王怡人，王勝強(qiáng)，2，喻樾，焦紅波，孫德勇，2

(1.南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210044；2.江蘇省海洋環(huán)境探測工程技術(shù)研究中心，南京 210044；3.國家海洋信息中心，天津 300171)

0 引言

滸苔(Ulvaprolifera)作為綠藻門石莼目的一種大型藻類植物，主要生存在半封閉海域的巖石、潮帶灘涂或石礫上。滸苔本身無毒，但當(dāng)其異常增殖后會(huì)影響水中生物生存，惡化水體環(huán)境，對海洋漁業(yè)及濱海旅游業(yè)造成強(qiáng)烈沖擊[1-2]。近幾年來，滸苔綠潮災(zāi)害頻發(fā)，且主要分布在南黃海的近岸海域。據(jù)2018年中國海洋災(zāi)害公報(bào)[3]統(tǒng)計(jì)，2016年、2017年、2018年的黃海沿岸滸苔綠潮最大分布面積依次為57 500 km2、29 522 km2、38 046 km2。2008年的滸苔災(zāi)害給當(dāng)?shù)胤?xùn)練造成了困難，直接影響了青島奧帆賽的順利舉行，此外還給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，海灘清理、藻類運(yùn)輸和水產(chǎn)養(yǎng)殖損失的經(jīng)濟(jì)成本超過2 億美元[4]。2008年之后，黃海區(qū)域滸苔綠潮災(zāi)害呈現(xiàn)連續(xù)性和常態(tài)化的爆發(fā)態(tài)勢[5]。因此，有效地監(jiān)測預(yù)報(bào)滸苔已成為控制和減少災(zāi)害損失的必由之路。

由于滸苔災(zāi)害爆發(fā)具有發(fā)展迅速、分布面積大等特點(diǎn)，具備宏觀性、經(jīng)濟(jì)性、多時(shí)相性和大范圍同步等優(yōu)勢特點(diǎn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)成為目前監(jiān)測滸苔的主要手段。其中，光學(xué)遙感觀測因其覆蓋范圍廣、光譜信息豐富、空間和時(shí)間分辨率高，成為對滸苔災(zāi)害進(jìn)行宏觀精準(zhǔn)監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源[6]。國內(nèi)外學(xué)者針對滸苔的遙感監(jiān)測提出過許多算法，其中大多數(shù)算法采用光譜指數(shù)法，比較常用的有歸一化植被指數(shù)法(normalized difference vegetation index，NDVI)、增強(qiáng)型植被指數(shù)法(enhanced vegetation index，EVI)、漂浮藻類指數(shù)法(floating algae index，F(xiàn)AI)、替代型漂浮藻類指數(shù)法(alternative floating algae index，AFAI)等[7-9]。如Hu[10]通過組合紅光-近紅外-短波紅外波段開發(fā)了可消除大氣影響的FAI指數(shù)，從而利用恰當(dāng)?shù)拈撝禍?zhǔn)確提取了漂浮藻類信息。Son等[11]發(fā)現(xiàn)EVI算法也能夠很好地進(jìn)行滸苔遙感監(jiān)測。丁一等[12]建立了NDVI與滸苔像元豐度關(guān)系的滸苔信息提取模型，利用該模型提取了滸苔的覆蓋率。2014年，王寧等[13]對比分析了5種常用的光譜指數(shù)對滸苔的監(jiān)測能力，結(jié)果表明，NDVI算法對滸苔災(zāi)害各個(gè)階段的監(jiān)測能力均最強(qiáng)。NDVI指數(shù)法是目前自然資源部滸苔災(zāi)害衛(wèi)星遙感應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化算法。

需要指出的是，雖然光譜指數(shù)法是目前滸苔提取的主要方法，但受海洋環(huán)境以及衛(wèi)星成像條件等因素的影響，導(dǎo)致滸苔準(zhǔn)確提取的閾值往往存在一定差異。如大部分研究者在利用NDVI指數(shù)提取滸苔時(shí)所采用的閾值各不相同，有些相差甚遠(yuǎn)，這可能與不同大氣狀況、滸苔密集程度及懸浮狀態(tài)等因素有關(guān)[14-23]。這使得利用指數(shù)法對滸苔進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測時(shí)，其監(jiān)測精度往往不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的誤差。此外，也有業(yè)務(wù)化部門采用人工解譯的方法確定準(zhǔn)確的閾值，進(jìn)而提高滸苔監(jiān)測精度，但這嚴(yán)重影響了滸苔監(jiān)測的效率，與采用遙感監(jiān)測的初衷嚴(yán)重不符。因此，開發(fā)出可靠的自適應(yīng)閾值算法，才能從根本上實(shí)現(xiàn)指數(shù)法對滸苔的全自動(dòng)監(jiān)測。

