遥看珊瑚百态，感知生态变化——珊瑚礁遥感研究综述

原创遥感学报遥感学报 2021-09-20

遥感人的成长家园

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珊瑚礁是海洋中的“热带雨林”，海洋中拥有最多物种和最高初级生产力的生态系统，对人类社会和海洋生态环境的健康与可持续发展有着至关重要的作用。珊瑚礁是中国南海最主要的陆地国土类型，是开发、利用、保护与管控海洋的重要支点。然而，珊瑚礁又是敏感而脆弱的生态系统，正面临着人类活动和环境变化的威胁，对其进行定量监测则是进行珊瑚礁活动的基础与依据。

遥感在珊瑚礁的大范围探测方面具有很大的潜力。然而，我国的珊瑚礁遥感研究处于什么样的现状，存在怎样的机遇与挑战呢？《遥感学报》2019年第6期发表的论文《珊瑚礁遥感研究进展》，带来珊瑚礁遥感的研究进展，并指出我国珊瑚礁遥感研究的机遇与挑战。

论文信息

题目:珊瑚礁遥感研究进展

作者:黄荣永,余克服,王英辉,刘嘉鎏,张惠雅

单位:广西大学

DOI:10.11834/jrs.20198110

引用格式：黄荣永, 余克服,王英辉,刘嘉鎏,张惠雅.2019.珊瑚礁遥感研究进展.遥感学报, 23(6): 1091-1112

研究背景

珊瑚礁总面积不到世界海洋面积的0.25%，却栖居着25%以上的海洋鱼类。据统计，我国南海珊瑚礁总面积则约有37200 km2，约占世界珊瑚礁面积的5%，居东南亚地区第二位。我国将越来越重视南海珊瑚礁的监测，以便有效地进行南海珊瑚礁的规划、管理、建设与维护，为国家的政治、经济、社会和环境的可持续发展服。

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遥感被认为是珊瑚礁监测极为重要的潜在方法。然而，与常规不同的是，除受大气作用的影响外，海水对辐射的吸收、反射和散射等作用使珊瑚礁遥感影像能够记录的珊瑚礁水下信息微乎其微。加上世界各国还未曾发射过专门针对珊瑚礁而设计的遥感卫星，当前珊瑚礁遥感所依赖的还是机载航空平台和陆地卫星遥感影像，这使得珊瑚礁遥感的研究与应用比陆地遥感更困难。

永乐环礁Landsat TM影像(下载自：https://glovis.usgs.gov/)

当前，珊瑚礁学者与遥感专家各自的研究也仍然处于相对独立的状态，遥感专家无法及时了解到珊瑚礁领域的需求，而珊瑚礁学者也无法及时了解和掌握遥感领域最先进的技术。这造成很大的一个问题是，通常遥感处理获得的结果并非珊瑚礁科学研究所切实需要的数据，导致珊瑚礁研究者多数时候只能把遥感简单地作为提供绘制珊瑚礁形态特征图的工具。

该文将对国内外珊瑚礁遥感研究与应用的进展情况进行梳理和概括，进而总结珊瑚礁遥感研究存在的机遇和面临的挑战，期望能够引起更多的测绘遥感专家投入到珊瑚礁遥感的研究与应用，融合多种手段从而实现珊瑚礁遥感的工程化应用，推进珊瑚礁遥感的发展与进步。

研究内容

珊瑚礁遥感可以认为是对珊瑚礁地貌形态及其环境的遥感探测，按照遥感方式的不同，珊瑚礁遥感可以简单地划分为被动珊瑚礁遥感和主动珊瑚礁遥感两大类。

一

珊瑚礁的被动遥感与应用

射入水体的太阳光只有可见光具备较好的透水性能，而其他波段的光谱则几乎都会被水完全吸收或反射，因而无法携带水下珊瑚礁的信息。因此，珊瑚礁被动遥感多数利用的是可见光波段的遥感影像。

珊瑚礁被动遥感的辐射传输过程示意图

珊瑚礁地形与水深的被动遥感

珊瑚礁地形与水深的被动遥感有两种主要方式：①通过对辐射传输模型的求解而获得珊瑚礁的水深信息，即珊瑚礁水深的反演；②利用空中三角测量原理而获得珊瑚礁的地形分布，即珊瑚礁地形的摄影测量。

