基于Sentinel-2卫星影像的海南西岛珊瑚礁识别和变化分析

珊瑚礁是海洋中最重要的生态系统之一, 近年来在全球气候变化和人为干扰加剧的影响下, 我国南海珊瑚礁总体处于快速退化状态。以海南西岛珊瑚礁为例, 基于Sentinel-2系列卫星10 m空间分辨率影像, 利用面向对象分类法(object-based image analysis, OBIA)对2017年12月~2018年3月和2021年12月两个时期的海南西岛珊瑚礁底质进行了识别分类, 并进行珊瑚礁面积变化分析。将2021年12月的分类结果与现场调查数据进行对比验证, 总分类精度和Kappa系数分别为83.3%和0.71。对比两个时期珊瑚礁底质分类结果表明, 西岛西侧珊瑚礁覆盖面积未出现明显变化, 东侧珊瑚礁显示恢复趋势。本文研究表明, 10 m地面分辨率卫星系列影像和面向对象的阈值分类方法可以对海南西岛珊瑚礁进行较为准确的识别和变化分析, 监测结果可为海南岛沿岸西岛等小型岛礁珊瑚保护及修复提供参考。     

珊瑚礁监测技术发展现状及原位在线监测建设

随着沿海地区社会和经济活动不断增加,在人类活动和全球气候变化的双重压力下,全球珊瑚礁生态健康状况日益衰退。如何有效地监测珊瑚礁生态系统,使管理部门能够及时采取保护措施防止珊瑚礁生态系统的退化,已成为拥有珊瑚礁资源的国家亟需解决的环境问题。各主要国家均在大力发展珊瑚礁监测技术与装备。文中综述了国内外在珊瑚礁生态系统监测技术方面的研究现状,基于前人提出的原位在线监测技术,在南海某岛礁海域建设了珊瑚礁生态环境原位在线监测系统,并进行了1年多的业务化运行。在业务化运行期间,原位在线监测系统成功监测到了珊瑚礁的"白化-死亡-微藻附着-珊瑚骨骼腐烂-大型藻占领"这一退化过程,表明该监测系统能够实现珊瑚礁的长期、实时、连续监测。本文研究对于进一步认识珊瑚礁生态系统的时间变化特征及其影响机制均具有重要意义。     

三沙珊瑚礁健康状况实时监测与预警

三沙珊瑚礁资源丰富,具有重要的社会与经济价值,为保证该区域经济与环境可持续发展,加大对三沙珊瑚礁健康状况实时监测与预警工作显得极为迫切。传统的珊瑚礁健康状况监测方法虽能定量评价,但不能满足大面积、实时监测所需,ＮＯＡＡ 根据热点（ＨｏｔＳｐｏｔ）和周热度（ＤｅｇｒｅｅＨｅａｔｉｎｇ Ｗｅｅｋｓ,ＤＨＷ）两个指数对珊瑚健康状况进行判断,虽分辨率低但能够大面积、实时的监测珊瑚礁承受温度压力,预警珊瑚礁的健康状况。结合卫星遥感、浮标实测、实地监测数据,对三沙珊瑚礁健康状况进行动态、实时的监测视为理想途径。通过利用高光谱仪对特定区域珊瑚礁光谱特性分析,对珊瑚礁健康状况敏感光谱的提取与分类,必将促进高分辨率航空、航天遥感在珊瑚礁健康状况的应用与发展,以满足对特定区域实时、精确监测与预警工作的开展。     

全球珊瑚礁监测与管理保护评述

综述了全球珊瑚礁监测成果与管理保护新战略。从20世纪80年代末以来世界珊瑚礁受到普遍关注,催生了以全球珊瑚礁监测网络、全球珊瑚礁考查和全球珊瑚礁数据库为主的全球珊瑚礁监测体系,并从1998年起每2年出版世界珊瑚礁现状报告。到2004年为止,全球珊瑚礁已损失20%,另外的50%受到不同程度的威胁。全球变化影响可能超过人类活动影响,但未来情况有很大不确定性。全球珊瑚礁图集提供了最新面积资料。珊瑚礁管理保护必须采取维持礁系统的弹性、避免衰退相转移和维持礁生物关键功能组、扩大完全保护区面积等新战略。中国是世界珊瑚礁大国,应该为世界珊瑚礁保护作出贡献。     

