珊瑚礁是热带海洋中浅水造礁石珊瑚虫体和其他附礁生物的遗骸经过胶结作用形成的^[1], 是海洋中一类极为特殊的生态系统, 被誉为“海洋中的热带雨林”、“蓝色沙漠中的绿洲”^[2], 在所有海洋生态系统中的生物多样性和初级生产力最高, 用仅占海洋生态系统0.2%的面积提供了占海洋生态系统2.85%的价值和服务^[3], 全世界至少有96个国家和地区从珊瑚礁旅游中受益^[4], 对珊瑚礁及其生态系统进行研究是当今健康海洋领域的重要部分^[5]。全球珊瑚礁主要分布在赤道两侧热带海洋中的大陆和岛屿沿岸, 太平洋、印度洋和大西洋分别占55%、30%和15%^[6-7]; 中国的珊瑚礁约占全球珊瑚礁总面积的5%^[8], 其中分布在广东、广西、海南岛和台湾岛的为珊瑚岸礁, 分布在南海诸岛的为珊瑚岛礁^[9]。

南海珊瑚岛礁是中国开发、利用、保护与管控南海的重要支点, 除具有一般珊瑚礁生态系统的功能外, 还对维护中国海洋权益和海洋地位具有独特作用。因此, 对南海这些珊瑚岛礁进行精细调查和分析意义重大, 既是对珊瑚岛礁资源进行开发利用和管理保护的支撑, 也是开展岛礁工程建设、保障航行安全以及维护国家海洋权益和领土完整的重大需求。但是, 受自然环境条件和权益争端等因素的限制, 南海这些珊瑚岛礁大多不易或不宜进行大范围、高频次的现场调查。一是因为珊瑚岛礁周边珊瑚丛生, 礁滩水浅, 调查船和测量人员不易进入现场进行实地测量, 且南海岛礁分布广泛, 全部遍历这些区域较为不易且效率不高; 二是由于中国南海的部分岛礁及附近海域被周边国家非法侵占, 不宜开展现场实地测量。

遥感是一种非接触式的调查手段, 具有大面积同步覆盖、对同一区域进行重复监测、有长时间序列历史存档影像、不受区域可达性限制和现势性强等优势, 尤其高分辨率遥感还具有较高的空间分辨率和定位精度, 已被证实是开展珊瑚岛礁调查与监测的一种有效技术手段^[10-12], 多平台、多传感器、多种空间和光谱分辨率的遥感数据被应用于珊瑚岛礁遥感研究^[13-15]。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高分遥感监测的基础。

南海珊瑚岛礁中, 西沙群岛较东沙群岛、中沙群岛及南沙群岛更易进入, 且西沙群岛的珊瑚礁生态系统具有代表性, 珊瑚种类多、分布广。因此, 本文以西沙群岛为研究区, 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, 并在现场调查数据的辅助下, 建立基于高分辨率遥感影像的珊瑚岛礁遥感解译标志, 可服务于中国南海珊瑚岛礁的动态监测, 进而为珊瑚岛礁的保护、可持续利用和安全管理提供数据支撑。

1 研究区域和数据 1.1 研究区概况

西沙群岛位于南海中北部, 在南海诸岛中拥有的海岛数量最多、岛体陆域总面积最大^[16], 分布有海拔最高的海岛(石岛, 最高处海拔15.9 m)、唯一胶结成岩的岩石岛(石岛)和唯一非生物成因海岛(高尖石, 为海底火山喷发形成熔岩露出海面的火山岛)^[17]; 其中, 永兴岛面积最大, 为2012年7月24日成立的海南省三沙市人民政府驻地。

1.2 研究数据

本文以高分辨率遥感影像QuickBird和国产高分一号宽幅影像GF-1 WFV为主要数据源。QuickBird卫星影像空间分辨率很高, 为0.61 m, 适用于提取面积较小的珊瑚岛、珊瑚礁沙洲和干出珊瑚礁信息; GF-1 WFV卫星影像空间分辨率为16 m, 单景幅宽200 km, 适用于提取面积较大的珊瑚暗礁/暗沙/暗滩信息; 以西沙群岛现场调查数据、历史调查报告和海图等为辅助数据源, 为珊瑚岛礁分类体系和遥感解译标志建立提供必要的参考信息。

