好文推荐 丨 如何快速有效地提取滨海淹没红树林植被信息？
主题词
红树林，哨兵-2号，红边波段，植被指数，滨海湿地，潮汐状态
（图片来源于网络）
红树林是国际上进行全球变化、生态系统脆弱性、扰动和恢复等研究的热点场所。准确的红树林分布是上述研究的基础，也是实现红树林湿地保育和有效管理的重要依据。
然而，周期性的潮水淹没给红树林遥感解译带来较大的不确定性。目前常用的解决办法是利用多种潮汐状态的影像推测淹没红树林的分布，但由于滨海地区多云的天气条件，获得时间相近、高质量的多潮汐状态影像存在困难。这就需要研发一种基于单期影像的淹没红树林提取方法。
中国科学院东北地理与农业生态研究所王宗明团队最近发表的文章《A New Vegetation Index to Detect Periodically Submerged Mangrove Forest Using Single-Tide Sentinel-2 Imagery》利用哨兵-2号卫星影像建立红树林指数（MFI）来快速有效地提取红树林植被分布信息。
研究背景
过去20年，国内外学者发表了诸多关于水生植被遥感研究的文献。高光谱影像一直被认为是提取水生植被最有效的数据，然而目前还没有能免费获取的高光谱影像；Landsat和MODIS影像也被广泛应用于水生植被监测研究中，但由于较低的空间和光谱分辨率，这两种数据源并不适合监测斑块细碎的红树林。
2015年投入使用的哨兵-2号卫星数据，具有高空间分辨率（10-20米），2-5天的重访周期，近红外光谱区有5个波段等优势，可作为红树林遥感的重要数据源。
随着计算机技术的发展，近年来遥感解译多采用机器学习、深度学习等监督分类方法。然而，受到潮汐波动（图1）的影响，淹没红树林的反射特征变动较为剧烈，采集训练样本存在困难，这使得监督分类方法很难应用于提取淹没红树林。
图 1 同一地点不同潮汐状态下的红树林
A：低潮时期，B：高潮时期
植被指数是国际上最常用的植被遥感方法，目前已有的基于植被指数的淹没红树林提取方法均需两幅或多幅遥感影像。但是，滨海地区特殊的天气条件使得同时获得临近日期的几幅高质量遥感数据存在较大困难。目前，还没有基于单一时相卫星数据的淹没红树林提取方法。
本研究利用哨兵-2号卫星影像建立基于单一时相影像的红树林指数（MFI），以达到快速、有效地提取各种潮汐状态下的红树林植被分布信息。
研究发现淹没植被在哨兵数据的红边波段仍存在较强的反射，并首次利用这一特征建立了淹没红树林指数（MFI）。MFI指数的优势在于：
只需一幅质量较高的影像，无论影像获取时当地潮汐状态如何，都可以达到提取所有红树林的目的。
MFI的建立是基于基线原理，因此在区分淹没红树林和水体时，不需要设置阈值，大于“0”值的为淹没红树林像元，小于“0”值的为水体像元。
MFI指数不仅适用于红树林生态系统的精准遥感研究，对其它潮间带植被、及常年处于浮水和沉水状态的湿地植被遥感研究也有重要借鉴价值。
研究方法
探讨不同淹没程度植被的光谱反射率曲线（图2）。
图 2 不同淹没状态下植被反射率
以广西珍珠港为研究区，提取不同淹没程度的红树林在哨兵-2号影像中的反射率曲线（图3）。
图 3 不同淹没状态的红树林在哨兵-2号影像中的光谱反射率曲线
在红边波段，淹没红树林像元与纯水面像元的反射率具有较大差距，为提取和放大这种差距，本研究研发构建了红树林植被指数（MFI）。
MFI的定义为：各个红边波段反射率到基线的距离之和。基线指红波段和短波近红外波段反射率的连线，指数原理如图4所示，公式见（1）（2）。
图 4 红树林指数（MFI）建立原理（SMF代表淹没红树林，WB代表水体）
研究结果
为定量评估MFI对淹没红树林的敏感性，本研究将MFI与常用指数NDVI、LSWI、MNDWI及相似植被指数FAI进行定量比较，发现MFI可显著增加淹没红树林像元与水体像元的距离，降低两者的混淆范围（图5），达到准确提取淹没红树林像元的目的。
基于以上理论，本研究应用MFI对世界范围内3个典型区（中国珍珠港、印度孙德尔本和巴西亚马逊）的红树林进行提取，发现MFI在实际应用中可将99%-102%的淹没红树林像元提取出来。
图 5 不同植被指数中淹没红树林像元与水体像元值分布箱形图
理论和实践均证明，MFI可有效提取淹没红树林像元，降低在遥感解译过程中潮汐淹没带来的误差。但受到局地海水能见度、淹没深度等多变环境条件的影响，MFI仍有一些不确定性，需在未来的研究中加以改进。
论文题目
A New Vegetation Index to Detect Periodically Submerged Mangrove Forest Using Single-Tide Sentinel-2 Imagery
发表期刊
Remote Sensing
全文论文链接
https://www.mdpi.com/2072-4292/11/17/2043
红树林湿地是以红树植物群落为核心的海洋湿地类型，多见于南北纬25度之间热带亚热带无霜地区海岸及河口潮间带地区。在中国，红树林主要分布在广西、广东、海南、福建、浙江、香港、澳门和台湾等沿海地区。
红树植物群落涨潮时被海水浸淹，退潮时暴露。特殊的生态环境使红树林兼具陆地和海洋生态系统的特征，是陆地和海洋之间的生态过渡区。
红树林繁茂翠绿，却被称作“红树林”。这是因为红树科植物体内含有大量单宁，故其木材常呈红色，其树皮提炼出的单宁用作红色染料，“红树”之名由此而来。
（信息来源于中国数字科技馆）
贾明明，中国科学院东北地理与农业生态研究所副研究员，研究方向为滨海湿地植被遥感。
E-mail: jiamingming@iga.ac.cn
王宗明，中国科学院东北地理与农业生态研究所副所长，研究员，研究方向为湿地生态环境遥感。
E-mail: zongmingwang@iga.ac.cn
中国科学院东北地理与农业生态研究所地理景观遥感学科组，包括张柏、王宗明、刘焕军研究员，任春颖、毛德华、贾明明副研究员，以及30多位博士、硕士研究生和项目聘用人员。
主要研究方向包括湿地植被群落遥感，湿地植被定量遥感，湿地生态环境遥感评估，以及森林生态系统遥感和农田生态系统遥感等。
朱金峰,周艺,王世新,王丽涛,刘文亮,李海涛,梅军军.2019.1975年—2018年白洋淀湿地变化分析.遥感学报,23(5):971-986
http://www.jors.cn/jrs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=ygxb-23-5-zhujinfeng&flag=1
张磊,宫兆宁,王启为,金点点,汪星.2019.Sentinel-2影像多特征优选的黄河三角洲湿地信息提取.遥感学报,23(2):313-326
http://www.jors.cn/jrs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=ygxb-23-2-zhanglei&flag=1
李大冲,许盼盼,牛振国,张海英.2018.历史专题图的大空间范围湿地专题图自动更新.遥感学报,22(6):1060-1075
http://www.jors.cn/jrs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=ygxb-22-6-lidachong&flag=1
张猛,曾永年,朱永森.2017.面向对象方法的时间序列MODIS数据湿地信息提取——以洞庭湖流域为例.遥感学报,21(3):479-492
http://www.jors.cn/jrs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=ygxb-21-3-zhangmeng&flag=1
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编辑：薇薇
指导/审核：梧桐君
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