辐射传输模型求解法包括经验成分占主导的波段比值/波段组合法和半解析模型法，它们均能够适应具有大洋Ⅰ类水体的珊瑚礁区。波段比值/波段组合法优点是简单实用，缺点是对地域和时间的依赖性；半解析模型法能够克服地域和时间依赖，但因精度和成本等问题也未能在珊瑚礁地貌中得以广泛使用。珊瑚礁地形的摄影测量依赖于空中三角测量的原理，具有进行高精度测量的潜力，但因其属于双介质摄影测量的范畴，在研究广度和深度等方面不如珊瑚礁水深的反演。

大疆无人机进行珊瑚礁的摄影测量实验(图片摘自：Casella et al., Coral Reefs, 2017)

珊瑚礁生态与地貌的遥感

遥感影像的分类被认为是珊瑚礁底质分类与地貌分带的较为经济与直观的方式，是珊瑚礁生态调查、规划和管理的有效工具。除人工解译外，很多珊瑚礁遥感影像的分类至今还沿用最大似然(ML)和支持向量机(SVM)等监督分类法。当然，面向对象图像分析(OBIA)方法目前也被引入珊瑚礁底质类型与地貌分带的识别并取得比传统方法更优的效果。深度学习等人工智能方法未来也可能涉入珊瑚礁生态遥感领域。珊瑚礁底质的变化检测也是珊瑚礁生态系统研究的重要内容。当前，珊瑚礁底质的变化检测还需要解决多时相遥感影像的时空配准问题，因为时空配准误差和底质光谱混合等因素都有可能会导致珊瑚底质变化检测产生很大的不确定性。

梯度矢量流-主动轮廓模型(GVF-Snake)进行地貌分带与地貌微单元提取的框架(图片摘自：周旻曦等，地理研究, 2015)

珊瑚礁被动遥感的其他研究与应用

珊瑚礁被动遥感还包括珊瑚礁岸线变化检测与稳定性评估，和珊瑚礁环境遥感等方面。遥感岸线动态变化检测与稳定性评估具备较为实用的理论和工具，但对沉浸于海水中的珊瑚礁而言，地貌分带与地貌微单元分界线的精确提取仍然是当前遥感珊瑚礁岸线变化检测与稳定性评估的关键。珊瑚礁环境的遥感监测很多时候所指的是基于珊瑚礁白化热点(Hotspot)和周热度指数(DHW)产品的珊瑚礁白化预警，这方面的研究比较成熟，因为珊瑚白化与温度异常密切相关且这种关系是明确的。然而，珊瑚白化/退化被认为是多种环境因素共同作用的结果，但除海表温度SST(Sea Surface Temperature)外，还没有相关的实验能够提供珊瑚白化与环境因素之间的定量关系。

航空影像进行夏威夷群岛岸线的变化检测(图片摘自：Romine and Fletcher, Journal of Coastal Research, 2013)

NOAA 2010年珊瑚白化预警的复合产品(图片摘自：Liu et al., Proc. Intl. Coral Reef Symposium, 2012)

二

珊瑚礁的主动遥感与应用

珊瑚礁的主动遥感目前主要集中在珊瑚礁水深的机载激光雷达探测、珊瑚礁地形的声学遥感和珊瑚岛沉降的合成孔径雷达干涉测量等。

珊瑚礁水深的机载激光雷达测量

机载激光雷达测距(LiDAR)能够在夜间完成主动式的测量，受时间因素影响相对较小，因而能较为广泛地应用于海岸带的调查与测量。然而，机载LiDAR多数是为陆地表面测量而设计，通常采用单频近红外激光脉冲测量模式，不具备对海水的穿透能力，因而难以实现水下目标的探测。

机载LiDAR测深原理示意图(图片摘自：刘焱雄等，武汉大学学报(信息科学版)，2017；Doneus et al., Journal of Archaeological Science, 2013)

国内机载LiDAR测深系统的研发起步比较晚，由于机载激光雷达测深系统不成熟，至今还没能够进入实用阶段。

珊瑚礁地形地貌的船载声学遥感

声学遥感的基本原理是通过向目标发射声波并接收和记录其回波信号的时间与波形，从而计算目标的距离与回波强度。通过对距离与回波强度的分析与解译，就能够得到珊瑚礁区地形和水深的分布信息，甚至还可获取珊瑚礁底质的分布、硬度和粗糙度等信息。然而，当前专门针对珊瑚礁地貌探测的应用基础研究还比较少见。此外，声学遥感的传感器无论是安装于船底还是缆线拖拽，都很难适应水深较浅和露出水面区域的探测，导致声学遥感对珊瑚礁的探测存在盲区。因此，更系统的珊瑚礁地貌探测可能有赖于船载声学遥感与机载LiDAR测深两种技术的相互配合。

