应用MODIS进行赤潮遥感监测的研究进展

第22卷　第6期2007年12月遥　感　技　术　与　应　用REMOTE SENSIN G TECHNOLOGY AND APPLICATIONV ol.22　N o.6Dec.2007收稿日期:2006212218;修订日期:2007210231基金项目:科技部国家科技基础条件平台建设专项(项目编号:2004D KA10060)。

作者简介:周为峰(19782),女,助理研究员,主要从事海洋渔业遥感和海洋渔业GIS 等研究。

应用MOD IS 进行赤潮遥感监测的研究进展周为峰1,2,樊　伟1(1.中国水产科学研究院渔业资源遥感信息技术重点开放实验室,上海　200090;2.农业部海洋与河口渔业重点开放实验室,上海　200090)摘要:赤潮遥感监测是卫星遥感应用的重要领域。

发射和应用时间相对较短的MODIS 传感器具有相对的光谱分辨率和空间分辨率的优势,使得MODIS 在赤潮遥感监测上发挥巨大的作用。

分析总结了应用MODIS 进行赤潮遥感监测的几种主要方法,并与其它几种主要传感器进行比较,分析了MODIS 在赤潮遥感监测中的优势和不足。

关　键　词:MODIS ;赤潮遥感探测中图分类号:TP 79 文献标识码:A 文章编号:100420323(2007)06207682051　引　言早在1990年赤潮已被联合国列为当今世界三大近海污染问题之一。

近年来,在全球范围内,赤潮发生的频率和强度以及地理分布区域和面积都在增加。

由于赤潮发生机理的复杂性、多尺度和瞬时性的特征,赤潮的监测和预报需要对海洋进行迅速、密集和大范围的观测[1]。

传统的依靠船舶采样和进行化学或生物学实验的方法难以满足这些需要。

卫星遥感技术是进行西北太平洋地区海洋环境监测尤其是赤潮监测中一个非常重要的手段[2]。

在我国,已有的赤潮卫星遥感监测的研究和应用以NOAA AV HRR 和SeaWi FS 这两个传感器为主。

MODIS 是EOS 系列卫星的主要探测仪器,是当前世界上新一代“图谱合一”的光学遥感仪器,具有36个光谱通道,分布在0.4～14μm 的电磁波谱范围内。

搭载MODIS 传感器的Terra 和Aqua 卫星分别于1999年和2002年发射成功,并且也是EOS Terra 和Aqua 平台上唯一进行直接广播的对地观测仪器。

NASA 将其作为SeaStar 卫星的海洋水色仪SeaWi FS 的后继仪器[3]。

MODIS 仪器的地面分辨率分别为250m 、500m 和1000m ,视幅宽度为2330km ,在对地观测过程中,每日或每两日可获取一次全球观测数据,36个光谱波段的数据可以同时提供反映陆地、大气、海洋等的特征信息,可用于对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋进行长期全球观测。

这些数据对于开展自然灾害与生态环境监测、全球环境和气候变化研究以及进行全球变化的综合性研究等将是非常有意义的[4,5]。

由于搭载MODIS 传感器的Terra 和Aqua 卫星分别于1999年和2002年发射成功,相对于其它卫星传感器来说,应用的时间较短,尤其是在赤潮监测的技术和运行化方面,仍然处于摸索和尝试阶段。

在国内目前的学术文献中报道的并不多,国外的学术文献中反映出MODIS 在海洋赤潮监测的应用研究也处于各种方法的摸索、尝试和完善阶段。

研究的热点和重点主要集中在基于MODIS 波段特性的海洋水色算法的研究,在报道赤潮的应用实例上以应用MODIS 250m 和500m 的中分辨率波段生成的彩色合成影像的方法为多。

