基于底質類型變化監測的2005—2018年西沙永樂群島珊瑚礁白化分析

逄今朝 ， 任廣波， 施 祺， 朱海天， 胡亞斌， 董 娟， 馬 毅

(1. 中國石油大學(華東)， 山東 青島 266580； 2. 自然資源部第一海洋研究所， 山東 青島 266061； 3. 中國科學院南海海洋研究所， 廣東 廣州 510301； 4. 國家衛星海洋應用中心， 北京 100081)

珊瑚礁生態系統是熱帶海洋最重要的生態系統之一， 在創造海洋初級生產力、維持海洋生物多樣性、防浪固灘、資源供給、國防建設等方面發揮巨大作用。我國珊瑚礁基本都分布于南海， 諸島礁北起釣魚島， 南至曾母暗沙， 西起萬安灘， 東止黃巖島，是世界珊瑚礁的重要組成部分。西沙群島海域資源豐富， 具有極重要的權益與戰略價值。

珊瑚礁白化是由于環境脅迫， 珊瑚失去體內共生的蟲黃藻或者共生蟲黃藻失去體內色素， 而導致五彩繽紛的珊瑚變白的現象， 是在全球變暖背景下珊瑚礁大面積退化和死亡的主要因素[1]； 南海西沙群島珊瑚礁白化現象日趨嚴重[2]， 珊瑚礁白化危及珊瑚礁基底安全， 對珊瑚礁生態系統造成巨大破壞。珊瑚礁的保護工作日益受到人們的重視。現有的珊瑚礁白化監測手段以傳統的人工實地調查為主， 不僅費時費力， 且僅能獲取點或斷面的觀測數據， 難以實現大面積觀測。以高分辨率、寬覆蓋和高頻度為特點的遙感技術在珊瑚礁的調查和監測方面是一種有效手段[3]。

目前國內外研究者監測珊瑚礁白化的方法主要有現場監測、生態監測和遙感監測3種， 現場監測方法無法開展大尺度空間區域的白化監測。利用遙感手段開展的白化監測其精度有待提升[11-13]， 研究發現海表面溫度(surface sea temperature， SST)的升高是造成珊瑚礁白化的主要因素， 從20世紀80年代開始國內外學者將SST變化分析應用于珊瑚礁白化的研究[4-6]， 通過研究珊瑚白化周熱度(degree heating week， DHW)等珊瑚礁白化指標， 證實珊瑚礁白化的地理分布是由SST的空間格局確定的[7]。繼而有研究將26個周熱度累計熱應力確定為珊瑚礁白化的閾值[8]， 發現珊瑚礁白化多發生于夏季， 且當日平均SST距平大于等于1.0 ℃便會發生白化[9]。通過文獻分析發現目前針對珊瑚礁白化的研究多偏向于基于SST計算DHW等指標對珊瑚礁白化狀況進行監測分析[10]， 而利用遙感手段結合現場實測數據的珊瑚礁白化監測方法研究不多， 并且大部分研究工作只關注小尺度研究區域整體的白化分析， 對于大尺度區域下整體和單個島礁兩種尺度的白化分析工作不多。

本文以2005—2007年QuickBird、2011—2012年WorldView-2/QuickBird和2016—2018年GF-1/2等高分辨率遙感影像為數據源， 以西沙永樂群島的14個重點島礁為研究區域， 采用SVM分類方法結合人機交互信息提取方法開展上述3個時期永樂群島珊瑚礁底質類型提取， 結合現場資料， 開展基于底質類型變遷監測的永樂群島整體以及單個島礁珊瑚礁白化分析， 為珊瑚島礁現狀監測、生態評估和恢復提供技術支撐。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

本文的研究區域為西沙永樂群島的羚羊礁、中建 島 等14個 島 礁 所 在 礁 盤(15°46′～17°07′N，111°11′～112°06′E)。各島礁多是由珊瑚、貝屑等組成的海洋型島嶼， 地貌特征在南海島礁中具有代表性， 其底質類型包括深礁前斜坡、珊瑚叢生區等11個類型。

1.2 數據與處理

1.2.1 遙感數據與處理

圖1 研究區位置與所包括的島礁示意圖Fig. 1 Location of the study area and schematic of the included islands and reefs

