东海马尾藻的光学特性和遥感反演模型研究

Sargassum macroalgae plays an important role in marine ecosystems, as it not only contributes to carbon cycling but also helps to preserve marine diversity through providing a habitat to many animals. On the other hand, extensive and prolonged Sargassum blooms may have adverse impacts on the marine and coastal environments. Several lines of evidence indicate that spring blooms of Sargassum horneri may become the norm in the East China Sea, and synoptic assessments of S. horneri abundance and distribution provide critical information to many applications. Yet such assessments are hindered by the lack of understanding of S. horneri bio-optical properties and how these properties are related to remote sensing. Therefore, the objectives of this research are to measure and understand S. horneri bio-optical properties and to develop a remote sensing model to estimate S. horneri biomass and pigments. Specifically, 1) based on field and laboratory measurements, determine pigment composition, pigment absorption, and spectral reflectance of S. horneri in relation to its areal density and biomass; 2) from these measurements, understand how S. horneri reflectance is modulated by its dominant pigments, and establish a mechanism to differentiate S. horneri from other surface-floating materials through remote sensing spectroscopy; 3) develop and validate a remote sensing model to estimate S. horneri areal density and biomass, and apply to multi-sensors to estimate S. horneri abundance and distribution patterns.

马尾藻在海洋生态系统中发挥着独特的作用，不仅是海洋碳循环的重要组成部分，也为其他海洋生物的生长、繁殖提供了有利条件。但另一方面，马尾藻过度生长形成金潮则会对海洋环境产生不利的影响。多项证据显示，我国东海的马尾藻金潮爆发正在日趋成为常态，而利用光学遥感进行马尾藻的大尺度评估与分析具有广泛的应用前景。针对目前对东海马尾藻光学特性缺乏了解的现状，本项目拟开展以下研究：（1）通过航次现场调查和室内模拟实验相结合的方式，明晰东海马尾藻的色素组成，吸收特性，光谱反射率等关键光学参数以及这些参数与马尾藻覆盖密度、生物量之间的响应关系；（2）以马尾藻的光学特性解析为基础，发展马尾藻的光谱识别机制，准确区分马尾藻与浒苔、溢油等其他海上漂浮物；（3）基于马尾藻反射率与覆盖密度、生物量之间的响应关系，建立马尾藻光学反演模型，实现东海马尾藻生物量等参数的定量反演，并使用多种方式进行验证。

马尾藻在海洋生态系统中不仅是海洋碳循环的重要组成部分，也为其他海洋生物的生长、繁殖提供了有利条件。另一方面，马尾藻过度生长形成的“金潮”会对海洋环境产生诸多负面影响，同时给沿海城市旅游业、养殖业等带来经济损失。多项证据显示，我国东海的马尾藻金潮爆发正在日趋成为常态。针对目前对 东海马尾藻光学特性缺乏了解的现状，本项目通过现场调查和测量、数据综合分析和遥感资料分析等手段，重点在以下几个方面开展了相关研究：1）通过搜集历史数据，获取现场调查数据等方法，明晰了东海马尾藻的光学特性与反射光谱特征，获取了马尾藻的反射光谱与其生物量之间的定量关系；2）发展了使用遥感数据对马尾藻与其他漂浮藻类包括浒苔、夜光藻、束毛藻等进行识别与区分的方法，系统分析了卫星传感器对马尾藻识别的精度的影响因素与限制条件，并获得针对了不同传感器的识别界限；3）构建了东海马尾藻生物量遥感反演模型，结合长时间序列卫星遥感影像获得了20多年来东海马尾藻生物量的时空变化，分析了驱动马尾藻生物量年际变化的环境因子。.此外，在本项目还积极扩展其它漂浮藻和有机物等相关领域的研究，主要包括夜光藻、盐湖卤虫卵等。以上研究共计有6篇SCI文章发表（5篇为项目第一标注，1篇第二标注），包括2篇地学一区TOP期刊GRL，2篇遥感一区TOP期刊RSE，和2篇海洋学二区TOP期刊Harmful Algae。另外有2篇文章已完成撰写与投稿工作，分别已投稿至地学TOP期刊GRL和国内核心期刊《遥感学报》。.项目所产生的关键核心数据包括：1）东海马尾藻的光学性质数据集，包括吸收、色素组成、反射特征光谱；2）全球海洋、湖泊中主要漂浮藻的典型光谱特征数据库；3）不同尺度传感器针对漂浮藻的检测与识别界限；4）2000 – 2021年之间，东海马尾藻生物量的时空分布数据。.鉴于近年来全球范围的漂浮藻藻华持续暴发，给海洋环境、经济发展以及人类健康等方面带来诸多负面影响，本项目所做出的研究成果预计将会在相关领域的研究中发挥积极的作用。