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珊瑚礁遥感监测方法研究

徐兵  
【摘要】:在气候环境变化和人类活动的双重影响下,全球珊瑚礁正面临着严重的危机,有可能成为第一个因全球变暖而消失的生态系统。遥感技术可以快速、大面积、周期性地获取全球范围内珊瑚礁的各类信息,已经发展成为珊瑚礁调查和监测的主要手段。为了更有效地保护珊瑚礁生态系统,研究适用于我国珊瑚礁遥感监测的技术与方法,具有重要的现实意义。 本文以广东徐闻珊瑚礁保护区为研究区域,开展珊瑚礁水下地形遥感反演、底质光谱特征分析、珊瑚信息提取、健康状态变化检测等相关技术研究。主要结果如下: (1)基于研究区TM遥感影像和水深数据,建立了珊瑚礁区水下地形的遥感反演模型。基于水深反演专题图,结合珊瑚礁生态地貌特点,初步划分了珊瑚礁水下生态带。通过遥感解译从更宏观的角度描述了珊瑚礁水下地貌概况,表明了水深遥感方法在珊瑚礁区水下地形反演中的可行性。 (2)通过对珊瑚礁不同底质的光谱测量与特征分析,研究发现各类底质光谱反射率总体上呈现出一个高反射区(400~580nm)、快速衰减区(580~740nm)和一个低反射区(740~900nm),不同的底质光谱之间存在特征差异,且底质光谱反射率受到水深和水质环境的影响较大。对比野外实验采集的五种珊瑚优势种的光谱反射率,研究发现不同珊瑚优势种之间光谱特征存在明显差异。同一种珊瑚在健康与白化两种状态下光谱之间也存在明显差异,通过光谱的一阶微分处理可以更清晰地发现这些差异。而对于同属不同种的珊瑚而言,其光谱差异非常细微,光谱可分性较差。通过对ETM+、QuickBird、IKONOS和SP0T5等几类常用的传感器进行光谱响应分析,结果表明:对于简单的底质粗分类,这几种传感器都能够有效发挥作用;而对于更细致的底质精分类,则需要借助高光谱资料进行更深入的分析。光谱测量与分析为遥感监测工作的后续开展提供了光谱学基础,也为遥感数据源选择和底质分类提供了依据。 (3)通过研究珊瑚信息提取方法,在水深反演基础上提出利用礁盘水深识别模型来提取大型礁盘信息。结果表明:应用该模型能够提取出潜在的大型礁盘信息,但是受模型精度的影响对一些礁盘存在误判情况,结合野外调查数据进一步检验,能够更准确地识别大型礁盘。基于底质光谱特征,应用高空间分辨率QuickBird影像对珊瑚礁底质进行粗分类研究,采用监督和非监督分类分别提取出珊瑚信息,并作对比分析。分析结果表明:提取的珊瑚主要分布于近岸lkm附近的区域,水深2m以浅范围;监督分类提取珊瑚信息的精度约为71%,高于非监督分类的精度。受水深和遥感数据影响,底质信息提取的精度还有待进一步提高,研究工作初步建立起了珊瑚礁浅海底质信息提取的思路和方法,为后续的研究提供了参考。 (4)基于珊瑚礁生态系统的空间特征,研究基于多时相影像空间统计的变化检测方法,利用该方法识别出珊瑚礁健康状态发生变化的区域。论文对研究区2004、2007和2010年三景TM影像资料进行空间局部自相关统计分析,结果表明:三个不同年份局部区域表现出了较为明显的空间统计变化特征,空间低值聚集区和高值聚集区变化较为明显,反映出了2004~2010年研究区范围内生态系统的总体变化趋势。通过对2004~2010年间的4个野外调查样方资料进行分析,对其空间统计上的变化趋势进行了遥感解译,结果证实了变化检测方法的有效性。此外,受连续多年的强台风影响,近岸海域覆盖了大量的死亡珊瑚碎片和泥砂混合物,空间统计分析上近岸区域表现为明显的同质性增强趋势,表明了珊瑚礁生态系统受台风灾害影响较明显。该变化检测方法具有对深度、水体等不太敏感的优点,降低了实际应用难度,为珊瑚礁遥感动态监测提供了一个新的思路。 本文研究了珊瑚礁遥感监测方法,讨论了遥感技术在珊瑚礁资源调查与动态监测方面的可行性,对一些技术和方法的具体应用进行了尝试。珊瑚礁生态系统具有较强的区域特征,虽然以徐闻保护区为例取得了初步的结果,但是未来还需要在水下光谱、物理模型、水体影响、多源遥感相结合等方面开展深入研究。


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