基于底质类型变化监测的2005—2018年西沙永乐群岛珊瑚礁白化分析

在海洋环境变化和人类活动的双重影响下,我国珊瑚礁白化现象日趋严重,珊瑚礁健康状况、珊瑚种群数量和丰富度呈逐年下降的趋势。本文基于2005-2007年QuickBird卫星影像、2011-2012年QuickBird/WorldView-2卫星影像和2016-2018年GF-1/2卫星影像等3期高分辨率遥感数据,以西沙永乐群岛羚羊礁、中建岛等14个岛礁为研究区（以下统称永乐群岛）,利用支持向量机（support vector machine,SVM）分类方法结合人机交互信息提取方法完成了3期永乐群岛的珊瑚礁底质类型分类,并通过珊瑚礁底质类型变化分析了永乐群岛珊瑚礁白化特征。主要结论包括：（1）提出了一种珊瑚礁白化程度分级的方法,将永乐群岛白化状况分为轻度、中度、重度和严重白化4个等级,通过分析发现在监测时段内14个岛礁中有13个发生了不同程度的白化,其中10个发生了重度白化（白化率20%以上）,1个严重白化（羚羊礁,白化率为33.36%）;（2）根据监测数据统计,上述珊瑚岛礁的白化主要是由珊瑚丛生区白化引起的,2005-2018年永乐群岛珊瑚丛生区白化面积占总的发生白化区域面积的70.55%;（3）14个岛礁中只有甘泉岛的活珊瑚覆盖在逐渐增加,活珊瑚覆盖面积由2006年5月10日的87.13 hm²增加到2018年3月7日的107.80 hm²。     

基于多时相多光谱遥感影像的珊瑚礁面积估算方法研究

准确计算珊瑚礁的面积是评估其资源、环境效应的基础,但我国迄今对南海珊瑚礁的面积估算仍缺乏共识,缺少可靠的估算方法是导致这一现象的重要原因。针对这一问题,本文以西沙群岛羚羊礁为例,提出了一种利用多时相多光谱遥感影像低成本半自动化估算珊瑚礁面积的方法。首先快速目视确定地貌带分界线的粗略位置,然后利用基于梯度向量场的主动轮廓线模型（Gradient Vector Flow-Snake, GVF-Snake）实现这些分界线位置的自动精化,最后将不同时相的瞬时分界线转换为面要素进行多时相的融合,从而得到珊瑚礁的面积。基于53景Sentinel-2 多光谱成像仪（MSI）影像的实验表明,羚羊礁的总面积为17.22 km2（Landsat 8 陆地成像仪（OLI）用于方法稳定性的验证,得到的羚羊礁面积为17.29 km2）,其中礁前斜坡、礁坪?潟湖坡、潟湖的面积分别为1.76 km2、10.29 km2、5.17 km2。该数值与实测数据具有较好的一致性。具体地,该方法获得的地貌带分界点与实测水深所指示分界点的位置偏差能控制在0.2～4.9 m的范围内（不超过0.5个像素）,珊瑚礁最外轮廓线与30 m等深线的位置偏差亦在1个像素大小内（5.7～9.5 m）,而估算面积与高分辨率WorldView-2影像解译得到的面积差异为0.02%。同时,该方法获得的珊瑚礁边界线的完整度、正确度、提取质量精度能够由单时相平均的60%、64%和54%分别提高至84%、83%和72%。此外,该方法能够减小基于不同遥感数据源的珊瑚礁面积估算结果的差异,即6景以上的多时相Sentinel-2 MSI和Landsat 8 OLI影像提取的珊瑚礁面积标准差分别不超过0.01 km2和0.05 km2,仅相当于珊瑚礁总面积的0.2%和0.5%。总而言之,该方法能够用低成本的10 m分辨率Sentinel-2 MSI和30 m分辨率Landsat 8 OLI影像获得接近1.8 m分辨率WorldView-2影像的面积估算精度,且具有良好的稳定性和可靠性。     