2　MODIS 叶绿素荧光高度法MODIS 不是典型的海洋水色仪,而是多用途遥感器,36个波段中有不少波段可用于大气和陆地探测,但它在波段设置上涵盖了海洋水色探测波段。

NASA 将其作为SeaStar 卫星的海洋水色仪SeaW 2i Fs 的后继仪器。

MODIS 在海洋水色探测波段的设计上增加了可以探测由太阳激发的叶绿素荧光效应的设置[3]。

叶绿素是参与光合作用的主要色素,叶绿素分第6期 周为峰等:应用MODIS 进行赤潮遥感监测的研究进展 子吸收光量子后,将电子从基态激发到激发态。

激发态的叶绿素分子处于能量不稳定的状态,会发生能量的转变,电子从激发态回到基态是一个去激化过程,或用于光合作用,或用于发热、发射荧光,这被称为叶绿素的荧光效应。

太阳会激发荧光反应,而荧光可通过窄波段探测器来探测。

赤潮水体的光谱特征信息已经被国内外许多专家和学者研究过[6～8],如黄韦艮、毛显谋[7,8]等人探测了我国东海海域甲藻和原甲藻的赤潮水体。

自然水体上行辐射的早期测量结果表明中心波长在683nm 附近处有明显的峰值。

这个峰值与叶绿素的浓度有关,通常被称为太阳激发的叶绿素荧光,早期的研究者建议使用这个信号从飞机和卫星上估算叶绿素浓度[9,10]。

MODIS 是第一个发射成功的能从低地球轨道测量叶绿素荧光的卫星传感器[11]。

基线荧光线高度(FL H ,fluorescence line hight )是常用的叶绿素荧光效率表达方式之一。

基线荧光线高度算法通过叶绿素荧光波段任意侧的多个波段构建基线,这个基线是线性的,并以放在荧光峰任一侧的基线波段为基础,估算叶绿素荧光产生的辐亮度数量高出纯水辐亮度数量的程度。

通用的荧光高度算法依靠3个波长,其中之一的中心波长为叶绿素荧光的极大值(靠近685nm ),其余两个需要后向散射校正的波段用来产生荧光峰下的基线,分别位于荧光峰的两侧。

FL H 简单地表示为波段La 和Lc 相连的L b 波段上行辐亮度的强度(如图1所示),定义如公式(1)。

图1　叶绿素荧光高度算法简视图Fig.1　Schematic diagram of fluorescence line heightFL H =(L b -L c )-(λb -λc )λa -λc(L a -L c )(1) 对于MODIS 来说,测量FL H 的3个主要波段是13(665.1nm ),14(676.7nm ),和15(746.3nm )。

由于荧光信号比较低,所以要探测到荧光信号的变化,这些通道必须有很高的信噪比(SNR )。

通道也要设计得相对的窄,以避免大气吸收的影响。

由于这些吸收和光谱特性有很大的关系,所以这些通道的光谱宽度和光谱位置还必须稳定[12]。

现在MODIS 的设计是满足这些要求的。

除了基线荧光高度法,还可以使用归一化荧光高度法对SICF 峰高进行表征,将红光波段的反射率最大值(Rmaxred )归一化到560nm 处整个光谱曲线的最大值上或R675上[13]。

叶绿素荧光特性利用范围的扩大给初级生产力和浮游植物生理状态卫星测量增加了有力工具。

Hoge (2003)等的研究表明,由Terra 搭载的MO 2DIS 传感器可以反演由太阳激发的浮游植物叶绿素荧光发射出来的辐射;Hoge 等于2002年3月11日在北大西洋西部的中大西洋湾(Middle Atlantic Bight ,MAB )地区的湾流、大陆斜坡、大陆架及沿岸水体等区域,利用所测得的航空海洋激光雷达激发的叶绿素荧光数据对MODIS 荧光高度线反演产品的结果进行验证,超过整个480km 飞行航线的范围内,航空激光数据和MODIS FL H 数据的回归表明,两者相关性很好,相关系数可达0.85,同时它也表明MODIS FL H 产品没有受到CDOM 等蓝光吸收的溶解有机物质的吸收影响。

