赤潮災(zāi)害衛(wèi)星遙感探測(cè)技術(shù)

前言

　　赤潮或有害藻華這個(gè)全球性的海洋環(huán)境災(zāi)害，伴隨著人類工業(yè)化進(jìn)程在不斷加劇，這是人類恣意改變自然界正常元素地球化學(xué)循環(huán)的后果。近年來(lái)，隨著人類無(wú)節(jié)制的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然界產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，氣候出現(xiàn)了異常變化，這使海洋環(huán)境要素發(fā)生了改變，這些改變導(dǎo)致了赤潮災(zāi)害的種類、暴發(fā)機(jī)制、發(fā)生規(guī)模、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生時(shí)間都出現(xiàn)了戲劇性的變化，其主要表現(xiàn)在赤潮藻種由硅藻類向甲藻類轉(zhuǎn)變、由浮游植物向大型藻類轉(zhuǎn)變。2008年發(fā)生在黃海南部海域的大規(guī)模滸苔綠潮災(zāi)害，向人們展示了自然界對(duì)人類活動(dòng)響應(yīng)的威力?！　∽鳛槌喑睘?zāi)害減災(zāi)防災(zāi)的重要手段之一，衛(wèi)星遙感技術(shù)在近十年的時(shí)間里，越發(fā)顯示了其技術(shù)價(jià)值所在，對(duì)深入了解和認(rèn)識(shí)赤潮災(zāi)害暴發(fā)機(jī)制、制定災(zāi)害應(yīng)急方案、減災(zāi)防災(zāi)管理等方面都發(fā)揮了十分積極的作用，也充分顯示了技術(shù)進(jìn)步的作用。記得在1998年遙感監(jiān)測(cè)渤海赤潮時(shí)，能夠使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源十分有限，而在今天，無(wú)論是從數(shù)據(jù)的獲取時(shí)效、衛(wèi)星波段數(shù)量、可用反演參數(shù)、可得到的赤潮災(zāi)害參數(shù)都發(fā)生了巨大的變化，正是這些變化支撐了赤潮衛(wèi)星遙感探測(cè)技術(shù)水平的大幅度提高。　　本文匯集了近十年來(lái)我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)在赤潮災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研發(fā)成果。這些成果在早期國(guó)家“九五”科技攻關(guān)的支持下起步，在國(guó)家“863”技術(shù)的支持下得到了深化，在國(guó)家“908”專項(xiàng)的支持下得到了完善，在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下應(yīng)用理論得到了提高，在國(guó)家海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)計(jì)劃中赤潮監(jiān)控區(qū)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)工作的支持下得到了檢驗(yàn)和業(yè)務(wù)化應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)了在應(yīng)用基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)，并將其應(yīng)用到實(shí)際業(yè)務(wù)化工作中的成果轉(zhuǎn)化工作?！　≡谶@個(gè)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)貫徹始終的堅(jiān)持精神是這項(xiàng)成果得以面世的重要保障。本書(shū)的參編人員都是相關(guān)內(nèi)容的親歷者，在技術(shù)困難面前不低頭，在經(jīng)費(fèi)不足時(shí)不停頓，在艱苦的外業(yè)條件下能吃苦，所有成員既能高效完成自己的工作，又能密切協(xié)作，這些都是本研究團(tuán)隊(duì)寶貴的精神財(cái)富。同時(shí)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃、“863”計(jì)劃、國(guó)家海洋局科技司、“908”專項(xiàng)辦公室、國(guó)家自然基金委員會(huì)等為本團(tuán)隊(duì)提供了寶貴的資金支持，國(guó)家海洋局環(huán)境保護(hù)司。

內(nèi)容概要

　　赤潮或有害藻華這個(gè)全球性的海洋環(huán)境災(zāi)害，伴隨著人類工業(yè)化進(jìn)程在不斷加劇，這是人類恣意改變自然界正常元素地球化學(xué)循環(huán)的后果。近年來(lái)，隨著人類無(wú)節(jié)制的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然界產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，氣候出現(xiàn)了異常變化，這使海洋環(huán)境要素發(fā)生了改變，這些改變導(dǎo)致了赤潮災(zāi)害的種類、暴發(fā)機(jī)制、發(fā)生規(guī)模、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生時(shí)間都出現(xiàn)了戲劇性的變化，其主要表現(xiàn)在赤潮藻種由硅藻類向甲藻類轉(zhuǎn)變、由浮游植物向大型藻類轉(zhuǎn)變。2008年發(fā)生在黃海南部海域的大規(guī)模滸苔綠潮災(zāi)害，向人們展示了自然界對(duì)人類活動(dòng)響應(yīng)的威力。