1.2.1 遥感影像波段选择

根据QuickBird和GF-1 WFV多光谱影像的波段设置, QB1(指QuickBird影像的波段1, 以下类同; 450~520 nm)和WFV1(指GF-1 WFV影像的波段1, 以下类同; 450~520 nm)为蓝光波段, 波长最短, 光在水中衰减最小, 穿透海水的能力最强, 反映的水下信息最为丰富, 适用于提取向海坡、珊瑚暗礁等水下类型; QB2(520~600 nm)和WFV2(520~590 nm)为绿光波段, 透水能力要弱于蓝光波段, 两个波段组合对礁坪信息的提取具有优势; QB3(630~690 nm)和WFV3(630~690 nm)为红光波段, 其透水能力比绿光波段更弱, 但对浅水类型具有较好的识别能力, 适用于提取澙湖等类型; QB4(760~900 nm)和WFV4 (770~890 nm)为近红外波段, 由于海水在该波段的强吸收作用使其对水下信息几乎没有反映, 但可用于提取水面以上的珊瑚岛和沙洲等地物信息。经综合考虑, 选择红、绿、蓝波段进行组合, 这种合成方式较接近自然颜色, 合成影像视觉效果与地物自然表现接近, 色调反差适中、主要信息突出。

1.2.2 遥感影像处理

遥感影像处理包括几何校正、图像融合和图像增强。由于西沙群岛地理区位的特殊性, 难以现场实测大量的地面控制点用于影像的几何校正, 大多需要利用影像的自主定位精度, 为此作者利用其在永兴岛、东岛等地实测的地面控制点, 对所用高分遥感影像进行了自主定位精度评价, 评价结果表明: QuickBird影像基本可满足珊瑚岛礁监测的需求, 而GF-1 WFV影像的定位精度要差一些, 但由于GF-1 WFV影像覆盖范围广, 可同时覆盖多景QuickBird影像所覆盖的区域, 因此利用多景QuickBird影像对GF-1 WFV影像进行了几何校正。对QuickBird影像的全色波段和多光谱波段进行融合, 基于融合影像来构建珊瑚岛礁的遥感解译标志; 因GF-1 WFV影像仅有多光谱波段, 因此未做融合处理。因南海海区云雾较多, 严重掩盖和干扰了珊瑚岛礁的影像信息, 且暗礁和暗滩分布的区域水深都较深, 因此采用在单景影像中将岛、礁、沙、滩分割成若干板块的方式, 分别进行多级增强处理, 使得岛、礁、沙、滩的信息都得到最大程度增强, 以此来最大程度地保持影像上的岛礁信息, 并尽可能地消除云雾的干扰。

2 珊瑚岛礁遥感分类体系

制定适用的珊瑚岛礁遥感分类体系是利用遥感技术手段开展珊瑚岛礁监测与分析的基础。现有研究所采用的珊瑚岛礁分类体系多是从地质地貌学和生物生态学角度建立的。陈史坚^[18]将珊瑚岛礁分为珊瑚岛、沙洲、暗礁、暗沙和暗滩5类; 潘春梅等^[19]划分的更精细, 分为自然岛、沙洲、人工岛、干出礁、适淹礁、暗礁、暗沙、滩上暗礁、滩上暗沙、滩和澙湖点礁共11类; 周旻曦等^[20]则对珊瑚岛礁进行二级分类, 先分为礁前、礁坪、澙湖、潮汐通道和灰沙岛5个一级类, 再以生物物理作用分出若干二级类; 环礁是南海珊瑚礁发育的一种基本形式, 它和礁盘与沙洲、沙岛共同构成南海珊瑚岛礁的地形系统, 曾昭璇^[21]将珊瑚环礁细分为礁外坡、礁盘、澙湖、珊瑚岛、礁墩(点礁)和口门等。

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, 来制定应用于南海珊瑚岛礁高分遥感监测的分类体系。首先按高/低潮时的出露情况将珊瑚岛礁分为珊瑚岛和沙洲、干出珊瑚礁、珊瑚暗礁/暗沙/暗滩三大类。珊瑚岛和沙洲位于高潮面以上, 一般涨潮时也不会被淹没; 干出珊瑚礁一般涨潮时被淹没, 仅有个别高大的珊瑚礁块仍出露, 但在退潮时可露出海面; 而珊瑚暗礁/暗沙/暗滩在低潮时也不露出海面。珊瑚岛再进一步划分为灰沙岛和礁岩岛, 干出珊瑚礁再按照珊瑚礁形态进一步划分为环礁和台礁。珊瑚岛礁遥感分类体系详见表 1。

