基于GF-4 卫星遥感数据的赤潮信息识别方法——以秦皇岛海域为例*

宋 彦 ，王 宁 ，丁 一 ，辛 蕾 ，孙 青 ，姜 涛

（1.国家海洋局北海预报中心，山东 青岛 266061；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266061；3.91033 部队，山东 青岛 266061）

赤潮是由海水中的某些浮游植物、原生动物或细菌在一定环境条件下，短时间内暴发性增殖或聚集而引起的一种水体变色的生态异常现象，主要分为有害赤潮和无害赤潮两大类。近年来，随着我国近岸海水富营养化愈加严重，有毒赤潮频繁发生且规模不断扩大，严重破坏海洋生态环境，影响海洋捕捞业、海水养殖业等海洋经济产业，甚至威胁人类的身体健康和生命安全[1]。因此，加强赤潮研究和防治显得尤为迫切。而赤潮监测对研究赤潮形成原因、研判赤潮过程的环境特征以及做好赤潮灾害预警预测都十分关键。

赤潮监测的方法主要有现场监测和卫星遥感监测两种。传统的现场监测主要依靠船舶监测或航空监测，需要监测人员乘船到赤潮海域进行水质监测、生物采样分析等现场测量，或通过航空拍摄方式监测赤潮海域，这些方法监测精确度相对较高，但监测耗时长、人力物力成本高、覆盖点位有限、难以获取赤潮总体面积，很难适应赤潮暴发快、变化快、周期短的特点。相比之下，卫星遥感监测利用赤潮水体的光学特性，通过卫星遥感影像识别赤潮水体、提取赤潮信息，确定赤潮面积和覆盖范围。卫星遥感监测具有空间覆盖范围广、时间重访率高、成本相对较低等优点，并且受时间、海况、天气状况等因素的限制比现场监测方式小得多，可以更好地监测赤潮的动态变化，成为赤潮监测的重要手段[2-3]。

国内外大量学者做过基于遥感手段的赤潮监测方法研究。1974 年，Strong 利用陆地卫星Landsat 的MSS传感器第6 波段单波段数据进行了湖泊赤潮的探测[4]。1983 年，Holligan 等基于赤潮水体和非赤潮水体的光谱特征，提出了利用CZCS 遥感数据第1 波段和第3波段的遥感反射率建立双波段比值模型探测赤潮的方法，提取效果较为理想，为后来学者研究利用其他水色传感器建立多波段差值比值法奠定了基础[5]。1993 年，胡德永基于陆地卫星Landsat 的TM 传感器数据分析了赤潮水体与清洁水体、浑浊水体的光谱特性，发现三类水体在第3 波段和第4 波段存在反射率差异[6]。1994年，Gower 为解决在高亮度水体中双波段比值法过饱和的问题，提出了基于AVHRR 遥感数据的双波段差值比值法[7]。2002 年，Koponen 等人利用 MODIS 卫星250m 分辨率数据和1000m 分辨率数据进行多波段假彩色合成，研究提取了波罗的海的赤潮信息[8]。2003年，Stumpf 等提出利用SeaWiFS 传感器数据反演的叶绿素a 浓度异常值与平均值之差监测叶绿素a 浓度异常现象，减少叶绿素a 浓度反演误差，并将该方法成功用于墨西哥湾K. brevis 藻赤潮识别[9]。同年，Huang 等基于赤潮水体温度变化的特征建立了人工神经网络法，利用NOAA/AVHRR 遥感数据识别了我国渤海夜光藻赤潮水体信息[10]。2004 年，Kahru 等人利用MODIS数据第1、4、3 波段合成的真彩色影像，对秘鲁Paracas湾进行了监测，通过第1、2 波段的反射率差值识别赤潮信息强度[11]。同年，Tang 等利用卫星遥感数据反演叶绿素浓度、海表温度和风场数据，综合了海岸带等深线信息及现场观察，提出建立赤潮深层机制的建议[12]。2006 年，王其茂等利用赤潮水体的光谱特性及赤潮发生时水体中叶绿素a 浓度的变化特征，综合水体悬浮泥沙信息，提出了利用MODIS 遥感数据第3、4、9、11波段提取赤潮信息的反演方法[13]。2010 年，赵文化等利用MERSI 遥感数据叶绿素浓度与荧光指数双阈值方法有效监测了我国东海赤潮[14]。2007 年，李继龙等使用MODIS 真彩色影像构建多波段差值比值，通过海表温度和叶绿素a 浓度等参数选取阈值，对长江口及邻近海域的赤潮进行反演提取[15]。2011 年，Son 等利用MODIS遥感数据光谱信息提出了光谱分类方法，并将其应用在五次不同的赤潮事件中[16]。2012 年，孙丽雅等基于MODIS 遥感数据分析水体叶绿素浓度信息，提取东海赤潮信息，发现使用叶绿素浓度的月平均差值法能有效提取水体异常信息，比起阈值法更能反映出赤潮发展趋势[17]。2017 年，张贺和郑小慎利用MODIS 遥感数据和GOCI 遥感数据研究基于叶绿素a 浓度的赤潮反演方法，通过实测数据建立针对渤海海域的反演模型，较好地提取了2014 年渤海赤潮[18]。2017 年，江彬彬等利用GOCI 遥感数据的归一化离水辐射率参数通过阈值法对赤潮进行判别，有效地监测了我国东海不同时间不同地点的三次赤潮[19]。2020 年，姜德娟等利用MODIS 数据采用叶绿素异常法、赤潮指数法、波段比值法、红波段差值法和Karenia brevis 指数法五种方法提取渤海赤潮信息，发现渤海的不同海域对算法的适应性有所差异[20]。由于这些卫星数据难以同时兼顾空间分辨率、时间分辨率及时效性，并且赤潮提取算法的迁移性较差，这些方法在我国赤潮灾害业务化监测工作中的应用有所局限。