本文所使用的衛星影像有空間分辨率分別為0.61 m、0.5 m、2 m和1 m的QuickBird衛星影像、WorldView-2衛星影像、高分一號(GF-1)和高分二號(GF-2)衛星影像4種， 以上數據均包括藍、綠、紅和近紅外4個波段； 由于永樂群島面積較大， 衛星受到天氣狀況及云層覆蓋等影響， 無法在同一時間點獲取覆蓋所有島礁的合格影像， 因此主要選取了2005、2011、2018年3期影像用于研究， 若由于云層覆蓋等影響導致上述3期影像在各研究時段內不能被覆蓋的島礁選取與各研究時段相近時間的影像用于研究， 14個島礁及對應的衛星影像信息見表1。由于主要選取了2005、2011、2018年3期影像， 因此在下文中分別將2005—2007年、2011—2012年、2016—2018年影像表述為2005、2011、2018年影像。

表1 永樂群島各島礁遙感衛星影像數據信息Tab. 1 Remote sensing satellite image data information of all islands and reefs in Yongle Islands

QuickBird、WorldView-2、GF-1/2等多光譜遙感影像預處理過程包括大氣校正、幾何校正。大氣校正去除太陽輻射在經過大氣層時發生散射和吸收而導致對光譜的影響， 校正過程利用ENVI 5.3軟件中的FLAASH 大氣校正模塊； 幾何校正過程以2005年QuickBird影像為基準， 對2011、2018年遙感影像進行配準， 配準誤差小于0.5像元。幾何校正后統一將遙感影像的空間分辨率重采樣到1 m， 以保證不同類型的遙感影像提取的底質信息在面積上的統一性，重采樣方法選擇最近鄰法。

1.2.2 現場數據

于2013年7月、2015年6月赴永樂群島部分島礁開展珊瑚礁底質、珊瑚礁健康狀況現場調查， 利用人工潛水、水下實地攝影等手段獲取了珊瑚礁底質類型組成、珊瑚礁健康狀況、珊瑚礁覆蓋度等相關數據， 共在羚羊礁、盤石嶼等8個島礁獲取了66個現場站位信息； 利用現場數據作為分類和驗證樣本，開展珊瑚礁底質類型分類； 現場調查照片、驗證樣本區域示意圖見圖2。

圖2 現場調查和驗證樣本區域示意圖Fig. 2 Field survey and area diagram of the validation sample

2 研究方法

利用預處理后的3期高分遙感影像按照董娟等[14]提出的珊瑚礁底質類型分類體系， 采用SVM分類方法提取3期永樂群島珊瑚礁底質類型信息并進行精度驗證， 結合人機交互信息提取方法對SVM算法分類不合理區域進行修正； 基于底質類型提取結果開展變遷檢測， 得到3個時期珊瑚礁底質類型變遷信息； 后根據不同底質類型對應的活珊瑚覆蓋度， 計算各底質類型活珊瑚變遷數據， 得到整體及各島礁白化率； 最后建立珊瑚礁白化等級分級規則， 開展2005—2018年、2005—2012年和2012—2018年3個時期的珊瑚礁白化監測與分析。在下文中將2005—2018年、2005—2012年和2012—2018年3個白化研究時段分別表述為總體時段、第1時段、第2時段。本文研究技術路線圖見圖3。

圖3 基于珊瑚礁底質類型變遷監測的珊瑚礁白化分析技術路線圖Fig. 3 Technical roadmap of coral reef bleaching analysis based on monitoring the changes of coral reef sediment types

2.1 珊瑚礁底質類型提取方法

針對珊瑚礁底質類型分類體系的構建， 相關研究提出了不同的分類體系[11]。考慮到本文研究區域礁體形態、水動力條件、出露程度等因素影響， 選擇董娟等[14]提出的適合于永樂群島的珊瑚礁底質類型分類體系， 分為： 深礁前斜坡、淺礁前斜坡、礁前階地、藻脊、珊瑚叢生區、珊瑚沉積區、沙洲、沙坪、點礁、礁塘和潟湖共11個類型； 劉寶銀等[15]、左秀玲等[16]、夏東興等[17]、龔劍明等[18]對西沙群島不同底質類型珊瑚覆的蓋度估計進行了統計， 如表2所示。

