第一个卫星水色遥感器--海岸带水色扫描仪(CZCS)的成功运行, 展示了全球海洋浮游植物卫星遥感观测的可行性。在接下来的几十年间, 相继发射了更为先进的卫星水色遥感器, 包括极轨水色遥感器(如SeaWiFS, MODIS, MERIS)和静止轨道水色遥感器(GOCI)。这些卫星遥感数据极大地提高了我们观测海洋生物地球化学过程的能力。除了卫星遥感器硬件系统的发展, 在数据产品以及处理软件方面也取得了很大的进步, 包括更准确的大气校正和水体性质反演算法。本文简要地对过去几十年间水色遥感的重要进展进行总结和评述。

浮游植物粒级结构是海洋生态系统中的一个重要生物学因子。基于生物光学参数反演浮游植物粒级结构变化是当前水色遥感研究的热点问题。本文综合南海北部海区多年航次调查数据, 对现有几类反演算法进行了区域性优化和验证评价。根据叶绿素a浓度(Chl a)或浮游植物吸收系数(aph(443))的阈值可实现南海北部海区小型(Micro)和微微型(Pico)浮游植物主导的划分, 微型(Nano)的判别精度较差。基于归一化吸收光谱提取的粒级指数可定性地表征浮游植物粒级结构的综合变化趋势。基于叶绿素a浓度的三组分模型, 较好地模拟浮游植物粒级结构的变化规律, 可实现分粒级叶绿素a浓度的定量反演, Pico粒级的反演精度较高; 在此基础上, 耦合浮游植物吸收光谱变化规律和总叶绿素a浓度定量反演粒级结构的模型, 进一步提高了Micro和Nano粒级的反演精度, 且线性相关程度增强。

利用渤、黄海407组实测透明度(0.1~18.0 m)与遥感反射率光谱数据, 评估了3种透明度半分析遥感反演算法在渤、黄海的适用性, 包括基于709 nm波段、基于560 nm波段和基于固有光学量准分析算法的透明度半分析算法。结果表明: 3种半分析算法均不适用于渤、黄海水体, 透明度反演值的均方根误差(RMSE)都大于2.2 m, 平均相对误差(APD)都高于68%。其中, 基于560 nm波段的半分析算法反演误差相对较小, RMSE为2.2~4.6 m, APD为68.0~86.7%。

本文通过4台Bio-Argo浮标在全球三个贫营养海区(南、北太平洋副热带海区、西北地中海)的观测数据, 研究了叶绿素a浓度(［Chla］)和光束衰减系数(cp(660))的季节变化、两者的比值随光照的变化。研究表明, 在南、北太平洋副热带海区, 表层［Chla］与cp在季节上存在显著的非耦合性, ［Chla］冬高夏低, cp几乎不存在季节变化; 在西北地中海, ［Chla］与cp在季节上存在一定程度的共变特征。整体而言, ［Chla］与cp的比值体现了浮游植物的光适应性, 随生长光照的增高而降低。浮游植物的光适应性也存在明显的海区差异, 通过两种回归模型, 本文建立了三个海区的光适应方程, 分析表明, 造成这种海区差异的原因在于: 除光照的限制外, 浮游植物还受温度和营养盐的限制, 回归系数C表征了温度与营养盐限制在季节上变化的程度, 变化程度越小, C越接近于3。

海洋激光雷达是最先进、最有效的海洋调查手段之一, 激光雷达与海洋生物相关的应用主要体现在渔业资源调查和海洋生态环境监测两方面。前者常采用蓝绿脉冲光作为激发光源, 通过对激光回波信号的识别提取以获得鱼群分布区域和密度信息, 结合偏振特征分析可对鱼群种类进行识别; 后者常采用海洋激光荧光雷达, 通过对激光诱导目标物发射的荧光等光谱信号的探测分析以获得海洋浮游生物及叶绿素等物质的种类和浓度分布信息。本文对这两种海洋激光雷达的技术原理、国内外发展现状进行了详细的论述, 并对今后的发展趋势进行了展望。

本文介绍一个针对浮游植物现场探测的三维激光诱导荧光(3D-LIF)光谱系统。该系统以波长可调谐激光器为光源, 使用光栅光谱仪进行光谱分光, 输出光谱范围380 nm~800 nm, 并选用32通道光电倍增管模组作为光电探测器。光栅光谱仪和光电倍增管模组之间的耦合选用芯径0.2 mm的光纤束, 对应光谱分辨率约为3 nm, 以此采集接收的31通道发射荧光光谱, 其光谱范围为410 nm～710 nm, 光谱带宽约10 nm。光电转换电路的模拟带宽约为20 MHz, 数据采集频率50 MHz, 分辨率14 bit。基于研发的光谱系统, 采用光学参量放大器(OPO)以获得405 nm~615 nm可调谐激发光源, 在实验室对三十余种中国海常见的浮游植物的3D-LIF光谱进行了测量。测量结果证实了系统的稳定性和用于藻种分类和识别研究的有效性。系统中的激光器和望远镜可灵活更换, 接收的光谱范围和光谱分辨率等参数可便利调节, 因此, 该系统可望发展成为用于现场探测的3D-LIF光谱系统。