我国的GF-4 卫星运行在地球同步轨道，搭载了一台可见光50m 分辨率、中波红外400m 分辨率、大于400km 幅宽的凝视相机，具备可见光、多光谱和红外成像能力。GF-4 卫星相比MODIS、MERIS 等卫星具有分辨率高、重访周期短、幅宽大、响应快速、机动灵活等优势[21-22]，相比 Landsat、GOCI 等卫星时效性、灵活性更高，更适用于赤潮信息提取，但目前基于GF-4 卫星的研究还比较少。此外，秦皇岛附近海域赤潮监测是我国渤海生态环境监测任务的重要内容。随着秦皇岛附近海域的环境治理力度逐年加大，赤潮频率降低、面积减小，需要使用更高分辨率的卫星数据进行监测，而目前尚未见在该海域应用GF-4 卫星遥感数据识别赤潮水体、提取赤潮信息的有效算法。因此，本文采用GF-4卫星遥感数据作为数据源，研究适用于秦皇岛附近海域赤潮信息提取的方法，以期为该海域赤潮遥感监测提供参考。

1 研究区域与数据预处理

1.1 研究区域

本文选取秦皇岛附近海域为研究区域（经度范围119°10′0"E-120°0′0"E，纬度范围 39°20′0"N-40°0′0"N），位置示意图如图1 所示。秦皇岛附近海域是渤海赤潮高发海域，秦皇岛附近海域赤潮监测是渤海生态环境监测任务的重要内容。根据《秦皇岛市海洋环境公报》和《中国海洋灾害公报》数据统计，2005 年至2020年该海域发现赤潮至少50 起，累计发现赤潮面积超过13980km2，给海洋经济造成了严重影响[23-25]。

图1 秦皇岛附近海域位置示意图

1.2 GF-4 卫星数据介绍

高分四号（GF-4）卫星于 2015 年 12 月 29 日成功发射，是我国第一颗地球同步轨道遥感卫星，具有分辨率高、重访周期短、幅宽大、响应快速、机动灵活等优势，能够克服卫星图像分辨率低和卫星观测时间间隔长、覆盖范围小等缺陷，为我国海洋灾害监测提供快速、可靠、稳定的光学遥感数据保障。