本文提出的珊瑚岛礁遥感分类体系与前人的分类体系相比, 既有相同点, 又有明显的不同。相同之处在于都是从地质地貌学和生物生态学角度建立的; 不同之处主要体现在两个方面: 一是本文建立的珊瑚岛礁分类体系更加全面、更有层次性; 二是将珊瑚台礁作为干出珊瑚礁的一个二级类型, 以环礁成熟度标志将其与珊瑚环礁区别开来。

3 珊瑚岛礁遥感解译标志

遥感影像以光谱特征、辐射特征、几何特征和时相特征等来反映地物信息^[22], 解译标志就是指在遥感影像上能具体反映和判别地物或现象的影像特征^[23], 由于“异物同谱”现象的存在, 空间拓扑关系也是关键特征之一, 通过空间拓扑约束可使解译结果更为准确。因此, 本文基于所建立的珊瑚岛礁分类体系, 利用遥感影像与实地情况的对应关系, 总结分析珊瑚岛礁不同类型在高分遥感影像上的色、形、位等特征, 建立基于高分辨率遥感影像的珊瑚岛礁遥感解译标志。

3.1 珊瑚岛解译标志 3.1.1 灰沙岛

灰沙岛大多是由沙洲长久堆积而成的, 当沙洲淤高到一定程度后, 在中、高潮位也不能被淹没, 即向珊瑚沙岛地形发育。灰沙岛地形多为一圈沙堤包绕的碟形洼地结构, 岛上植被繁茂, 普遍有麻风桐、草海桐和羊角树群落生长, 所以在遥感影像上, 灰沙岛似一圈白沙环绕着一只满载绿色的浅碟形盘子, 中部地势低平的裸地呈灰色、纹理粗糙; 沙堤外为礁坪, 发育有海滩岩, 起到保护、固定沙堤的作用, 在影像上呈蓝绿色。灰沙岛多呈椭圆形分布, 从岛体中心向外海, 沙坪、沙堤、礁盘、浅滩呈环形分布, 遥感影像上依次呈现出绿→白→蓝绿→浅蓝→深蓝的色调变化(图 1)。

3.1.2 礁岩岛

礁岩岛主要由沙子、海滩岩和珊瑚礁构成, 除少数地方覆盖麻风桐、草海桐等植被外, 大部分地方为胶结的岩礁, 在遥感影像上, 植被覆盖区域呈深绿色或绿色, 珊瑚沙堤呈白色条带状, 裸露的岩礁呈深灰色, 纹理粗糙; 海岛四周海蚀现象清晰, 岩溶地形明显可见, 遥感影像上呈现出明显的立体感(图 2)。

3.2 珊瑚沙洲解译标志

珊瑚沙洲是由海浪打碎珊瑚虫肢体或其他造礁生物碎屑日积月累在礁盘上堆积形成的, 形成年代很新, 空间位置不稳定, 在大风浪影响下, 形态多变, 面积时大时小, 且常集群出现, 受季风和海流的影响, 沙体两端顺风向移动, 有摆动的尾翼。珊瑚沙洲在影像上极易分辨, 大多无植被生长, 呈雪白色, 纹理光滑, 少数长有稀疏草本植物, 在真彩色影像上呈绿色; 部分沙洲有未坚固的海滩岩发育, 呈深灰色, 纹理粗糙; 沙堤和沙脊之间或有洼地, 呈灰色(图 3)。