針對以上問題，本文以NDVI光譜指數(shù)為例，以GOCI(geostationary ocean color imager)衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)為主，提出一種新的光譜指數(shù)自適應(yīng)閾值提取算法，并在滸苔爆發(fā)的不同年份以及滸苔生消過程，對提出的自適應(yīng)閾值算法的適用性進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)也使用了MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)數(shù)據(jù)評價(jià)了該算法的適用性，為滸苔的全自動(dòng)監(jiān)測提供可靠的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)算法

1.1 研究區(qū)域簡介

滸苔主要分布在南黃海海域，因此，以南黃海海域(山東省-江蘇省沿海海域)為研究區(qū)，南起蘇滬分界線，北至山東半島南岸，經(jīng)緯度范圍為32.5°N～37.1°N，119°E～123°E。膠東半島成山角到朝鮮的長山串之間的連線將黃海分為北黃海和南黃海2個(gè)部分，其中，南黃海是一個(gè)近似南北向的半封閉海域，面積約為40.9×104km2。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文從GOCI數(shù)據(jù)官網(wǎng)下載了L1B數(shù)據(jù)(http：//kosc.kiost.ac.kr/eng/p10/kosc_p11.html)，利用GDPS這一款針對GOCI數(shù)據(jù)處理的專業(yè)軟件[24]，使用了Generate L2/L3 Data工具，將下載好的L1B格式數(shù)據(jù)處理成了L2數(shù)據(jù)(主要包括離水輻亮度、遙感反射率、瑞利校正后的遙感反射率等產(chǎn)品[25])，使用瑞利校正后的遙感反射率用于相關(guān)研究。

本文也使用了MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對所開發(fā)的自適應(yīng)閾值算法進(jìn)行檢驗(yàn)。從MODIS數(shù)據(jù)官網(wǎng)(https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)下載了L1B數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行幾何校正和大氣校正后用于本文的分析。

1.3 監(jiān)測精度評價(jià)算法

在遙感圖像提取結(jié)果精度評價(jià)中，常用的精度評價(jià)指標(biāo)主要有混淆矩陣、總體分類精度(OA)、卡帕系數(shù)(Kappa)系數(shù)、錯(cuò)分誤差、漏分誤差等。其中，OA和Kappa應(yīng)用最為廣泛?？傮w分類精度指被正確分類的類別像元數(shù)與總的類別個(gè)數(shù)的比值，用于評價(jià)監(jiān)測的精度。本研究以目視解譯為真實(shí)值，使用總體分類精度來評價(jià)自適應(yīng)閾值法對滸苔的提取精度。

2 自適應(yīng)閾值提取算法開發(fā)

本文以常用的NDVI指數(shù)為例進(jìn)行自適應(yīng)閾值提取算法的開發(fā)，其具體表達(dá)如式(1)所示。

(1)

式中：RNIR為近紅外波段的反射率；RRED為紅光波段的反射率。

選取2016年6月25日滸苔爆發(fā)時(shí)期的GOCI影像，進(jìn)行自適應(yīng)閾值算法的開發(fā)。首先，對GOCI遙感圖像進(jìn)行了云掩膜、云影掩膜等預(yù)處理[26]，進(jìn)而計(jì)算出整幅圖的NDVI值，統(tǒng)計(jì)得到了如圖1(a)所示的NDVI直方圖。直方圖橫坐標(biāo)為NDVI數(shù)值，縱坐標(biāo)表示整幅圖中對應(yīng)該數(shù)值的像元個(gè)數(shù)。將直方圖采用一次、二次等不同次數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，經(jīng)對比分析后發(fā)現(xiàn)，多項(xiàng)式六次擬合函數(shù)得到的曲線最接近于原始NDVI直方圖，因此，本文選用多項(xiàng)式六次擬合函數(shù)，得到的擬合曲線如圖1(b)所示，表示如式(2)所示。

f(x)=a1x6+a2x5+a3x4+a4x3+a5x2+a6x

(2)

式中：輸出參數(shù)a1、a2、a3、a4、a5、a6為六次擬合多項(xiàng)式系數(shù)，隨著不同的滸苔分布情況而改變。通過擬合曲線圖可以看出：滸苔和背景水體有著明顯的區(qū)分，整個(gè)圖像在左側(cè)存在一個(gè)明顯的高峰，經(jīng)目視解譯判別該高峰為背景水體；在右側(cè)存在一塊小幅度波動(dòng)區(qū)域，經(jīng)目視解譯判別該波動(dòng)區(qū)域?yàn)闈G苔。因此，如何確定劃分左右兩邊的分界線，從而確定用于提取滸苔的閾值則是需要解決的關(guān)鍵問題。

