海洋论坛▏南海珊瑚礁地貌的高分辨率遥感影像分类

一、引言

中国南海是位于中国南部的陆缘海，被中国大陆、中国台湾岛、菲律宾群岛、大巽他群岛及中南半岛所环绕，是中国最大的外海。由于南海珊瑚岛礁的特殊的地理位置和主权归属，目前日益凸显其重要的战略价值。尤其是南沙群岛的岛、洲、礁、滩总计达200余个，常年出露礁石11个，低潮时出露礁坪或礁石的干出礁52个，环礁为主要形态的干出礁有44个。传统珊瑚礁调查是采取潜水实地测量的方法，不仅费时费力，而且无法获取大面积的观测数据，尤其是难以了解远岸及他国非法侵占珊瑚礁区的状况。遥感技术作为大面积、实时的全球观测技术，是调查和监测大范围珊瑚礁状况的一种有效手段。在过去的20年中，随着遥感的时空分辨率提高，利用遥感技术绘制和监测珊瑚礁生态系统及其上覆水体和周边海洋大气环境的能力得到了迅速扩展，遥感已成为对珊瑚礁生态系统进行制图、监测与管理的一个基本工具.在国际上，Hochberg2011用遥感数据绘制珊瑚礁特征和过程，具体包括珊瑚礁的覆盖范围、构成(例如底栖生物覆盖、栖息地特征等)、生物物理属性(例如水深、水质、海面温度等)、生物地球化学特征(例如初级生产物、钙化)、地质特征(例如地貌、沉积物多样性)等。我国有关珊瑚礁地形地貌遥感的研究，起步于20世纪90年代.刘宝银(1997，1998，1999，2000)和郝庆祥(2001)提出了南沙珊瑚环礁遥感复合信息熵的概念，构建了南沙群岛封闭环礁空间结构的遥感信息树模型，模拟了南沙珊瑚岛礁顶部地理数据的空间分布及其区域性变化趋势，由此为封闭与准封闭环礁演化的可比性模型提供基础依据。本文以珊瑚礁遥感技术为出发点，研究了珊瑚礁的地貌类型，总结了珊瑚礁遥感影像地貌分类的标准，探讨了遥感影像地貌信息解译的依据，并以南海部分典型环礁为例，采用监督分类的方法对其进行了地貌分类，同时讨论了影像分辨率对影像地貌分类的影响。最后展望了珊瑚礁遥感技术在南海岛礁浅海区域获取海陆资料的前景。

