1987-2018年儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁分布數(shù)據(jù)集

霍艷輝，朱嵐巍，張少宇，楊旭，唐世林

1.海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 572000

2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

3.華北理工大學(xué)，河北唐山 063210

4.東華理工大學(xué)，南昌 330013

5.清華同方威視技術(shù)股份有限公司，北京 100094

6.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所廣東省海洋遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510220

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）基本信息簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）名稱(chēng) 1987-2018年儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁分布數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 霍艷輝、朱嵐巍、張少宇、楊旭、唐世林?jǐn)?shù)據(jù)通信作者 朱嵐?。▃hulw@aircas.ac.cn）數(shù)據(jù)時(shí)間范圍 1987-2018年地理區(qū)域本 數(shù) 據(jù) 集 覆 蓋 范 圍 為 北 緯 18°10′30″-18°15′30″， 東 經(jīng)109°20′50″-109°40′30″和北緯19°33′00″-19°53′00″，東經(jīng)108°57′00″-109°16′00″。分別位于海南省南部與東部近岸及海島四周海域?？臻g分辨率 4 m，10 m，30 m數(shù)據(jù)量 14.1 MB數(shù)據(jù)格式 *.shp數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/687

基金項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)（集）組成海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZDKJ2016021）；海南省面上自然科學(xué)基金（sy17zm01132）；廣東省海洋遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（2017B030301005-LORS1904）；國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展重大工程（2016-999999-65-01-000696-01）。本數(shù)據(jù)集主要包括海南儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)3種不同數(shù)據(jù)源的淺海珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這些數(shù)據(jù)保存為1個(gè)壓縮文件（1987-2018年儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁分布數(shù)據(jù)集.rar），每期珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)單獨(dú)存在以年份命名的文件夾里。

引 言

珊瑚礁被譽(yù)為“藍(lán)色沙漠中的綠洲”，是海洋中非常獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，生活在珊瑚礁區(qū)的物種異常豐富[1]，也是重要的漁場(chǎng)和海洋旅游資源[2]，具有很高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。珊瑚礁的面積約占全球海洋總面積的0.25%，但是其卻養(yǎng)活了超過(guò)1/4的海洋魚(yú)類(lèi)[3]。珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)具有驚人的生物多樣性和極高的初級(jí)生產(chǎn)力[4]，對(duì)海水溫度、酸度和海水污染物的反應(yīng)非常敏捷，可以作為一種海洋環(huán)境的主要生物指標(biāo)[5]，同時(shí)起到調(diào)節(jié)和優(yōu)化海洋環(huán)境的作用，及時(shí)把握珊瑚礁的空間分布范圍，對(duì)監(jiān)測(cè)海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

本文以多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用目視解譯和閾值分割的方法，利用遙感方法獲取海南儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)1987-2018年51期珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。相關(guān)研究成果作為海南省海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等成果的一部分，反映時(shí)間序列下珊瑚礁空間分布變化特征，為保護(hù)區(qū)保護(hù)和管理珊瑚礁提供科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本數(shù)據(jù)集以海南省高分?jǐn)?shù)據(jù)與應(yīng)用中心提供的海南三亞 2017年4 m分辨率的 GF-2多光譜影像、歐洲太空局（http://scihub.copernicus.eu/）提供的海南地區(qū)2016-2018年10 m分辨率的Sentinel-2多光譜影像和美國(guó)地質(zhì)勘探局（http://glovis.usgs.gov/）提供的海南地區(qū)1987-2018年的30 m分辨率的多光譜遙感影像Landsat TM/OLI為數(shù)據(jù)源，共獲取無(wú)云或少云影響的44景影像。表1所示的是本次所使用的遙感衛(wèi)星影像序列號(hào)及成像時(shí)間信息。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表