表2 永樂群島各底質類型珊瑚覆蓋度估計Tab. 2 Estimation of coral coverage of different sediment types in the study area

利用支持向量機(support vector machine， SVM)分類方法對珊瑚礁底質類型信息進行提取。SVM是基于統計學習理論[19]的一種二分類模型， 其學習策略是找到特征空間中一個能夠將所有數據樣本劃分開的決策超平面， 使類別正確分開的同時實現類別間隔最大化。由于珊瑚礁位于水下， 在底質類型光譜信息采集過程中， 水深嚴重干擾了珊瑚礁底質類型光譜信息， 直接根據珊瑚礁遙感影像光譜信息特征進行SVM分類會影響分類結果的準確性， 而基于人機交互的信息提取方法則具有很好的靈活性、適應性， 二者結合使用可以在不增加系統復雜性的前提下提高分類精度。

2.2 白化分析方法

為了定量研究各類珊瑚礁底質類型的面積變化，利用轉移矩陣進行變化分析。轉移矩陣反映了某區域某時段期初和期末各類型面積之間相互轉化的動態過程， 它不僅包括靜態某時間點的各類型面積數據，而且有各類型面積期初轉出和期末轉入的信息[12]。轉移矩陣數學形式為：

式中：S表示面積；n代表底質類型數目；i，j分別代表研究初期、末期底質類型數目。通過對2005、2011和2018年提取的底質類型信息進行變化檢測， 得到總體時段、第1時段、第2時段各島礁底質類型轉移數據， 后基于珊瑚覆蓋度計算各底質類型活珊瑚變遷面積開展白化分析。

為了便于統計分析， 在本文中作如下定義： 若珊瑚礁由珊瑚覆蓋高的底質類型向珊瑚覆蓋低的底質類型變遷， 則認為珊瑚礁發生了白化； 相反， 若珊瑚礁由珊瑚覆蓋低的底質類型向珊瑚覆蓋高的底質類型變遷， 則認為珊瑚礁發生了恢復。

按照上述定義， 給出整體及各島礁白化率(2)、恢復率(3)計算公式：

BR、RR分別代表整體或各島礁白化、恢復率，BA、RA分別代表整體或各島礁活珊瑚白化、恢復面積， CA代表起始年份整體或各島礁活珊瑚覆蓋面積。

珊瑚礁的白化和恢復是同時發生的， 但白化和恢復所發生的區域、發展趨勢和比例各有特點， 若將白化與恢復綜合起來進行分析， 將淹沒白化的特征，不利于開展珊瑚礁白化狀況的分析， 因此在本文中，將珊瑚礁白化與恢復分別進行研究分析。

目前， 針對大尺度區域下整體及各島礁的珊瑚礁白化分級監測分析研究較少， 為了更好的描述永樂群島珊瑚礁白化情況， 本文提出了一種珊瑚礁白化等級劃分原則， 此原則在潘艷麗等[10]， 趙領娣等[20]的研究基礎上， 按照整體以及各島礁白化率， 將白化情況分為輕度白化、中度白化、重度白化、嚴重白化共4個等級， 其對應的等級劃分標準見表3。

表3 永樂群島珊瑚礁白化分級表Tab. 3 Bleaching grades of coral reefs in Yongle Islands

3 結果與分析

3.1 珊瑚礁底質類型分類精度驗證與分類結果

根據現場調查數據選擇驗證樣本區域， 并且保證樣本在每個底質類型中分布均勻， 利用驗證樣本對2012年4月20日羚羊礁信息提取結果進行精度驗證。使用混淆矩陣對珊瑚礁底質類型分類結果進行精度評價。混淆矩陣通過比較現場調查的真實底質類型信息和分類結果圖中相應位置的地物信息的正確率開展分類精度的評價。主要評價指標有： 總體分類精度(overall accuracy， OA)， 指分類結果中被正確分類的像元數占總像元數的比例； 制圖精度(producer accuracy，PA)表示分類結果中某一類別正確分類的像元數與該類別真實參考總數的比率； 用戶精度(user accuracy，UA)表示分類結果中正確分為某類的像元總數與整個圖像分為該類的像元總數的比率； Kappa系數是一種定量評價遙感分類圖與參考數據之間一致性的方法。