涠洲岛珊瑚礁的发育过程及其与气候的对应关系

涠洲岛位于热带北缘,对珊瑚生长而言其纬度相对偏高,冬季低温是制约其珊瑚生长和珊瑚礁发育的关键因素。重建涠洲岛珊瑚礁发育的过程,对于了解珊瑚对过去气候的响应以及预测珊瑚礁的发育趋势等具有重要科学意义。以涠洲岛珊瑚礁钻孔（GS-3）为材料,利用高精度铀系测年技术测定珊瑚年龄,建立涠洲岛珊瑚礁发育的年代框架;通过粒度、生物组分、矿物成分分析揭示了其物质组成。结果显示,GS-3岩芯5.57 m处的珊瑚铀系年代为3737±17 aBP（相对于公元1950年）,基于此年代计算的珊瑚礁平均发育速率为1.49 m/ka。在3737～2476、2288～1191以及325 aBP以来涠洲岛珊瑚礁快速发育,其发育速率分别为2.21、1.13及1.85 m/ka;在2476～2288、1191～325 aBP珊瑚礁缓慢发育,发育速率分别为0.64、0.48 m/ka。沉积物的生物组分主要为珊瑚、珊瑚藻和软体动物;矿物成分主要为文石和石英。基于珊瑚礁发育速率与气候背景的关系对比,得出涠洲岛珊瑚礁快速发育阶段与全新世大暖期后期、罗马暖期以及现代暖期大致对应;缓慢发育阶段与降温期、黑暗时代冷期后期、中世纪气候异常期、小冰期前期大致对应。总体来看,相对高纬度的涠洲岛珊瑚礁的发育快慢受气候冷暖所调控,暖期的气候有利于珊瑚生长和珊瑚礁发育,冷期珊瑚礁发育慢。     

涠洲岛珊瑚礁近千年的发育过程及其对气候变化的响应*

高纬度珊瑚栖息地能否成为气候变暖背景下热带珊瑚物种的“避难所”仍不明确, 南海北部的相关研究更是稀少。本文以取自涠洲岛的2根珊瑚礁沉积岩心为研究对象, 通过U-Th定年、沉积组分分析以及珊瑚种属鉴定等方法, 探讨近千年以来珊瑚礁的发育过程及其对气候变化的响应。研究结果发现, Core1(石螺口)岩心沉积的3个快速堆积阶段分别与罗马暖期、中世纪暖期和现代暖期大致对应; 而2个缓慢堆积阶段则分别与黑暗时代冷期和小冰期大致对应, 证实了温暖的气候对珊瑚礁发育有促进作用, 而寒冷的气候则不利于珊瑚礁的发育; 此外, 现代强烈的人为干扰可能也导致了涠洲岛珊瑚礁的迅速退化。Core2(南湾)中陆源沉积含量高, 珊瑚年龄主要集中在800AD—950AD和现代这两个时间段内, 其原因可能与环境变化、风暴作用及湾内现代珊瑚分布特征有关。通过对比这两个站位的珊瑚礁沉积特征, 本文进一步提出“完全避难所”和“非完全避难所”的概念, 揭示涠洲岛珊瑚可能同时具有低纬度热带珊瑚礁和高纬度珊瑚群落这两种发育特征和趋势。     

基于高分辨率遥感的珊瑚礁地貌单元体系构建和分类方法—以8波段Worldview-2影像为例

珊瑚礁生态系统是全球初级生产力最高的生态系统之一, 在维持海洋生物多样性、防浪固滩、资源供给等方面发挥着巨大作用。珊瑚礁遥感地貌分类体系是珊瑚礁保护、管理及可持续发展的必要基础, 但目前还未有结合珊瑚覆盖度进行分类的体系。本文基于WorldView-2高分辨率遥感影像, 以中国南海西沙群岛七连屿北部赵述岛和西沙洲所在礁盘作为研究区, 结合珊瑚覆盖度、区域地貌成分和水动力条件等指标, 建立了既适用于遥感监测又与珊瑚生存状况相关联的珊瑚礁地貌单元分类体系。同时, 利用面向对象的支持向量机(Support Vector Machine, SVM)和随机森林(Random Forest, RF)分类方法进行珊瑚礁地貌单元的信息提取, 并对分类结果进行精度评价。结果表明, SVM和RF两种分类方法均能较好地提取出珊瑚礁地貌单元, 分类精度分别为87.59%和79.81%。针对分类过程中出现的错分、漏分问题, 结合珊瑚礁成因和分布规律对分类结果进行修正, 修正后分类提取的精度达到91.3%, Kappa系数为0.9041, 表明本文构建的珊瑚礁地貌单元分类体系在一定程度上能满足当前珊瑚岛礁信息提取的需要。     