序號(hào) 成像日期 衛(wèi)星 傳感器 影像序列號(hào)S2A_MSIL1C_20181030T030831_N0206_R075_T49QCA_20 6 2018-10-30 Sentinel-2 MSI 181030T060940.SAFE 7 1987-02-05 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_19870205_20170320_01_T1 8 1989-03-14 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_19890314_20170204_01_T1 9 1991-11-15 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_19911115_20170125_01_T1 10 1993-01-04 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_19930104_20170121_01_T1 11 1995-01-10 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_19950110_20170110_01_T1 12 1997-10-30 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_19971030_20161229_01_T1 13 1999-12-23 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_19991223_20161215_01_T1 14 2001-11-26 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_20011126_20161210_01_T1 15 2003-02-01 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_20030201_20161206_01_T1 16 2005-07-16 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_20050716_20161125_01_T1 17 2007-01-27 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_20070127_20161117_01_T1 18 2009-10-31 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_20091031_20161018_01_T1 19 2011-02-07 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124047_20110207_20161010_01_T1 20 2013-10-26 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124047_20131026_20170429_01_T1 21 2014-11-14 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124047_20141114_20170417_01_T1 22 2015-10-16 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124047_20151016_20170403_01_T1 23 2016-02-05 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124047_20160205_20170330_01_T1 24 2017-05-30 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124047_20170530_20170615_01_T1 25 2018-02-10 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124047_20180210_20180222_01_T1 26 1987-04-10 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_19870410_20170320_01_T1 27 1989-07-20 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_19890720_20170202_01_T1 28 1991-05-23 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_19910523_20170126_01_T1 29 1993-05-12 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_19930512_20170119_01_T1 30 1995-07-21 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_19950721_20170108_01_T1 31 1997-06-08 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_19970608_20161231_01_T1 32 1999-06-30 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_19990630_20161219_01_T1 33 2001-08-06 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_20010806_20161210_01_T1 34 2003-02-25 Landsat 7 ETM LE07_L1TP_124046_20030225_20170126_01_T1 35 2005-08-01 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_20050801_20161124_01_T1 36 2007-07-06 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_20070706_20161113_01_T1 37 2009-07-27 Landsat 5 TM LT05_L1TP_124046_20090727_20161023_01_T1 38 2011-07-09 Landsat 7 ETM LE07_L1TP_124046_20110709_20140705_01_T1 39 2013-05-19 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124046_20130519_20170504_01_T1 40 2014-08-10 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124046_20140810_20170420_01_T1

序號(hào) 成像日期 衛(wèi)星 傳感器 影像序列號(hào)41 2015-06-26 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124046_20150626_20170407_01_T1 42 2016-12-05 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124046_20161205_20170317_01_T1 43 2017-09-19 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124046_20170919_20170920_01_RT 44 2018-05-17 Landsat 8 OLI LC08_L1TP_124046_20180517_20180517_01_RT

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 目視解譯

影像解譯是指從圖像獲取信息的基本過(guò)程。目視解譯是遙感圖像解譯的一種，又稱(chēng)目視判讀或目視判譯，是遙感成像的逆過(guò)程。目視解譯就是從遙感影像上借助影像的解譯標(biāo)志識(shí)別目標(biāo)，定性定量地提取出目標(biāo)的分布、結(jié)構(gòu)、功能等有關(guān)信息，并把它們表示在地理底圖上的過(guò)程[6]。

影像的解譯標(biāo)志，也稱(chēng)判讀要素，它是遙感影像上能直接反應(yīng)和判別地物信息的影像特征，包括形狀、大小、顏色和色調(diào)、陰影、位置、結(jié)構(gòu)、紋理、圖案、布局和立體外貌等[7]。

結(jié)合岸礁在遙感影像上的光學(xué)顏色、地理位置、形狀、生成條件等特征形成綜合全方位的解譯標(biāo)志，借助遙感增強(qiáng)方法（諸如圖像融合、圖像拉伸、主成分變換等方法），在ArcGIS 10.1軟件中將Landsat TM/OLI影像按照最優(yōu)的波段組合及圖像增強(qiáng)方式顯示，結(jié)合實(shí)地踏勘地點(diǎn)，建立淺海珊瑚礁的解譯標(biāo)志[8]，如表2所示。