書(shū)籍目錄

第1章 赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)緒論1.1 水色遙感基本術(shù)語(yǔ)1.2 光學(xué)理論基礎(chǔ)1.3 赤潮遙感監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)述第2章 赤潮藻種光譜響應(yīng)機(jī)理2.1 赤潮生消過(guò)程中生物光學(xué)特性的變化2.2 藍(lán)綠光波段赤潮水體的光譜響應(yīng)2.3 紅光和近紅外波段赤潮水體的光譜響應(yīng)2.4 基于吸收和熒光的光譜差異2.5 對(duì)赤潮生消過(guò)程中光譜機(jī)理的認(rèn)知第3章 富營(yíng)養(yǎng)化水體浮游藻類吸收特征3.1 近岸赤潮高發(fā)區(qū)浮游藻類吸收特征3.2 養(yǎng)殖區(qū)浮游藻類吸收特征的季節(jié)性變化規(guī)律第4章 赤潮藻類水體的熒光特性4.1 葉綠素?zé)晒?.2 葉綠素?zé)晒鈾C(jī)理4.3 葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量方法4.4 太陽(yáng)激發(fā)的葉綠素?zé)晒夥澹⊿IcF）的表征方法4.5 歸一化熒光高度法與赤潮水體葉綠素a濃度關(guān)系4.6 基線熒光峰高度與赤潮水體葉綠素濃度關(guān)系第5章 黃色物質(zhì)光學(xué)特性及其遙感反演5.1 黃色物質(zhì)的研究歷史5.2 黃色物質(zhì)的固有光學(xué)特性5.3 典型海灣黃色物質(zhì)光學(xué)特性研究5.4 黃色物質(zhì)衛(wèi)星反演模型第6章 基于AVHRR的赤潮探測(cè)方法6.1 AVHRR的特點(diǎn)6.2 AVHRR探測(cè)藻華或葉綠素a的概念模型6.3 AVHRR的大氣校正6.4 水色因子C21法6.5 歸一化差值法6.6 Rd法6.7 AVHRR赤潮探測(cè)的影響因素分析6.8 結(jié)論第7章 基于吸收的葉綠素a探測(cè)技術(shù)7.1 基本原理7.2 葉綠素a反演算法7.3 MODIS生物光學(xué)算法7.4 MODIs生物光學(xué)算法評(píng)估第8章 基于熒光的葉綠素a衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)8.1 發(fā)展史8.2 葉綠素?zé)晒庑l(wèi)星遙感原理8.3 衛(wèi)星傳感器性能參數(shù)8.4 不確定性分析8.5 衛(wèi)星算法8.6 基線熒光高度算法的敏感性分析8.7 基線熒光高度算法的現(xiàn)場(chǎng)研究8.8 不同衛(wèi)星赤潮探測(cè)精度比較8.9 影響因素8.10 葉綠素?zé)晒饬孔赢a(chǎn)量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量8.11 葉綠素?zé)晒饬孔赢a(chǎn)量的MODIs算法第9章 SST在赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用9.1 赤潮生消過(guò)程中溫度的變化9.2 SST信息提取原理9.3 基于溫度的赤潮遙感探測(cè)9.4 結(jié)論與問(wèn)題第10章 赤潮生消過(guò)程中透明度的變化及其衛(wèi)星探測(cè)10.1 SDD遙感定量原理10.2 透明度及相關(guān)參數(shù)的空間分布10.3 透明度遙感定量模型和討論10.4 赤潮生消過(guò)程中SDD的變化第11章 赤潮災(zāi)情要素的遙感探測(cè)11.1 基于葉綠素的浮游植物細(xì)胞數(shù)探測(cè)11.2 浮游植物細(xì)胞數(shù)的遙感探測(cè)模型11.3 赤潮分布區(qū)判別模型11.4 赤潮浮游植物的細(xì)胞增殖速率11.5 結(jié)論第12章 海洋赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)12.1 總體框架12.2 系統(tǒng)界面12.3 系統(tǒng)功能及流程圖第13章 赤潮管理信息系統(tǒng)13.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)13.2 軟件的安裝和啟動(dòng)13.3 軟件的使用方法第14章 赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用14.1 探測(cè)參數(shù)14.2 業(yè)務(wù)運(yùn)行平臺(tái)14.3 主要方法14.4 業(yè)務(wù)流程14.5 精度檢驗(yàn)14.6 發(fā)展展望第15章 國(guó)家赤潮業(yè)務(wù)化立體監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)想15.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)15.2 系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成15.3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象與功能15.4 系統(tǒng)建立的可行性15.5 問(wèn)題與展望參考文獻(xiàn)附錄A 不同葉綠素a測(cè)試方法轉(zhuǎn)換模型附錄B 赤潮災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率檢測(cè)方法圖集赤潮過(guò)程圖集