GF-4 卫星可见光近红外通道包含5 个波段，中波红外通道包含1 个波段。各波段宽度、空间分辨率、幅宽等特征信息如表1 所示。

表1 GF-4 卫星有效载荷技术指标

1.3 数据预处理

GF-4 卫星数据处理主要包括辐射定标、大气校正、几何校正、图像裁切、陆地掩膜以及图像增强等。

使用以下公式对GF-4 卫星数据进行辐射定标：Le＝Gain×DN＋Bias。其中，Le 为卫星载荷通道入瞳处等效辐射亮度，DN 为卫星载荷观测值，Gain 和Bias 分别为定标系数增益、偏移量。Gain 和Bias 的值从中国资源卫星应用中心网站直接获取，通过运算将传感器记录的原始无量纲DN 值转换为图像辐射亮度。

利用ENVI 软件中的FLAASH 大气校正模块对GF-4 影像进行大气校正。输入处理后的辐射定标数据，设置参数，获得地表反射率数据。利用ENVI 软件的正射校正流程化工具对GF-4 卫星数据进行正射校正。正射校正结束后对图像做自动配准，控制均方根误差（RMSE）小于1 个像元，以保证几何校正的精度[26]。

为提高影像处理效率，对GF-4 卫星影像进行裁切，去除研究区域之外的影像。对裁切后的影像进行陆地掩膜处理，排除陆地干扰，便于识别海水与赤潮信息。图像增强可以加强影像上的感兴趣特征，突出赤潮水体与非赤潮水体的对比信息，提高信息分类精度。

2 赤潮信息提取原理与方法

基于卫星遥感数据提取赤潮信息，主要原理是赤潮生物引起海水水质变化，导致赤潮发生区域的水体光谱特性与其他水体光谱特性不同，这一特点在遥感上表现为水体的遥感反射率发生不同程度的增强或减弱。

2.1 赤潮水体光谱特性

赤潮水体和非赤潮水体的光谱特性曲线有明显差异[27]。通过观察不同水体的光谱特性，可以明显地区分赤潮水体和非赤潮水体。整体来讲，赤潮水体的光谱特性主要表现在可见光波段和近红外波段。从遥感反射率看，赤潮水体的反射率较低，非赤潮水体的反射率较高；从反射峰、吸收峰看，赤潮水体在440-460nm 的蓝光波段和650-670nm 的红光波段处形成吸收峰，在560-580nm 的绿光波段和690-710nm 的红光波段处形成反射峰，而非赤潮水体则没有这一特征。大量水体实验表明，赤潮水体中生物密集、叶绿素含量高，对黄光吸收多，对绿光反射强，导致了这一光谱特征。

2.2 GF-4 卫星波段特征及对赤潮信息的敏感度

结合赤潮水体和非赤潮水体的光谱特性，针对GF-4 卫星的波段设置，获得如图2 所示的光谱特性曲线。不难看出，两类水体在GF-4 卫星的不同波段反映的信息有所局限，但仍然能够明显区分相互间的差异。

图2 基于GF-4 卫星波段设置的赤潮水体和非赤潮水体光谱特性

2.3 赤潮信息提取方法

通过分析基于GF-4 卫星的赤潮水体光谱特性发现，赤潮水体与非赤潮水体在第2、3、5 波段的遥感反射率特征差异较大，换言之，这三个波段对赤潮信息的敏感度更高、使用价值更大，可以作为赤潮信息提取的重要指标。根据赤潮水体的光谱特性和GF-4 卫星的波段设置特点，提出三种基于GF-4 卫星的赤潮信息提取方法。

2.3.1 双波段比值法

相比非赤潮水体，赤潮水体具有更为明显的吸收峰和反射峰，而非赤潮水体在相应波段变化比较小。王其茂等曾利用这一特点，基于MODIS 卫星数据发展了的阈值提取方法（R3 为 459-479nm 的可见光蓝光波段，R4 为545-565 nm 的可见光绿光波段，Cr 为常数）[13]。对比MODIS 卫星数据和GF-4 卫星数据的波段设置差异，针对性尝试的双波段比值赤潮提取方法。其中，R2、R3 分别是GF-4 卫星第2 波段和第3 波段的遥感反射率，分别含有赤潮水体的反射信息和赤潮水体的吸收信息；Cr 是常数，其大小与研究区域的水体特性以及赤潮藻种有关，基于经验确定。