結果表明， 總體分類精度和Kappa系數分別為89.71%和0.882， 分類總體精度較好， 這驗證了本文所引用的珊瑚礁底質類型分類體系的合理性與信息提取方法的準確性， 精度驗證信息詳見表4。

表4 2012年羚羊礁信息提取精度驗證結果Tab. 4 Verification results of the antelope reef information extraction accuracy in 2012

2005、2011、2018年永樂群島底質類型分類結果見圖4， 永樂群島中結構完整島礁的底質類型分布存在規律， 自海向島礁中心依次為深礁前斜坡、淺礁前斜坡、礁前階地或藻脊、珊瑚叢生區、珊瑚沉積區、沙洲或沙坪、礁塘或潟湖、點礁。深礁前斜坡位于島礁最外圍， 緊鄰其內分布淺礁前斜坡， 由于水動力條件等的差異， 二者的珊瑚覆蓋度估計分別為35%、85%， 差異較大； 礁前階地與藻脊交錯分布，由于藻脊覆蓋有一層藻類， 幾乎無珊瑚存在， 所以二者光譜及影像紋理特征差異明顯， 易于區分， 二者珊瑚覆蓋度估計較低， 分別為15%、0； 珊瑚叢生區和珊瑚沉積區分布面積最廣， 是構成島礁的主要組成部分， 有種類、數量眾多的活珊瑚生長于此， 二者的珊瑚覆蓋度估計分別為85%、35%； 沙洲由沙坪發展而來， 因此沙洲和沙坪相鄰分布， 二者無活珊瑚生長； 礁塘和潟湖地勢低洼， 分布于島礁和礁環的中心位置， 其中生長有點狀離散分布的點礁， 點礁的珊瑚覆蓋度估計為85%。將14個島礁按照區域位置關系分別放在3個區域框中， 其中2005年各島礁分類結果用a表示， 分為a1、a2和a3三個區域框，同理用b和c分別表示2011年和2018年分類結果。

圖4 永樂群島珊瑚礁底質類型分類Fig. 4 Classification of reef sediment types of Yongle Islands

3.2 珊瑚礁白化分析

3.2.1 永樂群島珊瑚礁白化及原因分析

對永樂群島珊瑚礁總體空間尺度開展白化情況分析， 基于2005、2011、2018年各島礁底質類型信息提取結果， 經變遷檢測及白化率計算， 得到總體時段、第1時段、第2時段白化監測信息， 詳見表5。

表5 永樂群島3個白化研究時段各底質類型活珊瑚面積變遷(單位: hm2)Tab. 5 Changes in areas of living corals of different sediment types in three bleaching periods in Yongle Islands (hm2)

在表5中， 各底質類型活珊瑚面積變遷量是指2005到2018年間永樂群島3個白化研究時段各底質類型活珊瑚覆蓋面積變遷數量， 正、負數分別表示該底質類型活珊瑚覆蓋面積增加、減少， 發生恢復、白化； 2005和2011年活珊瑚覆蓋總量分別為6 582.21 hm2和6 331.53 hm2； 白化、恢復率分別按照公式(2)、(3)計算得到。

為了更好地對永樂群島各單島珊瑚礁白化情況進行分析， 根據島礁地理位置關系， 將14個島礁分為9個島礁單元， 結合構建的永樂群島珊瑚礁白化分級表，對9個島礁單元開展白化等級評估， 詳細信息見表6。

結合表5， 總體時段永樂群島活珊瑚面積減少694.25 hm2； 白化面積為1 354.15 hm2， 白化率為20.57%， 達到重度白化等級； 其中， 因珊瑚叢生區變遷為珊瑚覆蓋更低的底質類型引起了珊瑚礁大面積的白化， 活珊瑚面積共減少955.36 hm2； 該研究時段的白化主要是由珊瑚叢生區、淺礁前斜坡發生白化引起， 二者發生白化的面積分別占本研究時段白化總面積的71%和27%。在第1、2時段， 永樂群島珊瑚礁白化率分別為16.99%、17.82%， 都為中度白化等級。