这些区域性的结果强烈表明FL H 方法在全球海洋类似的区域也是同样有效的[14]。

Hu Chuanmin (2005)在利用MODIS 荧光数据对SW Florida 水域发生在2004年10月到12月的赤潮进行监测和跟踪,认为尽管存在着尚未清楚的荧光有效性等因素,使得MODIS FL H 在使用中存在不确定和假象,但他们的研究结果表明MODIS FL H 数据给研究和管理者提供了一个前所未有的用于监测沿岸环境藻类爆发的工具[15]。

虽然叶绿素浓度荧光反演方法具有光谱敏感性专一、波段之间比较接近从而受大气信号的干扰小等优点,但不同藻类的生理特性、沿岸复杂的高浓度泥沙和黄色物质的情况都会影响到叶绿素的荧光探测。

事实上,不管是MODIS ,还是其它已有的传感器,水色遥感应用于赤潮的成功案例并不是很多[16]。

目前使用MODIS 叶绿素荧光对近岸海域频发的赤潮水体的探测仍属于探索阶段。

我国学者研究表明,不同藻类归一化荧光高度与叶绿素a 的响应关系不一致,Rmaxred/R675mini 和R685/R675应该更适合于海洋现场的叶绿素浓度估算[17]。

不同藻类的基线荧光高度与叶绿素浓度的响应关系不一致,并存在较大的差异。

在高叶绿素浓度即赤潮条件下,浮游植物的叶绿素浓度、生理状态等对反射光谱产生了不同程度的影响,并产生了明显不同的荧光光谱行为,使得叶绿素基线荧光高度算法在探测赤潮水体叶绿素浓度时产生了不同的结果[18]。

967 遥　感　技　术　与　应　用 第22卷3　多波段差值比值法从光谱差异上看,富含藻类的赤潮水体与非赤潮水体光谱相比具有明显的吸收峰和反射峰,这些特征在卫星遥感探测上则会表现出在相应波段信号发生不同程度的增强或减弱,而和非赤潮水体明显有别。

常用的海洋水色经验算法即为蓝绿波段比值法,即利用水体反射率光谱峰值随着叶绿素浓度的增大从蓝波段偏移的机理而采用在蓝绿波段的比值进行相关分析。

因此,双波段或多波段的差值比值法是已有的传感器在进行赤潮水体探测时常用的方法[19]。

MODIS第3通道(459～479nm)遥感信息中含有赤潮水体的吸收信息,第4通道(545～565 nm)遥感信息中含有赤潮水体的反射信息,因此,可以利用上述第3与第4通道反射率的比值大于赤潮水体发生常数Cr来判定赤潮的发生。

Cr值的大小与发生赤潮的海区和赤潮藻种有关。

这一比值随着水体藻类细胞密度的增加而增大,比值越大则反映出叶绿素浓度越高,出现赤潮的可能性也越大。

因此,可以据此提取海水中的赤潮信息。

由于我国的海洋赤潮大都发生在近岸,而近岸海域的海水属于比较浑浊的二类水,用MODIS第11和第9通道经过瑞利散射校正后的辐射量(L nw11和L nw9)比值大于赤潮水体识别常数C nw来判定。

C nw是赤潮水体识别常数,其值的大小与发生赤潮的海区和赤潮藻种有关[20]。

这两种比值计算判定赤潮的方法需要注意排除海洋悬浮泥沙的干扰。

Dingtian Yang[21]在对我国太湖地区的蓝绿藻爆发的研究中发现,MO2 DIS250m分辨率数据波段一与波段二的比值更适合于监测我国太湖蓝藻的发生。

Dall′Olmo[22]等人认为蓝绿波段比值的生物光学算法会受到沿岸混淆水体物质的影响,并且研究了可以应用到的SeaW2 i FS和MODIS近红外和红外波段的比值算法。