单波束声呐数据与IKONOS遥感影像进行珊瑚礁底质分类的比较(图片摘自：Riegl and Purkis, Remote Sensing of Environment, 2005)

珊瑚岛礁地形的星载微波遥感

珊瑚礁地形的星载微波遥感包含：①以地形和水深的变化会影响或改变海表波浪的形态特征进而改变海表的微波后向散射特性为基础的珊瑚礁地形和水深的反演；②以雷达差分干涉测量原理为基础的珊瑚岛礁进行微小沉降的监测。它们对珊瑚礁的监测、建设与维护等方面均具有重要的应用潜力，但这些潜力的发挥都还有赖于未来相关理论和技术进一步的研发与进步。

合成孔径雷达永久散射体干涉测量技术反演获得的钙质岛礁机场沉降与数值模拟计算的对比(图片摘自：兰恒星等,中国海洋大学学报(自然科学版), 2017)

三

珊瑚礁遥感的挑战与机遇

挑战

(1) 要多种遥感手段的交叉与融合。珊瑚礁遥感的各种手段在用途、效率、成本和适用范围等方面也存在互补性，但当前还未在珊瑚礁的遥感监测中得到具有针对性的交叉与融合；

(2) 珊瑚礁学者和遥感专家合作。珊瑚礁领域与遥感领域之间没有相互沟通的良好途径，两个领域的专家之间未能及时互通有无，加上珊瑚礁遥感技术不够成熟，导致遥感获得的结果往往与珊瑚礁领域的需求相差甚远；

(3) 加强硬件和应用基础研究。国外珊瑚礁遥感的硬件设备整体上领先于国内，而且国外在珊瑚礁遥感应用方面的研究也比国内更有针对性。

珊瑚礁遥感的方法以及不同方法间的互补

机遇

遥感卫星的发射、各种不同类型传感器设备的研发和商业化为珊瑚礁遥感的研究与应用提供了基本的硬件条件。而作为海洋大国，我国越来越重视南海珊瑚礁的规划、开发、管理与建设，以便为国家的政治、经济、社会和环境的可持续发展服务，而这正好又为珊瑚礁地貌遥感的研究与应用提供了良好的契机。借着珊瑚礁遥感研究与应用的这个契机，凭借国内遥感专家与珊瑚礁学者的共同努力，国内珊瑚礁遥感的研究与应用将会逐步赶上或超越国外的先进水平，更好地为国家珊瑚礁资源的开发与保护服务。

第一作者简介

黄荣永，广西大学讲师，研究方向为珊瑚礁遥感。

E-mail: rongyonghuang@gxu.edu.cn

通信作者简介

余克服，广西大学海洋学院院长、珊瑚礁研究中心主任，研究方向为南海珊瑚礁地质、生态与环境，编撰出版迄今中国第一本珊瑚礁学科的综合性教材与著作《珊瑚礁科学概论》。

E-mail: kefuyu@gxu.edu.cn

购买链接：

http://product.dangdang.com/25343742.html

研究团队简介

该团队依托单位广西大学海洋学院、珊瑚礁研究中心，广西南海珊瑚礁研究重点实验室。其中，广西南海珊瑚礁研究重点实验室是我国独一无二的关于珊瑚礁研究的省级实验室，以珊瑚礁生态系统研究为特色，围绕南海珊瑚礁生物与生态、南海珊瑚礁地质与发育历史、以及南海珊瑚礁环境与保护等方向系统而全面地开展科学研究。珊瑚礁遥感是团队研究的重要方向，旨在融合当代遥感与其在珊瑚礁领域的专业优势，从珊瑚礁科学的角度探讨，研究珊瑚礁遥感的技术与应用问题。团队现有固定科研人员30人，其中正高2人，副高11人，博士29人，已经招收/培养硕士研究生111人，博士研究生23人。

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不是地球属于人类而是人类属于地球

人不要过分地陶醉与征服大自然的喜悦之中，人类每一次对大自然的征服，大自然都会报复人类。我们对大自然的思考越是深沉与持久，它们所唤起来的那种越来越大的惊奇和敬畏就会充溢我们的心灵。

——康德

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