基于GOCI的辐射沙脊群海表流场遥感分析

金宇豪

（1.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275）

3S 技术应用

基于GOCI的辐射沙脊群海表流场遥感分析

金宇豪1

（1.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275）

针对江苏沿海尤其是辐射沙脊群海域水沙动力环境复杂，难以实时更新实地海洋流场调查数据的问题，根据2014年1 月韩国高分遥感影像GOCI与现场同步潮汐数据资料，运用最大交叉相关系数法，遥感模拟分析了辐射沙脊群海表瞬时流场。结果表明，在辐射沙脊群海域琼港-洋口港一带，近岸海流场变化明显，海流自沿岸滩涂带流向外海；同时远岸瞬时流场的涡旋及流场瞬时方向变化亦较清晰。通过遥感分析法观测海表流场，在一定程度上解决了基础资料更新难的问题，实现了实时检测辐射沙脊群海表流场变化的目的。

海表流场；遥感分析；MCC法；辐射沙脊群

南黄海辐射沙脊群海域规模庞大﹑水沙动力环境复杂，在现有技术条件下，难以实现实时更新实地海洋流场调查数据。现有的实测资料已无法满足对辐射沙脊群进行科学研究﹑工程建设和环境保护的需求，严重制约了江苏沿海开发的进度[1]。因此，利用遥感分析法，并结合数学建模方法获取辐射沙脊群海表流场信息，对科学研究及沿海开发至关重要。关于南黄海海表流场的变化，曾有多种不同的观点。Yanagi T[2-3]等根据其诊断模型的结果认为，冬季南黄海流场存在一个上下方向一致的顺时针环流。Takahashi S[4]等采用一个风作用下的简化地形模型进行研究，结果表明在冬季风作用下将在黄海西侧产生逆时针环流，在东侧产生顺时针环流，两个环流结构都以陆架波的形式传播，顺时针环流将在南黄海占据主导地位。Lee S H[5]等对南黄海表层潮流场进行了模拟，得到辐射沙脊群表层潮流向北的结论。LIU G[6]等对南黄海M2分潮进行了研究，得出苏北沿岸夏季潮余流为东北向的结论。

高分海洋遥感技术是近年来新兴的探测技术。韩国的第一颗地球静止轨道海洋水色卫星GOCI具有高时间分辨率﹑全天候﹑大范围的连续观测能力，其在南黄海水动力环境﹑海表流场监测中具有其他传统传感器无法比拟的优势。本文基于2014年1月GOCI卫星遥感数据和同步海域潮汐资料，运用数学模型计算并分析了南黄海辐射沙脊群表层流场的特征。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

南黄海是东中国海的重要组成部分，南连东海宽阔海域，为太平洋海表潮波入口；北接北黄海和渤海，为口袋型海湾[7]。黄海北﹑南连接成“吕”字形海湾，平均水深为44 m，总面积为4.2×105km2。辐射沙脊群海域是南黄海的一部分，分布于苏北海岸带外侧﹑黄海南部陆架海域，范围从射阳港一带以南到长江口一带以北的蒿枝港：南北范围介于32°00'N～33°48'N之间，长度为199.6 km；东西范围介于120°40'E～122°10'E之间，宽度为140 km[8]。

1.2 遥感数据

辐射沙脊群海表流场分析的遥感数据选用2014年1月韩国GOCI卫星遥感数据，以实时高时间分辨率遥感影像为主[9]。遥感数据质量较好，影像色调充实，云量较少，空间信息非常清晰。GOCI影像是由COMS传感器获取，其轨道为地球静止同步轨道，运行周期为23 h 56 min 4 s。GOCI具有高时间分辨率，时间分辨率为1 h，地面像元分辨率为500 m。

遥感影像数据预处理，主要包括几何配准﹑图像增强等，用以提高遥感影像质量，减少误差因素对数据的影响。

1.3 实测潮汐数据

辐射沙脊群潮汐数据选用两组江苏沿海环境监测站洋口港实测潮汐数据：一组为2014年1月1日潮高值，另一组为2014年1月2日潮高值，数据采样间隔为1 h，与遥感影像时间分辨率相吻合，数据质量已得到验证（见表1）。

表1 辐射沙脊群洋口港实测潮汐数据

2 研究方法与结果

2.1 流场示踪水团追踪方法

本文通过最大交叉相关系数（MCC）法建立模型，在高时间分辨率遥感影像中追踪辐射沙脊群海表流场水团位移的情况[10]。MCC法[11]，即选取10 像素×10 像素的示踪水团，在40像素×40像素的目标影像模块中，进行逐一搜索匹配，并计算MCC值。设MCC系数R(m,n)为：

式中，f (i, j)为示踪水团模块的DN值；(i, j)为示踪水团模块的行列号；(m,n)为行列变量位移变化。

本文对示踪水团的追踪，主要是对辐射沙脊群海域悬浮泥沙水团移动变化情况的跟踪，即按照模板窗口大小将大面积示踪水团逐一细化，并在搜索窗口中对照追踪定位的过程。本文所选用的template-window模块的像素大小为10×10，search-window模块的像素大小为40×40，即在search-window中通过MCC系数寻找到相关性最高且具有相同模板尺寸的templatewindow，如图1所示。基于上述理论，对研究区海洋表面流场水团进行逐一追踪，以获得研究区域完整的海洋表面流场瞬时流向情况。

图1 MCC法定位海流位移示例（9:00～11:00）

通过MCC法遥感追踪示踪水团的优势在于，可精确地从微观上定位水团下一时刻的具体流向情况；在计算海流场流速时，因MCC法能更好地考虑微观水团的位移变化，消除误差，所以其对移动水团的计算误差相对较小。