結合圖5與表6， 有1個島礁達到嚴重白化等級，達到重度白化等級及以上的有6個島礁， 白化情況嚴重； 珊瑚礁白化最嚴重區域在羚羊礁和中建島礁盤上，其單島白化率分別為33.36%(嚴重白化)和28.95%(重度白化)； 甘泉島白化率最低， 僅4.99%； 總體上東北部、西南部島礁白化率最高； 第1時段有2個島礁達到重度白化等級， 而所有的島礁都達到了中度白化等級， 珊瑚礁白化最嚴重的區域集中在西部的金銀島和中建島所在的礁盤上； 第2時段有3個島礁達到重度白化等級， 達到中度白化等級以上的有7個島礁； 珊瑚礁白化最嚴重的區域在廣金島、琛航島， 盤石嶼，中建島， 羚羊礁所在的4個礁盤上， 廣金島、琛航島達到嚴重白化等級， 白化率為32.52%， 永樂群島南部白化情況較其他區域更加嚴重； 綜合三個研究時間段來看， 永樂群島西部與南部白化情況最嚴重。

圖5 永樂群島珊瑚礁白化率與白化等級圖Fig. 5 Coral reef bleaching rate and bleaching grade map in Yongle Islands

表6 永樂群島島礁單元3個白化研究時段白化等級評估表Tab. 6 Bleaching grade evaluation table for the three study periods of reef units in Yongle Islands

在珊瑚礁的恢復方面， 2005—2018年永樂群島珊瑚礁共恢復659.9 hm2， 恢復率為10.03%； 從統計數據來看， 僅2個島礁恢復率達到20%以上， 達到10%以上的只有4個島礁， 總體恢復情況較差。藻脊、深礁前斜坡是此研究時間段活珊瑚增加面積最多的底質類型， 分別增加了298.51 hm2和212.27 hm2， 約占恢復面積的75%； 甘泉島、中建島活珊瑚覆蓋恢復情況較好， 恢復率分別為24.58%和23.77%； 從區域位置來看， 永樂群島南部的珊瑚礁恢復狀況明顯好于北部。在第1、2時段， 永樂群島珊瑚礁恢復率分別為11.77%、12.44%。

自20世紀80年代起， 大量學者的研究表明海溫升高會導致珊瑚白化[4-6]， 厄爾尼諾和拉尼娜事件會使海溫不斷升高， 導致珊瑚大面積白化， 表7為2004—2018年間記錄的南海厄爾尼諾與拉尼娜事件信息[21-22]。

表7 2004—2018年厄爾尼諾-拉尼娜事件Tab. 7 El Ni?o-La Nina events in 2004-2018

由表7可以看出在2004—2018年間永樂群島海域發生了多起厄爾尼諾和拉尼娜事件， 其中第1時段發生了不間斷交替進行的厄爾尼諾與拉尼娜事件； 第2時段又發生了超強等級的厄爾尼諾事件； 綜合3個研究時段發現， 永樂群島西部與南部白化情況更嚴重， 這是由于盛行的夏季東南季風帶來大量的熱帶海水， 熱威脅不斷積累[16-21]， 導致西部與南部白化情況嚴重， 加之季風與人類活動使永樂群島發生大面積白化。

3.2.2 羚羊礁、甘泉島、中建島珊瑚礁白化及原因分析

在以島礁單元為空間尺度的白化分析中發現羚羊礁總體時段白化情況是最嚴重的， 但在第1、2時段中的白化情況并不均勻， 與羚羊礁相比位于永樂群島最南端的中建島雖然在總體研究時段中白化程度僅次于羚羊礁， 但各時段白化程度嚴重且均勻； 在珊瑚礁恢復方面， 甘泉島恢復率最高，且各時段恢復狀況表現均勻。因此， 以珊瑚礁白化、恢復狀況特征差異明顯的3個島礁為例， 開展詳細的珊瑚礁底質類型空間尺度白化分析， 具體如下。

表8 羚羊礁、中建島、甘泉島總體時段底質類型活珊瑚面積變遷表是指2005到2018年3個單島珊瑚礁各底質類型活珊瑚覆蓋面積變遷數量， 其與2005年各單島活珊瑚覆蓋總量都由總體時段珊瑚礁底質類型轉移矩陣結合表2活珊瑚覆蓋度計算得到，羚羊礁、中建島、甘泉島2005年活珊瑚覆蓋總量分別為573.83 hm2、414.54 hm2和87.13 hm2； 正、負數分別表示該底質類型活珊瑚覆蓋面積增加、減少， 發生恢復、白化； 白化率與恢復率分別按照公式(2)、(3)計算得到。

