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《广州大学》 2017年
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西沙群岛七连屿周边珊瑚礁光谱分析及分类研究

杨君怡  
【摘要】:珊瑚礁是海洋生物重要的栖息地,具有重要的生态和经济价值。目前,珊瑚礁正面临着快速退化和死亡的严峻形势,这不仅严重影响珊瑚礁底栖生物的生存环境,也给人类带来了巨大的经济损失。遥感技术作为大尺度、实时的对地观测技术,是获取大面积珊瑚礁信息的有效手段。珊瑚礁底质光谱反射率相似性和多样性等因素会严重影响珊瑚礁遥感监测的结果,因此开展对珊瑚礁底质光谱反射率的特征研究是十分必要的,也是珊瑚礁遥感研究的基础工作。从光谱角度识别和区分珊瑚礁底质地物类型,是目前珊瑚礁遥感研究的热点和难点。本文以西沙群岛七连屿周边海域作为研究区,采集珊瑚礁底质主要地物进行光谱测量和分析,进而研究各底质地物的反射率光谱特征。同时,基于珊瑚礁各底质地物的光谱特征,采用微分变换、主成分分析和构建支持向量机模型等多种方法,从光谱角度识别和区分珊瑚礁主要底质的类型以及珊瑚不同生长状态的光谱特征。主要研究结果如下:(1)开展西沙群岛七连屿周边珊瑚礁调查,对研究区典型岛礁底栖生物的组成和生存环境有了初步的了解,采集造礁珊瑚、非造礁珊瑚、海藻海草、钙质砂等样品,为珊瑚礁光谱分析提供数据支撑。建立西沙群岛七连屿周边海域的珊瑚礁光谱库,光谱库收集了石珊瑚、软珊瑚、海藻海草、钙质砂、海星、海绵等多种底质地物的光谱数据,其中石珊瑚包括了鹿角珊瑚、杯形珊瑚、蔷薇珊瑚等多种七连屿海域主要的珊瑚种属。同时,测量了水面光谱,水面以下的底质类型主要为珊瑚、沙、海草、礁石等。目前,本文珊瑚礁光谱库共存储105条底质样本光谱和44条水面光谱,为研究区珊瑚礁光谱特征分析提供了基础数据。(2)研究区珊瑚礁不同底质间存在光谱差异,对健康珊瑚、白化珊瑚、海藻、海草、藻类覆盖的死珊瑚和钙质砂的光谱进行分析。钙质砂的光谱在可见光波段明显高于其它类,光谱曲线简单平直,最容易被区分。白化珊瑚由于体内色素的损失,原始光谱反射率整体升高,光谱在400-700nm之间有不同程度的起伏变化,在450-550nm和675nm吸收峰处增幅明显,很容易辨别。健康珊瑚的二阶导数光谱在350-375nm、500nm、560-610nm、675nm和700nm波段附近与其他地物的差异较明显。海藻和海草的二阶导数在440-460nm、505-520nm、560-610nm和675nm附近有差异。海藻和藻类覆盖的死珊瑚二阶导数曲线几乎十分接近,但在振幅大小上有差异,在560-600nm和650-700nm海藻的二阶导数的凹凸性表现更剧烈。海草和藻类覆盖的死珊瑚二阶导数曲线,在510nm、575nm、680-690nm、700-710nm波段范围内可以被区分。(3)不同生长状态的珊瑚存在着光谱可分性,对健康珊瑚和白化珊瑚的二阶导数光谱进行分析,光谱曲线在550nm、570nm、610nm、625nm波段附近光谱波形相反。健康珊瑚和白化珊瑚的二阶导数光谱在350-525nm和650-700nm之间存在着差异,依据这些光谱特征可以分离健康珊瑚和白化珊瑚。同时,研究区白化珊瑚光谱曲线具有规律性,本文依据白化珊瑚的光谱特征和白化的不同程度,将白化珊瑚分为了白化初期、白化中期、严重白化和藻类覆盖死珊瑚4个阶段,并总结不同白化阶段的光谱特征。(4)对健康珊瑚、白化珊瑚和藻类覆盖死珊瑚进行主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)建模分类。PCA分析结果得出,大多数的方差在第一主成分中解释,配置给3类光谱的负荷都很高,分别为健康珊瑚的94.4%,白化珊瑚84.5%,藻类覆盖的死珊瑚91.8%。表明同种状态光谱数据集内变化有限,因此认为第一主成分是在数据集内代表性的光谱。SVM建模分类结果得出,采用原始光谱反射率作为数据建立的模型,测试准确率达到了92.86%,精度最高,14个测试样本中有13个分类正确,1个分类错误,并对分类错误的白化珊瑚数据进行了详细的分析。
【学位授予单位】:广州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q178

【参考文献】
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