為此，本文采用逐步逼近尋找法。首先，通過尋找曲線上的極值，可由其一階和二階導(dǎo)數(shù)來確定，若記擬合曲線圖1(b)函數(shù)為f(x)，極值表示如式(3)、式(4)所示。

f′(x0)=0

(3)

f″(x0)≠0

(4)

式中：f′(x0)為一階導(dǎo)函數(shù)；f″(x0)為二階導(dǎo)函數(shù)。在極值點(diǎn)中，若f″(x0)<0，則曲線函數(shù)f(x)在x0取得極大值；若f″(x0)>0，則曲線函數(shù)f(x)在x0取得極小值。利用該方法找到所有極值點(diǎn)后，從左往右選取曲線的第一個(gè)極小值點(diǎn)，該點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)(圖1虛線所對應(yīng)處)即為所求的滸苔提取的NDVI閾值。

圖1 自適應(yīng)閾值法確定的2016年6月25日的滸苔提取閾值

3 自適應(yīng)閾值提取算法的驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 自適應(yīng)閾值提取算法的驗(yàn)證

采用本文建立的自適應(yīng)閾值提取法，對2016年6月25日GOCI的NDVI指數(shù)進(jìn)行閾值確定，確定的閾值為0.12，再利用該閾值進(jìn)行滸苔分布提取，結(jié)果如圖2(c)所示?？梢钥闯?，滸苔在爆發(fā)時(shí)期數(shù)量多、分布范圍廣，這也進(jìn)一步說明了實(shí)現(xiàn)滸苔全自動(dòng)遙感監(jiān)測的必要性和迫切性。為了檢驗(yàn)自適應(yīng)閾值提取算法的準(zhǔn)確性，對GOCI衛(wèi)星影像進(jìn)行了假彩色圖像合成，并經(jīng)目視解譯，其中紅色像元判斷為滸苔分布像元(圖2(a))；與此同時(shí)，利用固定閾值法也提取了滸苔分布(圖2(b))。

由于大部分研究者使用NDVI法提取滸苔信息時(shí)采用的閾值各不相同，故本文結(jié)合已有文獻(xiàn)所使用的NDVI閾值范圍以及目視解譯結(jié)果，將提取滸苔的NDVI固定閾值設(shè)為0.15。對比分析以上2種方法和本文自適應(yīng)閾值法提取的滸苔分布可以看出，自適應(yīng)閾值法能夠很好地將滸苔分布像元進(jìn)行提取，其提取范圍和目視解譯以及固定閾值法提取的滸苔分布基本一致，但細(xì)致比較后發(fā)現(xiàn)與固定閾值法提取結(jié)果存在一定的差別，固定閾值方法提取的滸苔面積為4 914.8 km2，而自適應(yīng)閾值方法提取的滸苔面積則為5 813.5 km2，利用自適應(yīng)閾值算法提取的滸苔分布更大一些。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證自適應(yīng)閾值法及固定閾值法提取的滸苔分布，本文以目視解譯為真實(shí)值，對提取的滸苔分布利用混淆矩陣中的總分類精度進(jìn)行了精度評價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固定閾值法提取的總體精度為90.6%，而利用本文所提出的自適應(yīng)閾值法提取的總體精度為94.7%(表1)。結(jié)合以上2個(gè)方面的驗(yàn)證得出，自適應(yīng)閾值法較以往的固定閾值法對滸苔分布的提取精確度有了一定的提高。

圖2 2016年6月25日GOCI數(shù)據(jù)對自適應(yīng)閾值法的驗(yàn)證

表1 利用固定閾值法和本文自適應(yīng)閾值法提取的滸苔分布總體精度 %

3.2 自適應(yīng)閾值提取算法的適用性和穩(wěn)定性

接下來，為確定自適應(yīng)閾值提取算法的適用性和穩(wěn)定性，除2016年6月25日GOCI影像外，進(jìn)一步選取了2幅不同年份滸苔爆發(fā)時(shí)期的GOCI影像，時(shí)間分別為2017年6月27日和2018年6月24日。運(yùn)用本文提出的自適應(yīng)閾值法對滸苔分布進(jìn)行提取。首先，分析了每一幅影像的NDVI指數(shù)直方分布圖，并利用本文提出的自適應(yīng)閾值法確定了各個(gè)最優(yōu)閾值，結(jié)果如圖3所示。可以看出，2017年6月27日、2018年6月24日2期影像對應(yīng)的滸苔提取閾值分別為0.22和0.18，與2016年6月25日影像對應(yīng)的閾值0.12有較大的差別。