二、珊瑚礁地貌特征

珊瑚礁地貌分类的标准很多，依据不同的分类尺度，有不同的分类标准。综合国内外对珊瑚礁的分类，主要有以下三种分类标准。⒈ 按水深分类发育在30m以浅的礁滩对人类海上活动的影响最大，是类型划分的重点。国家技术监督局发布的航海图编绘规范中将30m以浅岛礁按水深分类分为岛、暗滩、明礁、干出礁、适淹礁、暗礁6种，也有学者将其分为岛、沙洲、暗礁、滩、暗沙5类。在综合考虑前二者的分类特点后，对于干出礁类型，再按产出地貌特点进一步划分，便于利用。将发育在环礁礁坪上的干出礁称为台礁坪，发育在台礁上的干出礁仍称之为台礁。另外多数暗滩因水较深且在中分辨率遥感图像(如TM影像)图像中不易反映，在遥感影像上主要可见发育其上的暗礁和暗沙，特称之为滩上暗礁、滩上暗沙，简称为滩上礁、滩上沙；对发育在环礁内的礁体称之为澙湖点礁。综上所述，可以将南沙岛礁分为自然岛、沙洲、人工岛、干出礁、适淹礁、暗礁、暗沙、滩上暗礁、滩上暗沙、滩、澙湖点礁共11类。下图表示岛礁分类剖面示意图，由于台礁与台礁坪仅是地貌类型不同，在图中统一用干出礁表示，下面分述各类特点和遥感影像特征。图１ 瑚礁分类剖面示意图⒉ 按形态分类按珊瑚礁形态，可将珊瑚礁分为台礁、独立环礁、复合环礁3类。环礁是南沙群岛珊瑚礁发育的一种主要形式，台礁多由环礁演变而成，其影像特征分述如下。①台礁。是指独立生长，中部无澙湖的平台状礁体，属于环礁发育到晚期的产物，影像上呈淡蓝灰色孤立块状体，多属干出礁。②独立环礁。在海中孤立出现环状礁体，由向海坡、礁坪、澙湖坡、澙湖组成，礁湖位于中心，被礁坪环绕，大部分礁坪位于潮间带，呈环状影像，色调较浅，环的中部色调较深为礁湖，礁坪断开部分称之口门，影像形成断续的环形体，礁坪向海一侧称之为向海坡，礁坪向澙湖一侧是澙湖坡，由礁坪向外海方向或向澙湖方向，其影像色调逐渐变深，平面形态呈带状体。③复合环礁。复合环礁是由若干个小礁围绕着较大的礁湖而成的环状群礁体，其中组成群礁的某一部分或几部分，礁体本身又有独立澙湖。复合环礁一般范围广，有巨大的浅水礁盘，它可以包括有很多的干出礁、暗礁和沙洲、岛屿。中间澙湖面积很大，水也较深，并有多个口门与外海相通，船只可从口门进入礁湖避风和捕捞作业。在遥感图像上反映出的是由珊瑚岛、环礁、暗礁、沙洲等呈断链状围成的大环礁体。郑和群礁则是一个复合环礁地貌形态。见图2。图２ 和群礁⒊ 按发育程度分类环礁在发育过程中，受构造运动的影响，礁体上升成为上升礁或下降成为沉没环礁。礁体发育良好可形成封闭型环礁。针对多种多样的环礁地貌特点，按发育程度将环礁地貌分类，有利于分析环礁地质环境的稳定性。①典型环礁。珊瑚礁体在影像上呈环状，围绕着一个浅水澙湖，礁体上发育有沙洲、岛屿，还有若干口门，澙湖中还有点礁，如黄岩岛。图3  黄岩岛②沉没环礁。指曾发育在潮间带的环礁，沉没于潮间带以下，形成暗沙。图像上仍可见模糊的环状礁坪影像，如乐斯暗沙和永登暗沙。 图４ 乐斯暗沙图５ 永登暗沙 ③封闭环礁。珊瑚生长良好的环礁上，在图像上礁环呈较为完整封闭的环形，口门已不复存在，即使低潮时，澙湖也不能与外海进行水体交换，该环礁形成的的地质环境稳定，仙娥礁、舰长礁等均属此类环礁。 图６ 仙娥礁图７ 舰长礁 ④准封闭环礁。存在数量不等的口门，遥感环状影像断续相连，环内澙湖与环外深海之间能进行海水交换，美济礁、半月礁等均属于该类。图８ 半月礁⑤半开放环礁。礁体发育虽呈现环礁形态，但部分礁环仍在水下，尚未发育成礁坪，口门众多，尚宽且深，深部澙湖水与外海水交换畅通，与准封闭环礁比较，环状影像连续性差，五方礁、仙宾礁等即属此类环礁。图９ 仙宾礁⑥台礁化环礁。当小型环礁发育进入晚期，向台礁类型转化。具体表现在随澙湖礁坪的内侧增长和点礁的扩大，生物碎屑的堆积、澙湖逐渐成为残留浅水礁湖，进而分化为很多礁塘，底部堆积着生物碎屑，影像似块状，已近似块状台礁的影像特征，半路礁即为一例。图10 半路礁⑦环礁链。因环礁的下沉所致，礁坪下沉后，有利于周边珊瑚礁的生长，致使在下沉的礁坪上又发育成为小型环礁。小型环礁的澙湖系原礁坪部分，深度相对较浅。影像呈链状，即若干个小环状影像断续相接，形成一个大的环形影像，除澙湖内少数点礁外，大环内外色调较深，九章群礁就是较为典型的环礁链地貌。图11 九章群礁