本文将数字全息与显微成像技术相结合, 设计搭建了一套数字全息显微系统, 用于对浮游生物进行光场获取。基于该系统获取的光场信息, 通过在不同景深对图像进行再现, 既可以获到单一浮游生物的清晰图像,也可以获得一定水体内浮游生物微粒在海水中的三维分布情况。通过实验测得系统分辨率可以达到7.8微米, 景深可以达到10毫米, 优于一般光学显微镜的技术指标。研究结果表明优势明显的数字全息显微系统是一种适合海洋原位探测的浮游生物研究的有效方法。基于数字同轴显微系统的水下仪器开发将是下一步工作的努力方向。

本文以结晶紫作为探针分子, 研究了以金溶胶膜、pH=6以及pH=13的金溶胶溶液为活性基底的表面增强拉曼光谱的增强效果。采用化学还原法制备金溶胶, 加入氢氧化钠改变其pH值, 并以自组装法制备金溶胶膜。通过比较金溶胶膜、pH=6及pH=13时金溶胶溶液的增强因子以及在这三种金溶胶基底上结晶紫的检测限, 分析不同活性基底增强效果的差异。三种活性基底的增强因子分别可达到5.9×103、1.5×105、2.3×107, pH=13的金溶胶溶液有最佳的增强效果。以这三种金溶胶为基底对结晶紫进行表面增强拉曼光谱探测, 可得到检测限为70.7 nmol/L、9.6 nmol/L、1.8 nmol/L。结果表明, 金溶胶溶液的增强效果明显优于金溶胶膜, 而通过改变金溶胶体系的pH值可以改变金纳米颗粒的聚合程度及对探测物的吸附特性从而获得更高灵敏度的活性基底。

本文以银溶胶为表面增强拉曼活性基底, 实现了鱼肉中磺胺类抗生素的痕量检测。采用微波加热法制备银溶胶, 比较了两种提取剂(氨水、乙酸乙酯)对鱼肉中抗生素的提取及探测效果。实验发现, 鱼肉中的物质对抗生素检测有较大干扰, 乙酸乙酯作为提取剂的效果要明显好于氨水。以银溶胶为基底, 乙酸乙酯作为提取剂对两种限制使用的磺胺类抗生素(磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲基嘧啶)检测的最低浓度皆为1 ppm, 检测限分别为0.16 ppm、0.59 ppm。结果表明, 利用此方法, 可以实现鱼肉中一定浓度抗生素的检测, 为实现水产品中抗生素的检测提供了实验基础。

本文将海洋生态灾害定义为局部海域一种或少数几种海洋生物数量过度增多引起的海洋生态异常现象, 包括赤潮、绿潮、水母旺发和外来种入侵等, 根据相关研究及调查资料, 探讨了北海区赤潮、绿潮、水母、外来生物入侵等生态灾害发生特点及趋势。结果表明, 北海区赤潮和绿潮灾害频发, 影响面积较大, 渤海北部秦皇岛附近海域赤潮灾害严重, 黄海西部山东半岛近岸海域浒苔绿潮灾害严重; 水母灾害呈上升趋势, 对人体健康威胁较大, 北海区滨海城市都曾发生过水母蛰伤致死案例; 黄河三角洲区域米草和泥螺入侵扩展速度较快。面对这些海洋生态灾害巨大威胁, 北海区亟需加强海洋生态灾害防控研究。

利用近6年黄海绿潮综合监测资料, 分析了黄海绿潮年际变化特征, 包括绿潮首次被卫星遥感发现时的分布特征、最大覆盖面积和分布面积、同期覆盖及分布面积、绿潮漂移路径等。利用绿潮溯源模式和首次卫星发现的绿潮位置, 追溯其早期分布, 结果显示虽然每年绿潮早期分布的时间、位置和形状以及漂移路径都有所不同, 但总体都是由南向北漂移; 回溯到4月中旬至5月初时, 每年基本上都分布于苏北浅滩的东沙、竹根沙和蒋家沙附近海域。

研究表明, 多源卫星数据提取的绿潮信息存在较大差异, 通常认为可能的主要原因是不同卫星遥感器的的空间分辨率、过境时间差、波段设置等各不相同, 但对此仍缺乏深入的研究。本文采用波段设置和过境时间完全相同、仅空间分辨率不同的四景MERIS全、降分辨率(300 m和1 200 m)影像, 利用统一的算法(NDVI)进行绿潮信息提取, 量化了空间分辨率对绿潮覆盖面积、密集度(由斑块个数、聚合度表征)卫星遥感信息提取的影响。结果表明: 空间分辨率对绿潮覆盖面积卫星遥感信息提取影响显著, 全、降分辨率MERIS影像提取的绿潮覆盖面积最大相对偏差可达67%, 遥感影像的空间分辨率对绿潮面积提取结果的影响既与绿潮NDVI探测阈值有关, 还可能与绿潮发展阶段有关。绿潮密集度卫星遥感提取结果也受遥感影像空间分辨率的影响, 全分辨率MERIS影像提取的绿潮斑块个数为降分辨率影像的7~21倍, 绿潮聚合度较降分辨率影像高15%~25%。

