珊瑚礁遥感监测方法研究

摘要

在气候环境变化和人类活动的双重影响下，全球珊瑚礁正面临着严重的危机，有可能成为第一个因全球变暖而消失的生态系统。遥感技术可以快速、大面积、周期性地获取全球范围内珊瑚礁的各类信息，已经发展成为珊瑚礁调查和监测的主要手段。为了更有效地保护珊瑚礁生态系统，研究适用于我国珊瑚礁遥感监测的技术与方法，具有重要的现实意义。
　　本文以广东徐闻珊瑚礁保护区为研究区域，开展珊瑚礁水下地形遥感反演、底质光谱特征分析、珊瑚信息提取、健康状态变化检测等相关技术研究。主要结果如下:
　　(1)基于研究区TM遥感影像和水深数据，建立了珊瑚礁区水下地形的遥感反演模型。基于水深反演专题图，结合珊瑚礁生态地貌特点，初步划分了珊瑚礁水下生态带。通过遥感解译从更宏观的角度描述了珊瑚礁水下地貌概况，表明了水深遥感方法在珊瑚礁区水下地形反演中的可行性。
　　(2)通过对珊瑚礁不同底质的光谱测量与特征分析，研究发现各类底质光谱反射率总体上呈现出一个高反射区(400～580nm)、快速衰减区(580～740nm)和一个低反射区(740～900nm)，不同的底质光谱之间存在特征差异，且底质光谱反射率受到水深和水质环境的影响较大。对比野外实验采集的五种珊瑚优势种的光谱反射率，研究发现不同珊瑚优势种之间光谱特征存在明显差异。同一种珊瑚在健康与白化两种状态下光谱之间也存在明显差异，通过光谱的一阶微分处理可以更清晰地发现这些差异。而对于同属不同种的珊瑚而言，其光谱差异非常细微，光谱可分性较差。通过对ETM+、QuickBird、IKONOS和SPOT5等几类常用的传感器进行光谱响应分析，结果表明:对于简单的底质粗分类，这几种传感器都能够有效发挥作用;而对于更细致的底质精分类，则需要借助高光谱资料进行更深入的分析。光谱测量与分析为遥感监测工作的后续开展提供了光谱学基础，也为遥感数据源选择和底质分类提供了依据。
　　(3)通过研究珊瑚信息提取方法，在水深反演基础上提出利用礁盘水深识别模型来提取大型礁盘信息。结果表明:应用该模型能够提取出潜在的大型礁盘信息，但是受模型精度的影响对一些礁盘存在误判情况，结合野外调查数据进一步检验，能够更准确地识别大型礁盘。基于底质光谱特征，应用高空间分辨率QuickBird影像对珊瑚礁底质进行粗分类研究，采用监督和非监督分类分别提取出珊瑚信息，并作对比分析。分析结果表明:提取的珊瑚主要分布于近岸1km附近的区域，水深2m以浅范围;监督分类提取珊瑚信息的精度约为71％，高于非监督分类的精度。受水深和遥感数据影响，底质信息提取的精度还有待进一步提高，研究工作初步建立起了珊瑚礁浅海底质信息提取的思路和方法，为后续的研究提供了参考。
　　(4)基于珊瑚礁生态系统的空间特征，研究基于多时相影像空间统计的变化检测方法，利用该方法识别出珊瑚礁健康状态发生变化的区域。论文对研究区2004、2007和2010年三景TM影像资料进行空间局部自相关统计分析，结果表明:三个不同年份局部区域表现出了较为明显的空间统计变化特征，空间低值聚集区和高值聚集区变化较为明显，反映出了2004～2010年研究区范围内生态系统的总体变化趋势。通过对2004～2010年间的4个野外调查样方资料进行分析，对其空间统计上的变化趋势进行了遥感解译，结果证实了变化检测方法的有效性。此外，受连续多年的强台风影响，近岸海域覆盖了大量的死亡珊瑚碎片和泥砂混合物，空间统计分析上近岸区域表现为明显的同质性增强趋势，表明了珊瑚礁生态系统受台风灾害影响较明显。该变化检测方法具有对深度、水体等不太敏感的优点，降低了实际应用难度，为珊瑚礁遥感动态监测提供了一个新的思路。
　　本文研究了珊瑚礁遥感监测方法，讨论了遥感技术在珊瑚礁资源调查与动态监测方面的可行性，对一些技术和方法的具体应用进行了尝试。珊瑚礁生态系统具有较强的区域特征，虽然以徐闻保护区为例取得了初步的结果，但是未来还需要在水下光谱、物理模型、水体影响、多源遥感相结合等方面开展深入研究。

目录

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摘要

图表目录

第一章 引言

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 珊瑚及珊瑚礁简介

1．1．3 珊瑚礁遥感监测概述

1．1．4 研究意义

1．2 国内外研究情况

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容及方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 研究区概况与数据来源

2．1 研究区概况

2．2 数据来源

2．2．1 遥感数据

2．2．2 野外调查数据

2．2．3 水质数据

2．2．4 其他数据

第三章 珊瑚礁区水下地形遥感监测方法研究

3．1 浅海水深遥感基本原理

3．2 水深遥感的数学模型

3．3 数据处理与分析

3．3．1 数据来源

3．3．2 遥感图像处理

3．3．3 水深数据处理

3．4 反演模型的建立

3．4．1 样本选取

3．4．2 模型建立

3．4．3 精度检验

3．4．4 水深专题图制作

3．5 结果分析与评价

3．5．1 珊瑚礁水下生态带遥感解译

3．5．2 水深数据的精度影响分析

3．6 小结

第四章 珊瑚礁底质光谱特征分析

4．1 底质光谱测量原理与方法

4．1．1 光谱测量的原理

4．1．2 光谱测量方法

4．2 底质光谱数据处理

4．2．1 数据测量

4．2．2 反射率计算

4．3 底质光谱分析

4．3．1 不同底质光谱特征

4．3．2 光谱影响因素分析

4．3．3 光谱响应函数模拟

4．3．4 光谱可分性分析

4．4 优势种珊瑚与白化珊瑚光谱分析

4．4．1 珊瑚优势种与白化概述

4．4．2 光谱测量与数据处理

4．4．3 优势种珊瑚的光谱特征分析

4．4．4 白化珊瑚光谱特征分析

4．4．5 健康与白化珊瑚的光谱对比分析

4．4．6 同属不同种珊瑚光谱对比分析

4．4．7 优势种与白化珊瑚光谱一阶微分

4．5 小结

第五章 基于高空间分辨率影像的珊瑚信息提取方法研究

5．1 原理与方法

5．1．1 基本原理

5．1．2 分类方法

5．2 数据处理

5．2．1 遥感影像处理

5．2．2 水深数据处理

5．3 大型礁盘信息提取及结果分析

5．3．1 礁盘水深识别模型建立

5．3．2 信息提取及结果分析

5．4 基于QuickBird影像的珊瑚信息提取

5．4．1 监督与非监督分类结果

5．4．2 影响因素分析

5．5 水体校正法原理及分析

5．6 小结

第六章 基于多时相影像的珊瑚礁变化检测方法研究

6．1 变化检测方法概述

6．1．1 基本原理

6．1．2 检测方法

6．2 变化检测实例研究

6．2．1 影像数据处理

6．2．2 Gi*统计

6．2．3 计算机程序实现

6．3 结果与分析

6．3．1 统计结果

6．3．2 结果分析

6．3．3 方法评价

6．4 小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 研究创新点

7．3 讨论与展望

7．3．1 讨论

7．3．2 展望

参考文献

博士在读期间的学术成果

致谢