Remote Sensing | 成像光谱技术：揭开深海珊瑚礁的面纱

珊瑚礁

珊瑚礁是生物多样性和初级生产力最高的海洋生态系统之一，对人类社会与海洋生态环境的健康以及可持续发展起着至关重要的作用。随着沿海地区的发展、资源开采和气候变化不断带来的影响，珊瑚礁生态系统日益受到威胁[1]。大规模的白化事件正在广泛地改变珊瑚礁的覆盖范围和相对丰富度，并对鱼类、无脊椎动物和其他珊瑚礁群落产生连锁效应[2]。同时，礁鱼类数量的减少也会对珊瑚的健康产生负面影响，这将导致海洋生态环境从利于珊瑚为主的生态系统逐渐转向为利于藻类为主的生态系统 [3]。然而，这些变化对珊瑚礁生态系统和结构的影响还没有得到很好的量化。

据研究发现，三维栖息地的复杂程度或不规则度是衡量珊瑚礁状况的一个非常重要的指标[4]。而监测三维栖息地复杂性的一个关键点在于空间分辨率和测量技术的可重复性。

传统的方法

此方法存在很多局限性，最早的方法是潜水员在水下进行监测，因此这在时间和空间上都会受到很大的限制。

卫星观测法

基于卫星的方法在目前仍然无法清晰地观测到海底珊瑚群落的栖息地[5]。

空间多光谱遥感法

在水深大于6-8米进行预估时，该方法会在很大程度上受到水中叶绿素和混浊度的影响[6]。

针对上述问题，如何才能快速而又准确地获取近海岸水深和海底三维栖息地的高分辨率制图呢？

亚利桑那州立大学全球发现与保护科学中心的Gregory P. Asner 教授及其科研团队在Remote Sensing 期刊上发表了一篇论文，他们开发了一种海底高分辨率(<1m)的制图方法，利用航空高保真成像光谱技术绘制近海岸水深图并分析海底三维栖息地的复杂性。（识别文末二维码，即可阅读英文原文。）

实验过程

研究人员通过夏威夷岛西海岸的两个研究站收集了从 2017年6月13日至 2018年1月13日期间的全球空中观测站(Global Airborne Observatory, GAO)数据，利用两台不同的对准仪器进行数据采集、对比及分析，以此促进对水深测量及三维地形图绘制方法的可重复性和稳定性的分析。

为了能够以最佳的精度评估珊瑚礁的复杂性，该方法基于可见-短波红外(Visible-to-Shortwave Infrared, VSWIR)成像光谱仪和扫描海道测量机载激光雷达测量系统(Scanning Hydrographic Operational Airbome Lidar Survey, SHOALS)获得的图像，采用中值滤波器将高分辨率的VSWIR分光计图像进行重采样，将基于SHOALS获取的原始6米分辨率图像的粗糙度与人为地粗化为相同分辨率的、基于VSWIR的粗糙度贴图进行比较(下图中a和b)。研究发现这两种方法得出的结果呈现总体一致性。同时通过两个更高分辨率的VSWIR映射分析，所得到的粗糙度图显示出更高的变化粒度(下图中c和d)。

海湾粗糙度对比分析

实验结果

研究结果表明，航空高保真成像光谱技术能够更加准确地绘制近海岸水深，分析三维栖息地的复杂性。基于成像光谱的结果与SHOALS得出的结果相当，但成像光谱技术提供了更高空间分辨率的深度和粗糙度，其精度和准确性远超多光谱方法。总体而言，航空高保真成像光谱技术可以对底栖生物的珊瑚群落规模变化进行测绘、监测和分析，同时也可以用来评估气候、沿海发展历程变化对珊瑚礁复杂性的影响。

参考文献：

1.Hoegh-Guldberg, O. Climate change, coral bleaching and the future of the world’s coral reefs. Mar. Freshw. Res. 1999, 50, 839–866.

2. Brown, B.E. Coral bleaching: Causes and consequences. Coral Reefs 1997, 16, S129–S138.

3. Graham, N.A.; Jennings, S.; MacNeil, M.A.; Mouillot, D.; Wilson, S.K. Predicting climate-driven regime shifts versus rebound potential in coral reefs. Nature 2015, 518, 94–97.

4. Dustan, P.; Doherty, O.; Pardede, S. Digital reef rugosity estimates coral reef habitat complexity. PLoS ONE

2013, 8, e57386.

5. Harborne, A.R.; Mumby, P.J.; Ferrari, R. The effectiveness of different meso-scale rugosity metrics for predicting intra-habitat variation in coral-reef fish assemblages. Environ. Biol. Fishes 2012, 94, 431–442.

6. Foo, S.A.; Asner, G.P. Scaling up coral reef restoration using remote sensing technology. Front. Mar. Sci.

2019, 6, 79.

Remote Sensing (ISSN 2072-4292; IF: 4.118) 是一个与遥感学科相关的国际型开放获取期刊。其期刊范围涵盖遥感 科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准，到遥感在地球科学、环境生态、土木建筑等各方面的广泛应用。Remote Sensing 采取单盲同行评审，一审周期约为 19天，文章从接收到发表仅需 2.9 天。

识别二维码，阅读英文原文。

Asner, G.P.; Vaughn, N.R.; Balzotti, C.; Brodrick, P.G.; Heckler, J. High-Resolution Reef Bathymetry and Coral Habitat Complexity from Airborne Imaging Spectroscopy. Remote Sens. 2020, 12, 310.

往期回顾：

版权声明：

*翻译作者：Nancy Yang

*本文内容由MDPI中国办公室编辑负责撰写，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：

[e-mail]

点击左下方“阅读原文”，了解Remote Sensing期刊更多内容。

喜欢今天的内容？不如点个“在看”吧！