2.3.2 双波段差值法

比较赤潮水体与非赤潮水体的光谱特征，在蓝光、绿光波段，非赤潮水体的遥感反射率远高于赤潮水体。随着频谱波长的增加，非赤潮水体遥感反射率下降幅度相比赤潮水体更大。在近红外波段，赤潮水体与非赤潮水体的遥感反射率已经相差不大。依据赤潮水体与非赤潮水体的这一光谱特性，选取GF-4 卫星数据的第3 波段和第5 波段，采取R3-R5

2.3.3 多波段差值比值法

根据对赤潮水体光谱特性的分析，GF-4 卫星的第2、3、5 波段对赤潮信息的敏感度较高。之前两种方法都仅使用了两个波段，对波段信息的应用存在一定的局限性。为提高赤潮识别精度，考虑将三个波段信息均引入计算公式，提出的多波段差值比值赤潮提取方法，其中Cr 是常数，其大小与研究区域的水体特性以及赤潮藻种有关，基于经验确定。

3 结果

根据《2017 年秦皇岛市海洋环境公报》记载[23]，2017年8 月9 日至8 月26 日，秦皇岛戴河口至金梦海湾附近海域发生赤潮灾害，最大影响面积为50km2。8 月15日，秦皇岛附近海域天气状况良好，几乎无云雾遮盖海面，故使用8 月 15 日GF-4 卫星数据（GF4_PMS_E11 9.1_N39.1_20170815_L1A0000171696）进行应用验证。

3.1 双波段比值法

结合目视判读，分析双波段比值法计算得到的影像数据，发现发生赤潮海域的像元值大于周围正常海域的像元值，多次实验取Cr 值为0.85，提取的赤潮面积为68km2，提取结果如图3 所示。

图3 基于双波段比值法的提取结果

3.2 双波段差值法

结合目视判读，分析双波段差值法计算得到的影像数据，多次实验取Cr 值为0.1，提取的赤潮面积为43km2，提取结果如图 4 所示。

图4 基于双波段差值法的提取结果

3.3 多波段差值比值法

结合目视判读，分析多波段差值比值法计算得到的影像数据，多次实验取Cr 值为1.65，提取的赤潮面积为61km2，提取结果如图5 所示。

图5 基于多波段差值比值法的提取结果

3.4 真彩色目视判读

为了更好地比较三种方法的有效性，本文对8 月15 日GF-4 卫星数据的真彩色影像进行图像增强处理，结合人工经验目视判读，提取赤潮水体面积37km2，提取的赤潮范围如图6 所示。

图6 真彩色影像赤潮提取结果

4 讨论

比较分析提取的赤潮信息位置可以看到，双波段比值法、双波段差值法和多波段差值比值法提取的赤潮范围和目视判读的提取范围都有所重合，并且将大部分赤潮信息提取出来，其中双波段差值法吻合度最高，多波段差值比值法次之，双波段比值法吻合度最低。

比较分析提取的赤潮信息面积，双波段差值法误差最小，双波段比值法误差最大，多波段差值比值法误差介于二者之间。根据《秦皇岛市海洋环境公报》的记录，本次赤潮过程的最大影响面积为50km2，而目视判读和双波段差值法的提取面积都小于50km2，可能是因为本次赤潮过程并不是在8 月15 日达到最大影响范围；多波段差值比值法和双波段比值法的提取面积较大，可能是因为存在一定的误判，例如将沿岸海域非赤潮区域误判为赤潮区域。

本文提出的方法还有待改进。一方面，对于Cr 值的选取更多依赖专家经验，可以尝试积累数据使用机器学习算法确定；另一方面，GF-4 卫星作为我国近年来发射的卫星，数据处理的精度可能存在一定偏差，对赤潮信息提取结果有一定影响。GF-4 卫星数据能够为秦皇岛附近海域赤潮卫星遥感监测提供有效的数据支持，未来可以考虑从提高GF-4 卫星数据处理能力、改进赤潮识别提取算法等方面入手做更深的研究。

5 结论

本文通过分析赤潮水体和非赤潮水体的光谱特性差异，综合考虑GF-4 卫星波段特征，分析提出了基于GF-4 卫星数据第2、3、5 波段的三种赤潮信息提取方法。从2017 年8 月秦皇岛附近海域的应用情况来看，三种方法均可提取赤潮信息，其中，双波段差值法的实际应用效果最好，该方法的应用和进一步研究可以为秦皇岛附近海域赤潮监测提供技术支持。