基于多波段差值比值法的秦皇島海域赤潮監測方法

卞明明 宋金玲 王蕾 李瑞東

摘 要：為了解秦皇島海域赤潮的發生情況，通過利用預處理后的MODIS遙感數據，針對單波段比值法的不足，提出了多波段差值比值法來提取赤潮信息，并對兩種方法進行了對比實驗。實驗結果證明多波段差值比值法提取的位置及面積與事實更加相符，說明該方法更適合秦皇島海域的赤潮監測。

關鍵詞：秦皇島海域;MODIS;單波段比值法;多波段差值比值法

隨著近岸二類水體中赤潮的頻繁發生，海洋生態環境遭到了嚴重破壞，影響了當地的旅游業、水產資源、漁業收益。其中有毒赤潮的發生也在逐年增多，加重影響了海洋生物、海洋漁業的生產和人類健康安全。近年來秦皇島海域赤潮發生的頻率和強度都呈上升趨勢。根據2005年至2017年的秦皇島市海洋環境公報顯示[1]，秦皇島海域共發生49起赤潮現象，其中大型面積（大于100 km2）高達11起，累計面積13 323.5 km2。

遙感技術觀測系統可多角度、全方位和全天候對海面情況進行監測，準確、有效、快速及時地提供多種空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的觀測數據[2]。本文主要利用預處理后的MODIS遙感數據，對單波段比值法進行了實驗與評價，并在此基礎上，提出了新的多波段比值來提取赤潮信息的方法，對秦皇達海域2009年6月24日的赤潮進行了成功提取。

1 MODIS數據

MODIS是搭載在Terra和Aqua衛星上的中分辨率成像光譜儀，1999年12月18日，美國國家航空局發射了Terra，后來在2002年的4月份Aqua衛星也升上太空。Terra和Aqua衛星都是太陽同步極軌衛星，Terra的過境時間為每日上午，而Aqua的過境為每日的下午，再加上晚上的過境數據。Terra與Aqua上的MODIS數據在時間更新頻率上得到了互補，這樣可以保證兩個衛星在數據采集方面展現出它的融合性和延展性，對于接收MODIS數據來說，可以得到每日四次更新數據①。這樣的數據更新頻率以及動態監測分析，更有利于實時地球觀測和應急處理。MODIS傳感器設有36個通道，可用于大氣、陸地和海洋的觀測。通道設置如表1[3]所示。

MODIS的第1～2通道空間分辨率為250 m，第3～7通道空間分辨率為500 m，第8～36通道空間分辨率為1 000 m，掃描寬度達2 330 km。MODIS較高的光譜分辨率和時間分辨率對于赤潮的監測具有重大作用。本文主要是利用的是MODIS 1B級數據產品經過預處理后的影像數據。

2 基于MODIS影像的赤潮監測方法

2.1 赤潮水體的光譜特性

通過對赤潮水體與非赤潮水體的光譜特性曲線對比圖（圖1）的分析，我們可以發現，赤潮水體的反射率比較低，而非赤潮水體反射率高于赤潮水體。赤潮水體表現出兩個明顯吸收峰和兩個明顯反射峰，而正常海水則是單峰。

赤潮水體在440～460 nm的藍光波段形成了吸收峰，這是由于葉綠素和黃色物質的強烈吸收，但它的吸收峰并不很明顯;另一個吸收峰則出現在650～670 nm的紅光波段，在這波段范圍出現吸收峰是因為葉綠素的吸收，兩個吸收峰的大小與水體中葉綠素a的濃度有直接的關系，葉綠素a的濃度越大，則吸收峰就越大。而兩個反射峰，其中一個在 560～580 nm的綠光波段，此處的反射峰主要是由于水體中浮游植物的強反射所引起的，浮游植物的濃度與反射峰的大小成正比例;一個由葉綠素熒光激發形成的反射峰，它出現在680～710 nm的紅光波段[4-5];非赤潮水體并沒有這些特征。

赤潮水體的遙感反射率是由于葉綠素a的濃度的提高，浮游植物密度的增大，而表現出紅光波段的輻射量適當增大，海水后向散射藍綠波段的輻射量則明顯減小;非赤潮水體光譜反射率值在紅光波段比較低，而在藍綠波段相對較高。

2.2 基于單波段比值的赤潮監測方法

根據圖1我們可以看到，赤潮水體與非赤潮水體光譜相比，前者具有比較明顯的吸收峰和反射峰，在衛星遙感探測與研究上，這些特征會使相應的波段在離水輻射率方面表現出不同程度的增強或減弱，而非赤潮水體變化不是很明顯[6]。因此，我們可以根據赤潮水體的這個特性來判定赤潮是否發生。

赤潮水體的吸收信息由MODIS第3通道 （459～479 nm）遙感信息提供，赤潮水體的反射信息則由MODIS第4通道 （545～565 nm）遙感信息提供，所以利用MODIS 通道4與通道3的反射率比建立用于提取海水中赤潮水體的信息，算法如下：

其中：R3是MODIS第3通道的反射率，R4是MODIS和第4通道的反射率，Cr是常數，Cr的大小與發生赤潮的區域和赤潮的藻種有關。式（1）的比值在一定程度上表明了海水表層浮游藻類的聚集程度，也就是一種反映水體中葉綠素a濃度的體現，水體藻類細胞密度的增加或減少會使其也隨之增大或減小。因此，可以根據上述方法來提取海水中的赤潮信息（如發生區域及發生面積等）[6]。

根據選取的2009年6月24日的秦皇島海域MODIS影像圖，通過對秦皇島海域（圖中矩形圈出區域）的DN值（像元值）進行分析，發現赤潮發生區域的DN值較周圍海域明顯偏大且值都在0.9以上，發現赤潮發生區域的DN值較周圍海域明顯偏大且值都在0.9以上[7]，利用Cr>0.9提取的赤潮顯示結果如圖2所示，其中高亮度顯示的區域為赤潮。

根據提取的赤潮區域進行面積計算后結果為1 300 km2左右，而據當年的海洋公報顯示秦皇島海域赤潮面積為1 000 km2，實際赤潮面積與監測赤潮面積存在較大差距，可能是在提取赤潮過程中將周邊的沿岸區域誤判為赤潮發生區域，說明該方法存在誤判赤潮發生區域的缺點。

2.3 基于多波段差值比值的赤潮監測方法

在前面的波段比值法中，MODIS的藍綠波段反射率比值（通道4與通道3的反射率比）是識別赤潮的一個重要指數，可以對此進行利用，但是只是利用藍光波段和綠光波段反射率比值方法提取赤潮區域與實際的赤潮區域存在較大差距，因此為了突破單波段比值法的局限性，提高赤潮區域提取的精確性，我們在利用第3、4波段比值信息的基礎上，再增加第1波段進行赤潮信息識別，這是因為MODIS遙感數據中第1、3、4波段與赤潮相關性高，融入紅光波段信息有利于提高赤潮的識別精度[8]。為了和前面的單波段比值法相區別，我們將新方法稱為多波段差值比值法。