章節(jié)摘錄

　　赤潮發(fā)生時(shí)，赤潮生物大量聚集，使水體顏色發(fā)生明顯變化，進(jìn)而赤潮水體的光譜特征發(fā)生變化，且存在明顯差異，使得利用水色遙感監(jiān)測(cè)赤潮成為可能，并可用來(lái)區(qū)分赤潮種類。水體光譜的變化特性（包括反射、吸收與散射特性），是水色赤潮遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，是水色遙感生物一光學(xué)算法開(kāi)發(fā)的重要組成部分。本章首先介紹水色遙感的基本術(shù)語(yǔ)，并對(duì)光學(xué)理論進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，最后簡(jiǎn)要說(shuō)明赤潮遙感監(jiān)測(cè)的方法依據(jù)?！　?.1 水色遙感基本術(shù)語(yǔ)　　水色遙感是利用機(jī)載或星載傳感器探測(cè)與海洋水色有關(guān)參數(shù)的光譜信息，經(jīng)過(guò)大氣校正，根據(jù)水體生物光學(xué)特性求得水體中葉綠素濃度和懸浮物含量等海洋環(huán)境要素的一種方法?！　?.1.1 水色組分　　水色組分是指浮游藻類、非色素顆粒以及黃色物質(zhì)?！　?.1.1.1 浮游植物組分　　海洋透光表層普遍存在的微小、自由漂浮的有機(jī)質(zhì)，即浮游植物。它們通常是單細(xì)胞植物，細(xì)胞最小可低于1υm，最大則能超過(guò)200υm。其構(gòu)成了水生生物鏈的基礎(chǔ)，同時(shí)也是全球碳循環(huán)的重要組成部分。目前已知數(shù)以千計(jì)大小、形狀不同的浮游植物種類生活在水生環(huán)境中，其藻種組成和細(xì)胞數(shù)量隨著時(shí)間和空間變化。主要浮游植物色素的濃度，即葉綠素a通常作為浮游植物細(xì)胞數(shù)量的指示因子，但是需要指出的是，在浮游植物細(xì)胞中還伴生有一定數(shù)量的輔助色素，其水樣的色素組成隨著浮游植物種群的群落結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞的生理狀態(tài)不同而變化?！　∪绻f(shuō)有哪一種單一組分能夠作為水生環(huán)境光學(xué)特性變化的代表，就是浮游植物。但是，即使在最簡(jiǎn)單的水生環(huán)境中，這些有機(jī)體通常與其他微小的有機(jī)體，如浮游動(dòng)物、異氧菌和病毒等共生。這些有機(jī)體降解的非生命產(chǎn)物也以碎屑物的形式存在于環(huán)境中。從操作角度來(lái)看，當(dāng)我們從天然水生環(huán)境中定量分離浮游植物的光學(xué)特性時(shí)，其他微小顆粒物的貢獻(xiàn)通常無(wú)法從浮游植物中剔除。例如，這些有機(jī)體多條光譜曲線的疊加，使分離他們變得十分困難。進(jìn)而，在分析自然環(huán)境中的光學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，從共存的其他物質(zhì)中分離浮游植物信號(hào)通常會(huì)有些難度。因此，在遙感內(nèi)容中，除非特別說(shuō)明，浮游植物也同時(shí)包括其他微小有機(jī)體。從光學(xué)觀點(diǎn)的實(shí)際情況來(lái)看，微小有機(jī)體的光學(xué)信號(hào)通常以高色素含量的浮游植物為主。

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