赤潮卫星遥感监测与应用研究进展

赤潮监测是海洋遥感应用的一个重要组成部分。近30 a来,国内外学者发展了许多基于卫星平台的赤潮遥感监测算法。通过回顾赤潮卫星遥感监测的发展历史,总结了各种传感器的赤潮卫星遥感监测算法,分析了各种算法的性能与适用范围。最后,对目前赤潮卫星遥感监测面临的问题进行了讨论,并对未来赤潮遥感监测的发展提出展望。     

RTDNet：面向高分辨率卫星影像的赤潮探测网络

目的 赤潮是一种常见的海洋生态灾害,严重威胁海洋生态系统安全。及时准确获取赤潮的发生和分布信息可以为赤潮的预警和防治提供有力支撑。然而,受混合像元和水环境要素影响,赤潮分布精细探测仍是挑战。针对赤潮边缘探测的难点,结合赤潮边缘高频特征学习与位置语义,提出了一种计算量小、精度高的网络模型RTD-Net （red tide detection network）。方法 针对赤潮边缘探测不准确的问题,设计了基于RIR （residual-in-residual）结构的网络,以提取赤潮边缘水体的高频特征;利用多感受野结构和坐标注意力机制捕获赤潮水体的位置语义信息,增强赤潮边缘水体的细节信息并抑制无用的特征。结果 在GF1-WFV （Gaofen1 wide field of view）赤潮数据集上的实验结果表明,所提出的RTDNet模型赤潮探测效果不仅优于支持向量机（support vector machine,SVM）、U-Net、Deep-Labv3+及HRNet （high-resolution network）等通用机器学习和深度学习模型,而且也优于赤潮指数法GF1_RI （Gaofen1 red tide index ）以及赤潮探测专用深度学习模型RDU-Net （red tide detection U-Net）,赤潮误提取、漏提取现象明显减少,F1分数在两幅测试图像上分别达到了0.905和0.898,相较于性能第2的模型DeepLabv3+提升了2%以上。而且,所提出的模型参数量小,仅有2.65 MB,约为DeepLabv3+的13%。结论 面向赤潮探测提出一种基于RIR结构的赤潮深度学习探测模型,通过融合多感受野结构和注意力机制提升了赤潮边缘探测的精度和稳定性,同时有效降低了计算量。本文方法展现了较好的应用效果,可适用于不同高分辨率卫星影像的赤潮探测。     

时间序列MODIS数据赤潮信息提取研究

MODIS数据在赤潮遥感监测中发挥着重要作用,其较高的光谱分辨率和时间分辨率在赤潮监测中有较大优势。本文利用2008年5月份多个时相MODIS数据对东海赤潮进行了研究,分别采用叶绿素浓度固定阈值法、月平均值差值法和海温及多光谱综合法对水体异常信息进行提取分析。通过对提取图像及其统计数据比较分析发现,固定阈值法所提取的信息会随阈值设置不同而变化,海温及多光谱综合法在有赤潮发生时提取信息与其他方法较一致,在未发生赤潮时则会发生多提误判。叶绿素浓度月平均值差值法所提取的时间序列赤潮信息则最客观地反映了赤潮变化趋势,能够很好地用于东海赤潮遥感监测。     

基于EM-MLC的高光谱图像方法识别海洋赤潮的研究

提出了一种综合利用小波变换高低通滤波数据的海洋赤潮识别方法.基于低通滤波数据,利用基于有限混合密度理论期望最大(EM)算法作为最大似然分类(MLC)参数估计的方法(EM-MLC)来进行赤潮、非赤潮和过渡水体的分类识别,并可进一步识别出不同优势种藻类引发的赤潮区域;利用高通滤波数据,可以分析赤潮爆发中非优势种藻类的信息,这就为引发赤潮的藻类种类的判断奠定了基础.通过实验验证了本方法可以有效地进行赤潮识别.同时,根据检测出的过渡水体区域信息,可以进行赤潮爆发前的预测.     

EOS/MODIS 遥感资料探测海洋赤潮信息方法

近几年来, 我国沿海赤潮的发生越来越频繁, 已经成为一种常见海洋灾害。它的发生给沿海经济、居民生活和生态系统造成了很大影响。通过分析赤潮水体及其周边水体的光谱特性, 以及赤潮发生期间海水叶绿素a 浓度的变化特点, 提出了利用EOS/ MODIS 通道4 与通道3 的反射率比和通道11 与通道9 的离水辐射率比再结合相关的悬浮泥沙信息提取海水中赤潮信息的方法。利用此方法, 对2002 年6 月15 日和2004 年5 月31 日发生在我国渤海的赤潮进行了信息提取。结果表明此方法可以有效地提取海水中的赤潮信息。     

基于复杂网络的遥感图像检测研究

本文提出一种新的利用复杂网络理论处理遥感图像的方法 ,对遥感图像进行复杂网络建模,然后对复杂网络模型划分社团,本文所采用的是Newman的针对大规模网络的基于模块度的CNM算法,然后提出了两种确定阈值的方法:(1)反复测算法,(2)抽样计算法;在反复测算法中提出了两个衡量社团划分好坏的指标:(1)覆盖率,(2)精确度,以此作为确定阈值的指标,最后得出了一种可以再遥感图像中利用复杂网络的方法,检测出图像中有用信息的可行方法。     

赤潮及其对海水养殖对象的影响

赤潮是一种对海洋和渔业有害的异常生态现象,本介绍了形成赤潮的主要生物种类,产生赤潮的原因,赤源对水生生物和养殖对象的危害以及赤潮的防治措施。     

长江口及毗邻海域水质和生态动力学模型与应用研究

长江口及毗邻海域氮磷严重超标导致该海域赤潮频发,已严重影响到该海域的渔业资源.为系统地实施海域污染控制和生态保护措施,科学制定污染控制方案和评估行动计划实施效果,开展海域水质和生态动力学模型研究是十分必要的.在长江口及毗邻海域流场、盐度场、温度场和泥沙场模型的基础上建立了二维水质模型,主要模拟指标为高锰酸盐指数、氨氮、无机氮、无机磷,通过2005年夏季和秋季实测水质资料进行了模型的验证和率定,确定了污染物的综合降解参数.利用二维水质模型进行设计水文条件下33个概化排污口控制污染物的水质响应系数场的模拟计算,为海域容量计算和总量分配奠定了基础.建立了长江口及毗邻海域三维生态动力学模型,利用三维生态模型对应用水质模型计算得出的总量控制方案进行了校验模拟.结果表明:实施全海区功能达标控制方案后,原赤潮易发区叶绿素浓度值显著降低,叶绿素高浓度区域面积基本消失,中高浓度区域的面积也由现状方案约1万km2减少了90%.     

一种改进的FCM聚类算法及其在赤潮预测中的应用

针对传统FCM算法的不足，文中提出了一种改进的FCM算法，利用样本与聚类中心相似关系确定各样本对聚类中心的影响系数并对欧氏距离进行加权，使得聚类过程更加迅速，聚类结果更加稳定精确.最后的数据仿真结果也证明本文所作的改进是行之有效的.将改进的算法应用到赤潮预测预警中，直观地反映了海洋要素样本的分布情况，为赤潮预测预警展示了一种新方法.