3.3 干出珊瑚礁解译标志 3.3.1 珊瑚环礁

珊瑚环礁多呈圆形、椭圆形, 长径近北东—南西向, 基本上是由一圈珊瑚礁体围绕着一个浅水澙湖而成, 一个成熟的珊瑚环礁通常包括以下地貌单元: 1) 向海坡/礁外坡: 礁体外缘向海一侧较陡的急坡, 坡度近乎悬崖, 直泻下海底, 深度可达3 000 m, 通常会产生波浪破碎带, 使得有些向海坡位置在影像上呈现为白色条带状, 图 4中红色线位置为羚羊礁的向海坡。2) 礁盘: 由于礁盘外缘浪大, 给珊瑚虫带来的养料多, 珊瑚生长迅速, 使礁坪外高内低如盘状, 故名。因礁盘较澙湖和外海的水浅, 从遥感影像上能明显看出其边界线, 图 4红色线和粉色线之间的区域即为羚羊礁的礁盘; 部分礁盘上还可发育形成沙洲或沙岛。3) 澙湖坡: 礁盘向澙湖一侧称为澙湖坡, 图 4中粉色线位置为羚羊礁的澙湖坡。4) 澙湖: 由珊瑚礁体包围的浅湖地形, 水深一般不超过150 m, 在遥感影像上比外海色浅, 比礁盘色深, 呈淡蓝色, 在珊瑚生长良好地区, 珊瑚礁体能充分发育形成完整的封闭性环礁, 其澙湖为封闭式的, 如羚羊礁澙湖; 而有些澙湖则为开放性的, 如华光礁澙湖。5) 点礁: 由澙湖底部或斜坡生长上来、彼此孤立分布的墩状珊瑚礁, 在平面图上呈点状分布, 在封闭澙湖中易生成, 部分低潮时可露出水面, 在遥感影像上呈灰白色、黄色或蓝绿色, 与澙湖水体颜色明显不同, 可清晰识别。6) 口门: 开放性环礁中有许多水道连通澙湖和海洋, 这种水道称为口门, 华光礁的礁盘南部中间就有两个口门将澙湖与外海相连通(图 4)。

3.3.2 珊瑚台礁

珊瑚台礁属于珊瑚环礁发育到晚期的产物, 通常将礁冠宽度(即礁盘干出范围)与澙湖宽度之比作为环礁成熟度标志, 即:

$ M\left(成熟度\right)=\frac{{B}_{r}\left(礁冠宽度\right)}{{B}_{L}\left(潟湖宽度\right)}.$

(1)

当M < 0.1时定义为幼年期, M=0.1~0.2定义为成年期, M > 0.2时为老年期(即台礁化明显)。中建岛就是一座由小环礁向台礁方向发展而成的沙岛, 现已全部台礁化, 四周有较高沙堤, 中部洼地, 且常有积水, 在遥感影像上呈现为淡蓝灰色孤立块状体(图 5)。

3.4 珊瑚暗礁解译标志

珊瑚暗礁指低潮时也不露出海面的珊瑚礁体, 发育在环礁边缘, 最浅处水深十几米, 妨碍航行, 多有珊瑚生长, 如西沙群岛的北边廊。在遥感影像上, 珊瑚暗礁呈蓝灰或暗蓝灰色, 比外海颜色略浅, 形状呈圆形或条形(图 6)。

3.5 珊瑚暗沙解译标志

珊瑚暗沙与珊瑚暗礁相似, 也发育在环礁边缘, 低潮时不露出海面, 所不同的是物质组分以珊瑚沙为主, 如西沙群岛的滨湄滩、湛涵滩。在遥感影像上, 珊瑚暗沙呈浅蓝色, 纹理较为均匀, 色调要比珊瑚暗礁的略浅(图 6)。

3.6 珊瑚暗滩解译标志

珊瑚暗滩同样位于低潮面以下, 大多分布位置较深, 一般不碍航行, 少数较浅的在影像呈深蓝色色调, 较深的暗滩如西沙群岛的嵩涛滩, 实为一座水下平顶山, 最浅处水深232 m, 在遥感影像上无法识别。

由于珊瑚岛礁主要分布在低纬度地区, 因此在不同时相遥感影像上的表现特征差异不大, 但不同波段组合、不同图像处理方式的遥感影像上的表现特征差异很大, 因此解译标志建立时应根据应用需求选择最佳的波段组合方式和最能突出目标地物信息的图像处理方式。除解译标志外, 解译工作者的实际经验和对解译标志的掌握程度也是影响遥感解译精度的重要因素^[24]。

4 总结

制定珊瑚岛礁分类体系是有效进行岛礁遥感监测的关键, 贯穿岛礁监测的整个过程, 包括信息提取、数据统计与分析等各个环节, 适用的岛礁分类体系会提高珊瑚岛礁管理的有效性和监管的高效性。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, 给出了应用于珊瑚岛礁高分遥感监测的分类体系; 基于此, 分析了珊瑚岛礁不同类型在高分遥感影像上的色、形、位等特征, 建立了珊瑚岛礁遥感解译标志, 可以为珊瑚岛礁信息的快速提取提供支撑, 服务于珊瑚岛礁的保护、可持续利用和安全管理。