基于多源遥感的岸线及绿潮监测

作     者：徐书文 

作者单位：上海海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于潭

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0816[工学-测绘科学与技术] 0713[理学-生态学] 

主      题：多源遥感 海岸线 绿潮 实时监测 生长曲线 预测 

摘      要：海洋是当今全球最为重要的资源,贯彻落实加快推进海洋强国建设是我国新时代背景下的使命任务,但是发展海洋经济所带来的一系列海洋生态环境问题同样不容忽视,比如海洋资源的过度开发、海洋生态灾害的频发及海洋生态系统的破坏。促进海洋经济的可持续、稳健发展,必须在开发利用与保护之间找到合适的平衡点。如何动态、快速、准确地对海洋生态环境进行实时监测是保护海洋的关键,而遥感技术正是环境保护最重要的、也是最快速的监测手段之一。本文主要选取了海岸线和黄海绿潮这两种极具生态意义且对我国沿海经济、生态环境影响颇深的监测要素作为研究目标,针对其多源遥感提取方法进行改进与调整。海岸线资源通常是珍贵而稀缺的,对任何国家都具有重大优势。因此,对海岸线进行持续的时空监测对环境保护至关重要。本文从Landsat 8 OLI＿TIRS、MODIS、HY-1C和GF-3 SAR等多源卫星遥感图像中提取海岸线,提出了一种基于局部阈值法的针对不同海岸线类型的半自动海岸线提取方法,该方法适用于大部分光学和微波遥感影像,普适性良好。本文使用均方根误差(Root mean squared error,RMSE)、标准差(Standard error,STD)以及1像素内精度(Accuracy within 1 pixel)三个指标对该算法进行精度评估。从精度评估的结果来看,RMSE和STD的误差结果均在1-2个像素内,且GF-3 SARHY-1CMODISGF-3 SAR。不同遥感数据对人工、砂质和淤泥质海岸线的提取效果都与其空间分辨率正相关,但高分辨率也使得GF-3 SAR精度难以保持在1像素以内。不同海岸线类型的对比结果来看,淤泥质海岸线的提取结果远弱于人工海岸线和砂质海岸线。GF-3SAR对淤泥质海岸线的成像效果影响要明显弱于其他遥感数据,几乎不能呈现出淤泥质浅滩,只能体现出内陆的堤坝等人工岸线。HY-1C的提取效果与潮汐关系更密切,但其对淤泥质海岸线的成像效果在本文使用的所有遥感数据中是最好的。此外,光学遥感影像由于云层干扰导致一些海岸线信息可能会被遮挡,而微波遥感不受云、雨、雾等天气的影响,因此本文融合了HY-1C与GF-3 SAR遥感影像,结果表明,光学遥感与微波遥感的融合行之有效,获取的补充数据可以在有云时更好地监测海岸线。绿潮连续多年在黄海大规模暴发,已成为黄海海域主要海洋生态灾害之一,采用遥感技术监测绿潮能够有效推动绿潮防控工作,因此,本文提出了一种基于归一化植被指数(NDVI)的半自动绿潮提取方法,对基于NDVI直方图统计的阈值提取方法进行了自动化改善。本文首先基于多源遥感卫片提取了2008-2022年间的黄海绿潮,使用的遥感数据源有:GF-1、Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI＿TIRS、HJ-1A/B、HY-1C和MODIS。对比不同遥感影像,高分辨率的遥感影像在绿潮零星分布的细节呈现方面明显优于低分辨率。本文使用精确率(Precision)、召回率(Recall)以及综合评价指标(F1-score)对绿潮的提取方法进行精度评估,各数据源的精确率较为接近,但高分辨率要优于低分辨率的遥感影像;召回率:GF-1LandsatHJ-1HY-1CMODIS;F1-score的结果为GF-1LandsatHJ-1HY-1CMODIS。综上,使用本文方法从多源遥感影像提取绿潮的效果与分辨率高度正相关,且该绿潮提取方法普适性较好,能够适用于大部分的遥感数据源。由于NDVI值通常会受水域环境的影响,因此本文将黄海水域分为三个区域(水深≤-35m的A区、水深-35m的B区和浑水区C区),对不同环境下的绿潮提取效果进行了进一步的精度评估。不同水深下的召回率变化不大,但明显高于浑水区域(C区)和薄云覆盖的区域(C3区)。精确率在不同环境下的差异不大,最高可达99.0%。除被薄云覆盖的数据外,F1-score均在90%以上。总体来说,本文的提取方法能够适应遥感影像不同环境下的绿潮提取。本文基于多源高分辨率遥感影像追溯了黄海绿潮源地,将溯源时间提前到了5月初,其中HY-1C可将溯源时间提前至4月初。利用k均值聚类分析可将绿潮源地的中心位置分为两类:江苏沿岸的苏北浅滩和黄海的东南部。本文为对黄海绿潮进行有效的实时监测与预测,选用Gompertz和Logistic生长曲线模型拟合了绿潮的累积覆盖面积与时间(天)的关系,并得到了初始、消亡百分位点与生长曲线一阶导数的峰度系数的拟合关系式,以此对绿潮进行每年生长趋势、规模与持续时间的预测。考虑到环境因素以及本研究所提取的遥感影像数量等多方面因素,都会对生长曲线的模拟结果产生一定影响,因此在拟合时加入了不确定性估计(±,是剩余标准差)。本文预测了2022年黄海绿潮的生长曲线,并得出初始、消亡的日期分别为6月1日和8月15日,持续时间预计为73天,累积覆盖面积预计约为1190.90-1191.2km,为近年黄海绿潮灾害中爆发时长较短且累积覆盖面积较小的年份。