基于WorldView-2和GF-2遥感影像的赵述岛礁坪底质变化研究

以西沙群岛海域赵述岛礁坪为研究区域,应用2010年的WorldView-2和2015年的GF-2两期高分辨率卫星遥感影像数据,结合现场水下珊瑚礁照片和视频资料,建立了赵述岛礁坪底质类型遥感分类体系,分别构建了针对WorldView-2遥感影像和GF-2遥感影像的珊瑚礁底质分类决策树模型,并通过对两期遥感影像的底质类型提取结果的变化分析,完成了赵述岛礁坪退化区域的提取。结果表明:(1)WorldView-2影像的分类决策树具有91%的总体分类精度和0.89的Kappa系数,GF-2影像的分类决策树具有更高的分类精度;(2)6年期间研究区大约1/4的珊瑚礁分布区发生了退化;(3)最突出的自然变化是礁前区大面积的珊瑚丛生区转变成藻脊,结合相关资料认为东北季风、热带气旋和温度上升的综合影响是驱动因素;(4)赵述岛西侧的藻脊、珊瑚沉积区大面积转化为珊瑚砂和深水区域,原因是航道和码头的开发活动。研究分析了6年间赵述岛礁坪底质的退化状况,并分析原因,为珊瑚礁底质分类提供方法,并为西沙群岛的珊瑚礁监测和保护提供了有效资料和手段。     

南海珊瑚岛礁遥感分类体系和解译标志

南海珊瑚岛礁远离大陆且面积较小,高分辨率遥感技术已成为大范围进行珊瑚岛礁监测的重要手段,而建立适用的遥感分类体系和解译标志是进行珊瑚岛礁遥感监测的基础.本文综合考虑珊瑚岛礁的形成机制、珊瑚礁形态和高分辨率遥感影像上珊瑚岛礁图斑的可解译程度等因素,制定应用于珊瑚岛礁高分遥感监测的分类体系,将珊瑚岛礁分为珊瑚岛、沙洲、干出...     

珊瑚礁生态系统修复研究进展

健康的珊瑚礁生态系统具有造礁、护礁、固礁、防浪护岸、防止国土流失的功能。同时, 珊瑚礁生态系统生物多样性极高, 被称为海洋中的“热带雨林”。我国南海拥有200多个珊瑚岛、礁与沙洲, 是世界海洋珊瑚礁最丰富的区域之一。近年来, 由于全球气候变化和围填海等人类活动的影响, 珊瑚礁生态系统受到了不同程度的影响或破坏, 危及海洋生态与岛礁安全, 珊瑚礁生态系统的修复至关重要。本文对珊瑚礁生态系统的现状、修复方法及存在的问题进行了总结, 并在此基础上创新性地提出了基于系统的珊瑚礁多维生态系统修复模式并付诸实践, 以期提供更有效的珊瑚礁生态系统修复新方法。     

Remote sensing expert system of South China Sea coral reefs

Ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｓｅａ　ｃｏｒａｌ　ｒｅｅｆｓＷａｎｇＹａｎｆｅｎｇａｎｄＬｉｕＢａｏｙｉｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ...     

沉积物对珊瑚礁及礁区生物的影响

海水中日益增多的悬浮物和泥沙沉降是导致珊瑚礁严重衰退的原因之一。沉积物覆盖在珊瑚礁生物表面,影响其呼吸作用,而海水浊度的增加会减少光合作用的可利用光。过多的沉积物改变了礁区的物理以及生物过程,从而对珊瑚礁生态系的结构和功能产生不利影响。为了有效评估珊瑚礁的变化趋势,如优势种丰度以及空间分布的变化等,应用标准的监测方法进行长期监测对于掌握这一复杂生态系统的变化是非常关键的。综述了沉积物对珊瑚生长率、生长形态、代谢和繁殖与补充以及礁区生物的影响,并指出未来的研究方向,以期为珊瑚礁的保护提供参考。     

国际珊瑚礁领域研究现状及知识图谱分析

采用文献计量和科学知识图谱的方法,对1902—2017年期间国际珊瑚礁研究领域的科技论文进行了分析。结果表明,与西方海洋研究领域先进国家相比,我国在珊瑚礁研究领域起步较晚,但近5年发展迅速,并在论文影响力、国际合作和研究技术发展方面有待加强。针对研究结果提出了我国珊瑚礁研究的发展建议,本研究将为了解当前国际珊瑚礁领域的研究现状和发展态势以及我国今后珊瑚礁保护方面的政策制定、项目规划和科学研究提供情报参考。     

SPOT5数据东沙环礁珊瑚礁遥感能力分析

对于大面积的大比例尺珊瑚礁遥感制图而言,SPOT5数据是一种高性价比卫星遥感资料.以Quickbird2数据对东沙环礁珊瑚礁的分类、解译的矢量结果作为该区域实际的珊瑚礁分布,以此为基础分析SPOT5数据的珊瑚礁遥感制图能力.SPOT5只有两个水体穿透信道,从基于光谱数据的分类角度看,以XS1通道为准的珊瑚礁信息提取易将高反射的沙底质归为珊瑚礁;以XS2通道为准的珊瑚礁分布制图存在提取不足问题.由于空间分辨率提高,对潟湖淤泥质中的珊瑚礁提取能力较强,要优于ETM数据.结合ETM数据及PCA融合后的SPOT5的遥感解译结果,能提高SPOT5数据的制图能力.     