表8 羚羊礁、中建島、甘泉島總體時段底質類型活珊瑚面積變遷表(單位: hm2)Tab. 8 Changes in the living coral area of sediment types in Antelope Reef, Zhongjian Island, and Ganquan Island in the total time period (hm2)

結合表8， 總體時段羚羊礁活珊瑚面積減少了133.37 hm2， 白化面積 為191.46 hm2， 白 化率為33.36%， 達到嚴重白化等級， 在14個島礁中白化最嚴重， 其中珊瑚叢生區減少最多， 面積縮減164.27 hm2，占據了白化總量的86%； 在第1、2時段， 羚羊礁白化率分別為17.27%、21.56%， 分別達到了中度白化、重度白化等級。甘泉島與羚羊礁在地理位置上相鄰，但表現出了不同的白化狀況， 在14個島礁中恢復率最高， 總體時段達到了24.58%， 在其余兩個研究時段也分別達到了24.46%、13.5%。中建島白化率略低于羚羊礁， 但其白化趨勢嚴重， 總體、第1、第2時段白化率分別為–28.95%、–22.12%、–22.22%， 均為重度白化等級。

結合圖6發現總體時段羚羊礁、中建島白化集中在島礁內部珊瑚叢生區， 羚羊礁內部的白化位置較均衡， 而中建島西北部、北部區域白化嚴重， 此外，羚羊礁環島靠外側淺礁前斜坡部分也有白化； 甘泉島恢復主要發生在深礁前斜坡。第1時段羚羊礁白化集中在島礁內的北部、南部的珊瑚叢生區及環島靠外側的淺礁前斜坡， 中建島的白化區域、甘泉島恢復區域與總體時段大致相同， 但中建島白化面積相對減少， 甘泉島第1時段恢復率與總體時段基本持平。第2時段羚羊礁白化集中在島礁內東北部、西南部及環島靠外側部分， 白化主要由珊瑚叢生區、珊瑚沉積區、淺礁前斜坡白化引起； 中建島的白化區域主要發生在內部與外部環島區域； 甘泉島主要發生在靠近內側的淺礁前斜坡與珊瑚叢生區。

圖6 羚羊礁、甘泉島、中建島白化-恢復區域圖Fig. 6 Coral reef bleaching-recovery zone map in Albino Reef， Ganquan Island， and Zhongjian Island

除厄爾尼諾與拉尼娜事件外， 自20世紀70年代起中建島開始建設并駐軍； 羚羊礁羚羊社區人民就地取材， 利用珊瑚礁及貝殼等建造素有“珊瑚梁、貝殼墻”之稱的房屋， 加之近年來建設太陽能發電、海水淡化設備， 人為活動影響也導致羚羊礁、中建島發生大面積白化。

4 結論

本文以西沙永樂群島羚羊礁、中建島等14個島礁為研究區域， 利用SVM分類方法結合人機交互信息提取方法完成了永樂群島2005年、2011年和2018年珊瑚礁底質類型分類， 基于分類結果得到總體時段、第1時段和第2時段珊瑚礁底質類型變化分析結果， 開展不同尺度區域下的珊瑚礁白化分析， 得到以下結論：

1) 提出了輕度、中度、重度和嚴重白化四級珊瑚礁白化程度分級方法， 將總體時段永樂群島珊瑚礁白化狀況(白化率為20.57%)評價為重度白化等級，同時在單島分析中發現總體時段14個島礁中有11個達到重度白化及以上等級， 其中羚羊礁白化率(33.36%)最高， 達到嚴重白化等級；

2) 永樂群島總體時段珊瑚叢生區、淺礁前斜坡發生白化的面積為1 324.69 hm2， 占總體白化面積的98%， 珊瑚叢生區、淺礁前斜坡珊瑚礁白化是永樂群島珊瑚礁白化的主要來源；

3) 總體時段14個島礁中只有甘泉島珊瑚礁覆蓋度在逐漸增加， 其恢復率達到了24.58%， 表現出了較好的恢復態勢。