用研究。Email： jnczdl@163.com。

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)01-0144-08

基金項目：國家自然科學基金項目“龍門山地區涪江上游晚新生代水系演化與新構造響應研究”(編號： 41072164)資助。

收稿日期：2014-10-14；

修訂日期：2014-12-12

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.21

引用格式： 孫慧,謝小平.基于MODIS數據的日照市近海滸苔監測及影響因子分析[J].國土資源遙感,2016,28(1)：144-151.(Sun H,Xie X P.Monitoring of Enteromorpha prolifera and analysis of impact factors based on MODIS data in Rizhao offshore[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1)：144-151.)