三、珊瑚礁遥感影像地貌信息解译的依据

珊瑚礁遥感图像中所表观的珊瑚礁地貌信息十分丰富，除了形态特征与形成这一形态的物质特征和结构之外，我们期望能够解译其成因、发育演化与空间分布规律。从珊瑚礁遥感影像的空间、光谱、时间特征上，将珊瑚礁遥感影像地貌信息解译的依据分为以下6个特征。⒈ 珊瑚礁影像几何特征从珊瑚礁体的发育，具体到环礁的每一演化过程，所涉及到礁坪、潟湖、口门、走向与空间尺度等彼此间有所不同，大小环礁的几何形态也不尽相同，水上和水下环礁几何形态也有所不同。如纺锤形环礁，以南沙的郑和群礁为例，其形成主要受东北和西南季风的影响，珊瑚礁体不断向东北及西南方向加速生长，这类环礁以南沙的巨大环礁表现最显著，这与环礁长期发育历史有关；又如长条形环礁，以南沙的大现礁、蒙自礁等为例，其系沿基底隆起轴做S-N或NE-SW向伸展，多属小环礁；再如圆形及椭圆形环礁，也以南沙群岛的美济礁、舰长礁等为例，其形成受基底地形的控制，但邻近赤道带陆架上的南屏礁与海宁礁等圆形环礁，可能受无风带的影响；另如三角形环礁，以南沙的东礁和三角礁等为例，其主要是礁缘一部分特别发育所致。而多角形环礁，以南沙的仙宾礁及五方礁等为例，因诸环礁为4～5块礁体发育较好，控制了该环礁的形态。这就是依据珊瑚礁体的几何特征信息，分析其形成的主导因素，解译出其空间分布的环境条件之区域限制性。除上述外，还要依据所采用的信息源及其精度、比例尺、地面覆盖范围、相应表现的珊瑚礁最大与最小的详细性等进行匹配分析。⒉ 珊瑚礁影像光谱特征珊瑚礁光谱特征信息是以色调的类别、强弱与反差，珊瑚礁体的大小、高度、宽度、长度、深度与它们之间组合关系所形成的立体结构之形体特征，这些形体特征的光谱信息表征在影像中则得以可解译性。在大约15～20m深度，就很难区分珊瑚礁水下地形。利用激光雷达深度测量法，可以扩展到40m深度。遥感器获取航片，利用航片载负的各波段光谱值在不同区域的正确反映，就可以解译出光谱对应的地物地貌，反映出该地段的地貌特点。①不同珊瑚礁地貌具有不同的光谱特征如环礁与暗滩这两种不同的地貌类型在影像中，前者是环状亮带，中间多呈圆形、椭圆形或长条形水域的深色调，即低反射率为形态特征；后者的整个形体影像色调偏暗，边缘不清晰，几何形状随意性大，且不同谱段其影像差异较大。②相同的珊瑚礁地貌在不同谱段影像中光谱特征不同由于不同谱段穿透水的能力不同，如蓝绿谱段穿透水的能力相对其他谱段为深，所以同一类型珊瑚礁地貌在蓝绿谱段影像中往往能够清晰显现，而在其他谱段该珊瑚礁地貌难以显示。当形体差异不明显，但物质组成及结构部位不同，地貌则显现有所不同。如由于礁体发育较高，顶部到达低潮面，堆积着很多珊瑚沙，以至发育成小沙洲，使之礁坪外侧色调较淡。而在潟湖边缘，珊瑚较稀疏，礁坑发育(密度与高差不同)，到处散布有薄水层，导致影像色调不同。南海珊瑚礁遭遇风暴潮的时机是比较多的。当风暴潮把珊瑚礁砾石抛向礁坪上，而地貌实体并没有明显表现时，礁坪的光谱则有所改变，即在相同时相条件下反射率相对降低，颜色灰度趋于低反差。同时表明风暴潮袭来的方向。③)相同珊瑚礁地貌类型在不同影像中光谱特性不尽相同此系形成遥感影像的谱段不同造成的。当然，图像比例尺也影响影像的清晰性与可解译性。⒊ 珊瑚礁影像时间特征珊瑚礁影像的时间信息一定程度上能够解译出珊瑚礁地貌的形成、发育演化特征与分布规律。无论是环礁、台礁或其他类型的礁体，只要它们系低潮时相的影像，均能直观显现其整体特征。如高潮位的TM 图像信息远没有低潮位的MSS图像信息丰富，这是水对光的衰减所致。即使在低潮位时相的卫星图像中，一些礁滩的影像仍呈现小反差、边界不清晰、断续发育的礁体影像。从形态结构特征上反映了珊瑚礁滩仍处于低潮面下，但正向低潮面发育生长。⒋ 珊瑚礁影像数学参数由遥感融合信息确定每一岛礁的地理坐标(x，y)与所设低潮为标准面的相对高程(h)，并用最小二乘法将其化成回归分析问题，可对珊瑚礁地貌类型进行趋势面计算。另外，将高分辨率遥感融合信息确定的口门宽度与礁体中轴线长度之比为指标建立的经验式，可用来划分环礁开放程度类型。如以封闭型环礁的开放度为0，准封闭型环礁的开放度为0～0.06，半开放型环礁的开放度为0.06～0.25，开放型岛礁的开放度为0.25～1采用这一量化表达式反映南海环礁的开放程度类型，可为珊瑚环礁的开放程度发育规律研究提供科学工具。