Grazing on coral reefs facilitates growth of the excavating sponge Cliona orientalis (Clionaidae,Hadromerida)

Although bioerosion is among the most destructive forces on coral reefs, indirect effects influencing the bioerosion dynamics are understudied. Here, I assess the hypothesis that coral reef grazers indirectly facilitate proliferation of bioeroding sponges by removing epibiotic fleshy seaweeds from the Great Barrier Reef. This study quantifies the degree of spatial correlation between the distribution of bioeroding sponges and the distribution of grazing pressure, as evidenced by the abundance of seaweed and parrotfish bite marks. While the sponge tissue area was negatively correlated with seaweed coverage, the number of parrotfish bite marks was associated with less algae and more sponge tissue. Several factors derived from grazing on seaweeds may facilitate sponge growth: increases in the availability of light may favor primary production by symbiotic zooxanthellae and thereby increase growth of bioeroding sponges; on the other hand, sponge settlement may be facilitated on grazed substrates. All these factors are likely related, and contribute to an increasing erosion of coral reefs. Similar processes have recently been described in Mediterranean ecosystems, suggesting that the interactions I document here, could be widespread.     

Current trends of space occupation by encrusting excavating sponges on Colombian coral reefs

Some sponges of the genus Cliona (Porifera, Hadromerida, Clionidae) simultaneously excavate and encrust calcareous substratum, competing aggressively for illuminated space with corals and other organisms. To interpret current trends of reef space occupation, the patterns of distribution and size of three Caribbean species were examined at San Andrés Island and Islas del Rosario in Colombia. While Cliona aprica was ubiquitous, C. caribbaea (= C. langae) preferred deep and protected reef zones, and C. tenuis shallow and wave‐exposed settings. In contrast to the effect on other excavating sponges, chronic exposure to raw sewage did not significantly increase the abundance of the studied sponges. Substratum occupation/availability ratios showed a positive tendency of the sponges toward certain coral skeletons, and a negative or neutral tendency toward calcareous rock, indicating that establishment may be easier on clean, recently dead coral than on older, heavily incrusted substratum. High relief generally limits sponge size to that of the illuminated portions of the substratum. A generally lower proportion of small individuals than of larger ones indicates currently low recruitment rates and low subsequent mortality. Successful events of higher recruitment seem to have occurred for C. tenuis. These are related to the massive acroporid coral die‐off in the early 1980s and to asexual dispersion during storms, resulting in a current 10% substratum cover. Reefs with high coral mortality were and/or are thus more susceptible to colonization and subsequent space occupation by these sponges, although relief may prevent space monopolization.     

Rehabilitation of damaged reefs: Outcome of the use of recently broken coral fragments and healed coral fragments of pocilloporid corals on rocky boulders

The use of two types of coral transplants on rock boulders was evaluated as a low‐cost alternative for rehabilitation of live coral coverage in localities whose reef structure has been reduced considerably. Transplant success between recently broken coral fragments (BCF) and healed coral fragments (HCF) was compared assuming that initial fragmentation accelerates the attachment of corals by regeneration stimulation. Two sets of both types of transplants were started during the dry and rainy seasons to contrast the effect of environmental stability on transplant survival, vertical growth and horizontal growth over 12 months. The technique provided adequate conditions for coral development, as transplants responded satisfactorily. BCF showed higher success than HCF in attaching to the substrate (up to 98 ± 4% versus 86.4 ± 18.9% after 9 months) during both seasons and also showed a greater increase in height (209.63 ± 43.65% versus 124 ± 15.83%) and diameter (107.26 ± 25.75% versus 99.98 ± 19.74%) during the rainy season. Boat anchorage caused mortality in transplants started during the dry season (less than 10% for BCF versus 37.2% for HCF) while the impact of Hurricane Polo in October 2014 caused higher mortality in transplants started during the rainy season (up to 55%). We conclude that (i) coral transplantation on rock boulders is a good choice to restore damaged coral communities, (ii) BCF seems to be the best source of transplants for pocilloporid corals, and (iii) although high light availability during the rainy season enhances transplant growth, the stable, low energy conditions in the dry season facilitate initial transplant attachment and high survival.