圖3 不同年份滸苔爆發(fā)時(shí)期對自適應(yīng)閾值法的驗(yàn)證

得到不同年份滸苔爆發(fā)時(shí)期的滸苔提取閾值后，提取出了南黃海海域的滸苔分布圖，且將所提取的不同年份滸苔分布進(jìn)行精度檢驗(yàn)。首先，對2017年6月27日和2018年6月24日的GOCI衛(wèi)星影像進(jìn)行了假彩色圖像合成(圖4(a)、圖4(d))，同時(shí)利用固定閾值法提取了滸苔分布(圖4(b)、圖4(e))，對比以上2種方法和本文自適應(yīng)閾值法提取的滸苔分布(圖4(c)、圖4(f))以及計(jì)算出各提取結(jié)果的總體精度(表1)，并結(jié)合針對2016年6月25日GOCI影像的研究結(jié)果(圖1、圖2)可以發(fā)現(xiàn)，在不同年份滸苔爆發(fā)時(shí)期，運(yùn)用本文自適應(yīng)閾值法確定的滸苔提取的NDVI閾值有明顯的變化，這些變化勢必會(huì)造成傳統(tǒng)固定閾值方法對滸苔提取結(jié)果的誤差。由表1可知，利用固定閾值法提取的2016年6月25日、2017年6月27日、2018年6月24日的滸苔總體精度分別為90.6%、86.7%、92.7%，而利用本文自適應(yīng)閾值法的提取精度分別提升至94.7%、93.4%、95.9%。由此可以得出結(jié)論，本文提出的自適應(yīng)閾值算法對于不同年份滸苔爆發(fā)時(shí)期的滸苔遙感提取具有良好的適用性。

另外，從提取的滸苔分布結(jié)果來看，2016年滸苔爆發(fā)情況與2017、2018年相比更為嚴(yán)重，其爆發(fā)區(qū)域基本涵蓋了整個(gè)江蘇-山東近海區(qū)域，而2017年滸苔的情況與之恰恰相反，滸苔爆發(fā)現(xiàn)象并不是十分明顯，其覆蓋的區(qū)域較小，主要集中在青島近海附近。

上文討論了自適應(yīng)閾值法在不同年份滸苔爆發(fā)期的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)其比傳統(tǒng)固定閾值法的提取精度更高。接下來將探究自適應(yīng)閾值法在滸苔生消過程監(jiān)測中的適用性。選取滸苔災(zāi)害的3個(gè)典型階段：初期、爆發(fā)、消亡。基于2016年的GOCI數(shù)據(jù)，選取了滸苔分布由少到多的3期影像，時(shí)間分別為5月25日、6月17日、7月16日。運(yùn)用自適應(yīng)閾值法，得到各個(gè)階段滸苔提取的NDVI閾值(圖5)，2016年5月25日、2016年6月17日、2016年7月16日3期影像對應(yīng)的滸苔提取的NDVI閾值分別為0.14、0.12、0.27。

圖4 不同年份滸苔爆發(fā)時(shí)期對自適應(yīng)閾值法的驗(yàn)證

得到滸苔生消各個(gè)過程提取的閾值后，提取了南黃海的滸苔分布。為了檢驗(yàn)自適應(yīng)閾值提取算法的準(zhǔn)確性，對GOCI衛(wèi)星影像進(jìn)行了假彩色圖像合成，同時(shí)，利用固定閾值法也提取了滸苔分布，對比分析以上2種方法和本文自適應(yīng)閾值法提取的滸苔分布，結(jié)果如圖7和表1所示?？梢钥闯?，自適應(yīng)閾值法在滸苔生消過程同樣也具有很好的提取精度，尤其是2016年6月17日的數(shù)據(jù)，自適應(yīng)閾值提取算法得到的閾值與固定閾值相差較大，對其滸苔提取精度分析發(fā)現(xiàn)，固定閾值法的滸苔提取總體精度只有74.4%，而自適應(yīng)閾值法的總體精度為96.2%，二者相差21.8%之多。以上結(jié)果表明，自適應(yīng)閾值法也適用于滸苔生消過程的監(jiān)測。

從3期影像提取的滸苔分布圖可以看出：在2016年5月25日滸苔發(fā)展初期階段(圖6(a)、圖6(b)、圖6(c))，滸苔在蘇北淺灘有零星分布；而在2016年6月17日滸苔爆發(fā)階段(圖6(d)、圖6(e)、圖6(f))，滸苔大規(guī)模增殖，在整個(gè)江蘇近海區(qū)域爆發(fā)；在2016年7月16日滸苔消亡階段(圖6(g)、圖6(h)、圖6(i))，滸苔主要在青島近海海域有較小范圍的分布。