四、珊瑚礁遥感影像地貌分类实例

本文综合珊瑚礁地貌的特征和遥感影像地貌信息解译的依据，应用资源三号高分辨率遥感影像(来源：中国资源卫星应用中心网站http://www.cresda.com)，可以对珊瑚礁地貌按照九大类，即外礁坪、礁凸起、珊瑚丛林带、珊瑚稀疏带、潟湖坡、礁盆浅水区、礁盆深水区、点礁和沙进行解译和分类。解译的标识见表1。表1 岛、礁、滩、沙分类定义及影像解译标志的描述以南沙群岛的半月礁和中沙群岛的巨大水下环礁黄岩岛为例，它们都是典型的、形态发育良好的珊瑚环礁。黄岩岛是中沙群岛唯一出水岛礁，又称民主礁，位于15°08′N～14′N，117°44′N～48′N，中沙大环礁以东约170nmile，为半封闭型干出独立深海大型环礁。礁体呈等腰三角形，腰长约13km，周长约46km，面积约130km2。礁坪水深约3m。应用资源三号高分辨率遥感影像，可对黄岩岛区域地貌类型划分为11类，即：外围深水区、外礁坪、礁凸起、珊瑚丛林带、珊瑚稀疏带、潟湖坡、礁盆浅水区、礁盆深水区、点礁、水下暗沙及裸露沙滩。见图12。图12 黄岩岛遥感影像地貌分类示意图半月礁位于8°52′N，116°16′E，因形似半月而得名，是准封闭型环礁，扼守南华水道东段，距离菲律宾巴拉望岛63nmile，比黄岩岛还靠近菲律宾。其分类结果见图13。图13 半月礁遥感影像地貌分类示意图

五、结束语

通过提高影像的分辨率，在识别解译影像，对地貌进行分类时可以提高分类精度，提高地物分辨的详细程度。但是，珊瑚礁遥感有其自身的特殊性，在应用地貌分类时应考虑以下几个方面的影响。⒈ 水体的影响由于珊瑚礁通常生活在浅海区域，因此水表的遥感反射率不仅包含了栖底物质的信息，而且也包含了珊瑚礁上层水体的信息(包括深度和光学特性)。为了从遥感信号中提取栖底物质的信息，必须准确地纠正水体的影响，这需要知道像元尺度上的水深以及水体的消光系数，而这些参数的获取并不容易。此外，水面状况和水表反射光也影响遥感信号，这进一步增加了栖底物质信息获取的难度。⒉ 栖底物质光谱的复杂性珊瑚礁的栖底物质主要包括珊瑚、海藻、海草、沙等，前三类物质体内或多或少含有某些光合色素，因此反射光谱特征具有很大的相似性。而每类物质又包含很多亚类，如珊瑚可以根据形态细分成枝状、块状、半球状珊瑚等，海藻可以根据颜色分成褐藻、红藻等。这就造成了某些类别内部光谱特征异质性强而类别之间光谱特征又具有相似性的状况，给栖底物质的遥感分类工作带来了很大的障碍。⒊ 混合像元珊瑚礁空间异质性很强，栖底物质的存在尺度一般都在几厘米到十几米之间，空间分辨率为20～30m的图像上(如TM或SPOT图像)很难有纯像元。此外，珊瑚礁上层水体及其表面波浪的存在使得遥感影像上栖底物质光谱混合的机理更加复杂化。⒋ 传感器的局限性目前还没有针对监测珊瑚礁而专门设计的卫星传感器，这恰恰又是很有必要的，水域环境下的辐射亮度变化范围小，只占陆地卫星传感器对辐射亮度整个响应范围的很小一部分，因此降低了图像的对比度。陆地卫星传感器波段设计不够合理，水体穿透性能好的波段很少(一般不超过4个)，很难体现不同栖底物质的光谱特征。为适应海洋大发展趋势和海军信息化作战需求，研究应用遥感影像进行珊瑚礁地貌分类和岛礁水深反演技术，为珊瑚礁区快速动态监测提供决策支持，具有重要的意义和价值。

■文/吴迪 范海 刘庆 黄文骞 魏帅，第一作者吴迪，1978年出生，女，山东济南人，讲师、博士，主要从事海洋遥感测绘技术研究。本文来源于《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十七届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，参考文献略，版权归《海洋测绘》所有。其他平台如要转载，请备注作者与出处。

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