在绿潮遥感业务化监测中, 250 m分辨率的MODIS卫星数据是主要数据源, 归一化差值植被指数(NDVI) 是绿潮卫星遥感信息提取的主要方法。研究发现, 由于MODIS空间分辨率较低, 存在大量的混合像元, 导致提取的绿潮覆盖面积明显偏大。针对该问题, 本文在MODIS绿潮NDVI计算的基础上, 首先对大于NDVI阈值的像元进行混合像元分解, 得到MODIS NDVI混合像元分解后的绿潮面积, 然后以准同步的30 m分辨率HJ-1 CCD影像提取的绿潮覆盖面积为真值, 建立了MODIS NDVI混合像元分解得到的绿潮面积与HJ-1提取的绿潮面积之间的关系模型, 以实现绿潮面积的精细化提取。与传统的NDVI阈值法和混合像元分解法相比, 该方法提取的绿潮覆盖面积更接近于“真值”, 面积约为“真值”的96%, 而传统的NDVI阈值法和混合像元分解方法提取的面积分别为“真值”的2.96倍和45%。另外, 与传统的NDVI阈值法相比, 新方法对NDVI阈值变化不敏感, 在相同的NDVI阈值变化区间内, 前者提取的绿潮覆盖面积变化了41%, 而新方法的变化仅为11%。本文的工作在很大程度上解决了MODIS空间分辨率低导致的绿潮监测结果不准确的问题, 为精细化的绿潮卫星遥感业务监测提供了参考。

本文选取晴好天气条件下的MODIS影像为研究数据, 以“类间距”为评价指标, 对比分析了5种常用的植被指数(NDVI、EVI、ARVI、RVI和DVI)对不同生长阶段绿潮的探测能力, 在此基础上, 利用最优指数开展了2014年黄海绿潮的过程分析, 并与历年监测结果进行了对比。结果表明, NDVI算法对绿潮各个生长阶段的探测能力均最强。2014年黄海绿潮生消过程共计85天, 绿潮密集区先向东北漂移, 然后向西北漂移, 最后转向东北方向漂移。最大覆盖面积为540 km2, 最大分布面积为50 000 km2; 与历年监测结果相比, 2014年黄海绿潮的覆盖面积较小, 但分布面积较大。

利用覆盖现代黄河三角洲1990~2013年逐年的24景Landsat遥感影像, 开展了互花米草自引种至今的分布监测; 根据互花米草随时间及分布区域的变化特征, 分别从时间上和空间上分为4个时段和4个区域, 开展了互花米草变迁分析; 结合黄河每年的水沙量数据和气象数据等, 分析了互花米草变化原因。结果表明, 1)在时间上, 互花米草总面积随时间出现较大波动。自1990年引种开始, 总面积分别在1994年、2000年和2006年出现了3次较大幅度的减少, 并分别于1992年、2003年、2005年和2012年达到了总面积的极大值, 面积最大的1992年达到了约1 138 hm2, 最小面积值出现在2001年, 仅有不到30 hm2; 2)在空间上, 互花米草分布范围不断扩大, 表现为从东北方向西南方向扩展, 但4个子区域的局部变化表明互花米草的引种并未有效遏制海岸的侵蚀后退, 其中五号桩和孤东采油区东部的互花米草一直处于不断的面积减小和侵蚀后退中。另外, 通过回归分析发现, 互花米草发展和变迁与黄河水沙输送量有较大相关性。

基于高分一号WFV卫星数据, 通过计算NDVI、SRI、SAVI、MSAVI、GBNDVI和DVI 6种植被指数, 结合黄河口湿地现场草本植被地上干生物量样本, 进行一元线性、指数、对数和幂4种模型的回归分析, 从中选出生物量最佳估算模型。结果表明: (1)指数模型是NDVI和GBNDVI的最佳生物量回归模型, 幂模型是其它植被指数的最佳回归模型(P<0.001); (2)6种植被指数干生物量最佳回归模型的决定系数(R2)都大于0.7, 最大为0.77, 由大到小排序为MSAVI>SAVI>NDVI>DVI>SRI>GBNDVI; (3)各最佳回归模型的平均相对误差(MRE)都小于54%, 最小为23.9%, 由小到大排序为NDVIGF-1 WFV卫星 植被指数 生物量 回归模型 GF-1 WFV2 satellite vegetation index biomass regression model 

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激光生物学报

2014, 23(6): 604