由上文的分析可知，對于GOCI數(shù)據(jù)，本文提出的自適應(yīng)閾值提取算法具有很好的適用性和穩(wěn)定性，接下來將開發(fā)出的算法應(yīng)用于MODIS數(shù)據(jù)，對算法的表現(xiàn)進(jìn)行檢驗(yàn)評價(jià)。本文選取了2019年滸苔爆發(fā)時(shí)期的2景影像，成像時(shí)間分別為2019年的6月11日和6月23日。運(yùn)用本文提出的自適應(yīng)閾值算法，得到用于滸苔提取的NDVI閾值分別為0.16和0.12。基于此，提取出了南黃海海域的滸苔分布，并對提取精度進(jìn)行了檢驗(yàn)評價(jià)，結(jié)果如圖7所示所示?？梢钥闯?，自適應(yīng)閾值法得到的滸苔分布與假彩色合成圖顯示的滸苔分布基本一致，利用目視解譯對滸苔提取精度的定量分析發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)閾值法的總體精度分別為96.0%和95.4%，這些結(jié)果表明本文的自適應(yīng)閾值法同樣也適用于MODIS數(shù)據(jù)。

圖5 自適應(yīng)閾值法在滸苔生消過程監(jiān)測中的適用性評價(jià)

綜上所述，本文提出的自適應(yīng)閾值法不僅適用于不同年份滸苔爆發(fā)時(shí)期對滸苔分布的遙感提取，而且也適用于對滸苔生消過程的監(jiān)測，且對MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出良好的提取精度。這些結(jié)果表明本文的自適應(yīng)閾值提取算法具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

針對滸苔的遙感提取，此前也有學(xué)者提出過自適應(yīng)閾值的方法。如王蕊等[27]基于數(shù)據(jù)挖掘提出了滸苔的自適應(yīng)閾值分區(qū)自動(dòng)檢測方法，該方法首先對圖像進(jìn)行分割，再對云覆蓋類型進(jìn)行識別，然后針對不同云覆蓋類型，分析反射率與滸苔提取閾值之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)而建立了滸苔的自適應(yīng)閾值分區(qū)檢測方法。此外，白羽[28]對比分析了圖像分類方法和圖像閾值分割方法，進(jìn)而將圖像分類方法和迭代閾值分割法相結(jié)合，提出了自適應(yīng)閾值分割方法，實(shí)現(xiàn)了對青島海域滸苔分布信息的自動(dòng)提取。可以看出，本文提出的自適應(yīng)閾值算法與其他學(xué)者算法的初衷一致，也即實(shí)現(xiàn)對滸苔分布信息的全自動(dòng)提取，但這些算法的開發(fā)思路和所采用的方法均不同；相比之下，本文的自適應(yīng)閾值算法操作可能更為簡單，然而針對不同方法的詳細(xì)對比分析，仍需要在將來的工作中做進(jìn)一步的深入研究。

圖6 自適應(yīng)閾值法在滸苔生消過程監(jiān)測中的適用性評價(jià)

圖7 自適應(yīng)閾值法基于MODIS數(shù)據(jù)適用性評價(jià)

4 結(jié)束語

本文針對南黃海海域的滸苔災(zāi)害，提出了一種新的自適應(yīng)閾值提取算法，該算法以歸一化植被指數(shù)NDVI為例，從NDVI直方圖分布特征入手，采用曲線擬合、自動(dòng)查找極值的方法來確定滸苔提取的最優(yōu)閾值。該自適應(yīng)閾值提取算法對不同年份滸苔爆發(fā)期的滸苔分布提取，以及滸苔生消過程(初期、爆發(fā)、消亡)的監(jiān)測均具有很好的適用性，所提取的滸苔分布較傳統(tǒng)固定閾值法提取精度均有一定的提高。

本文所提出的自適應(yīng)閾值算法可自動(dòng)確定滸苔提取的最優(yōu)閾值，提高了滸苔監(jiān)測的精度，減少了人工目視判別固定閾值的工作量，為實(shí)現(xiàn)滸苔的全自動(dòng)化遙感監(jiān)測提供了可靠的技術(shù)支持。此外，雖然本文提出的自適應(yīng)閾值提取算法是以NDVI指數(shù)為例，僅用于了GOCI和MODIS數(shù)據(jù)，但從原理上來講，該方法也能夠用于其他光譜指數(shù)(如FAI、EVI等)和其他衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)(如Landsat、高分等)，這些工作有待進(jìn)一步開展。