2.2 海表流场分析结果

辐射沙脊群海表流场反演分析分别选取2014年1月1日上午及下午两个研究时间段，处理范围为121°E～122°E，32°N～33°N，以该时刻示踪水团在下一相邻序列遥感中得到的最大相关示踪水团的追踪方向为流场流向。图2﹑3 分别为未作任何条件约束情况下上午时和下午时MCC相关系数流场反演结果，用以反映冬季表层流场情况。由图2可知，辐射沙脊群琼港-洋口港一带，近岸上午时流场变化明显，呈显著落潮趋势，海流自沿岸滩涂带流向外海，且远岸上午时海表流场的涡旋趋势较清晰。由图3可知，洋口港一带，近岸下午时流场变化呈涨潮趋势，海流自外海流向沿岸辐射沙脊群滩涂带；远岸下午时海表流场的涡旋变化呈顺时针趋势，比上午时流场流向更加明显。由冬季南黄海辐射沙脊群海表流场可以看出，近岸潮汐上午时和下午时分别成落潮和涨潮趋势，反演结果较清晰，远岸海流呈涡旋趋势，与实测潮汐规律基本吻合。

图2 辐射沙脊群上午时海表流场图

图3 辐射沙脊群下午时海表流场图

3 研究结果分析

3.1 对比分析表层流场

本文选取辐射沙脊群海域上午时和下午时海表流场反演结果，对比分析当MCC系数临界值为0.6和0.8时，表层流场的海流流向情况。

从图4可以看出，对于上午时流场，当Rmcc>0.6时（图 4a），近岸海表流场中不合理的瞬时海流流向基本被消除，而远岸海表流场海流整合筛选情况较少，部分不合理海流分布并未消除；当Rmcc>0.8时（图4b），远岸海表流场中不合理的瞬时海流流向亦被完全筛去，同时获得了近海和远岸完整合理的海表流场。对于下午时流场，当Rmcc>0.6时（图4c），近岸海表流场呈清晰落潮趋势，不合理流场影响较小，而远岸海表流场海流呈顺时针趋势，不合理海流分布未得到较好的整合筛选；当Rmcc>0.8时（图4d），远岸海表流场海流流向清晰，基本已去除不合理流场干扰，获得较为准确的海表流场分析结果。

图4 海表流场系数控制结果图

3.2 漂流的分布

辐射沙脊群长时间连续海表流场情况可通过在该海域放置漂流浮标进行探究，图5为2013年12月14 日～2014年1月10日的辐射沙脊群漂流实验，记录了漂流浮标经过竹根沙﹑苦水洋﹑黄沙洋﹑蒋家沙﹑太阳沙﹑烂沙洋﹑草米树洋的连续漂流轨迹，并结合期间GOCI影像，对比分析了实验区模拟情况。漂流轨迹表明，辐射沙脊群海表流场漂流特征为自北向南全局性漂移，与辐射沙脊群受苏北沿岸海流影响的预知条件吻合。其中，海表流场南部烂沙洋为典型旋转流，流速最强；北部草米树洋为往复流，流速较小。此外，辐射沙脊群海域海表流场远岸烂沙洋一带为典型旋转流，亦与流场遥感分析结果吻合。因此，南黄海辐射沙脊群漂流浮标实测数据清楚地反映了该时段流场变化的特点，可从宏观上验证辐射沙脊群海表流场的遥感分析结果。

图5 研究区漂流轨迹

4 结 语

通过研究，本文得到以下结论：①将遥感技术与MCC法相结合对海表流场进行模拟与分析是切实可行的。本文综合运用遥感技术﹑MCC法，得出南黄海辐射沙脊群海表流场的瞬时运动趋势；并通过海流场漂流浮标实测数据﹑潮汐实测数据验证了辐射沙脊群海流场瞬时运动情况的准确性。②通过遥感分析可知，冬季辐射沙脊群琼港-洋口港一带，近岸海流场变化明显，上午时呈显著落潮趋势，海流自沿岸滩涂带流向外海，下午时呈涨潮趋势，海流沿滩涂带流出；与此同时，远岸瞬时流场的涡旋及流场瞬时方向变化亦较清晰，呈顺时针趋势。

[1] 江苏省908专项办公室.江苏金海海洋综合调查与评价总报告[R].北京:科学出版社,2012:337

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[3] Yanagi T, Takahashi S. Seasonal Variation of Circulations in the East China Sea and the Yellow Sea[J]. Journal of Oceanography,1993,49(5):503-520

[4] Takahashi S, Isoda Y, Yanagi T. A Numerical Study on the Formation and Variation of a Clockwisecirculation During Winter in the Yellow Sea[J]. Journal of Oceanography,1995,51(1):83-98

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[7] 张长宽.江苏省近海海洋环境资源基本现状[M].北京:海洋出版社,2013:333-340

[8] 王颖.黄海陆架辐射沙脊群[M].北京:中国环境科学出版社,2002:119-228

[9] WANG M, Ahn J H, JIANG L, et al. Ocean Color Products from the Korean Geostationary Ocean Color Imager (GOCI)[J]. Optics Express,2013,21(3):3 835

[10] 项二玲.关于水环境监测实验质量分析[J].环境与生活, 2014(14):70

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P237

B

1672-4623（2017）09-0037-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.013

2016-12-16。

项目来源：国家海洋公益性行业科研专项资助项目（201005006-3）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）资助项目（BK2012414）。

金宇豪，博士研究生，主要研究方向为地图学与地理信息系统。