目視解譯數(shù)據(jù)集按照?qǐng)D1所示處理流程獲得淺海珊瑚礁空間分布信息，在ENVI中加載影像，首先進(jìn)行輻射定標(biāo)，將DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度數(shù)據(jù)，得到輻射亮度影像；然后進(jìn)行FLAASH大氣校正，將輻射亮度值轉(zhuǎn)化為地表反射率，得到地表反射率影像；再根據(jù)保護(hù)區(qū)范圍進(jìn)行裁剪；隨后計(jì)算歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI），對(duì)其進(jìn)行直方圖閾值分割，再進(jìn)行水陸掩膜，將陸地掩膜掉[9]；在 ArcGIS 10.1中按著紅綠藍(lán)波段組合的方式打開(kāi)經(jīng)過(guò)陸地掩膜后的影像，基于本節(jié)確定的目視解譯標(biāo)志，采用數(shù)字矢量化方法得到淺海珊瑚礁空間分布信息。最終獲取儋州灣17期淺海珊瑚礁空間分布結(jié)果，三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)19期淺海珊瑚礁空間分布結(jié)果。

表2 淺海珊瑚礁空間分布信息解譯標(biāo)志

解譯標(biāo)志 名稱(chēng) 圖像特點(diǎn) 解譯標(biāo)志詳解形狀 條帶狀珊瑚礁images/BZ_31_888_327_1360_679.png岸礁是沿大陸或島嶼岸邊生長(zhǎng)發(fā)育的礁體，一般呈現(xiàn)條狀或帶狀分布。位置 河流入海口水深 水深images/BZ_31_888_719_1360_1072.pngimages/BZ_31_888_1111_1360_1464.png造礁珊瑚生長(zhǎng)在鹽度為 27‰-40‰的海水中，最佳鹽度范圍是 34‰-36‰，而在淡水入海口的地方，鹽度會(huì)被稀釋下降，不適合珊瑚礁形成。一般認(rèn)為造礁珊瑚生長(zhǎng)的水深范圍是0-50 m，最佳水深為20 m以?xún)?nèi)。

1.2.2 閾值分割自動(dòng)提取

首先對(duì)原始遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，將DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度數(shù)據(jù)，得到輻射亮度影像；對(duì)定標(biāo)后的遙感影像進(jìn)行大氣校正，將輻射亮度值轉(zhuǎn)化為地表反射率，得到地表反射率影像；再利用海岸線(xiàn)數(shù)據(jù)以及歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）進(jìn)行閾值分割，掩膜陸地信息；利用藍(lán)綠波段比值和歸一化植被指數(shù)（NDVI）進(jìn)行直方圖閾值分割，獲取淺海珊瑚礁礁空間分布信息。提取流程如圖2所示。

采用閾值分割的方法，分別獲取儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)各6期淺海珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)（基于2013-2018年Landsat 8 影像）；采用閾值分割的方法，獲取三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)3期淺海珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)（基于2016-2018年Sentinel-2影像）。

圖2 閾值分割技術(shù)流程圖

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)組成

本數(shù)據(jù)集包括儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū) 1987-2018年共計(jì) 51期淺海珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)保存為1個(gè)壓縮文件（“1987-2018年儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁分布數(shù)據(jù)集.rar”），每期數(shù)據(jù)單獨(dú)存貯在以年份命名的文件夾里，總數(shù)據(jù)量為14.1 MB。每個(gè)文件夾中存貯對(duì)應(yīng)的shp矢量數(shù)據(jù)文件，所有數(shù)據(jù)均采用與遙感影像一致的UTM-WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)樣本

儋州灣淺海珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)如圖 3-5。三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)如圖6-11。

圖3 儋州灣淺海珊瑚礁目視解譯空間分布圖（2018年Landsat 8 RGB:432）

圖4 儋州灣淺海珊瑚礁目視解譯空間分布趨勢(shì)圖（1987-2018年）

圖5 儋州灣淺海珊瑚礁閾值分割空間分布圖（2013年、2015年、2018年Landsat 8 RGB:432）

圖6 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁目視解譯空間分布圖（2017年GF-2 RGB:321）

圖7 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁目視解譯空間分布圖（2018年Sentinel-2 RGB:432）

圖8 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁目視解譯空間分布圖（2018年Landsat8 RGB:432）

圖9 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁目視解譯空間分布趨勢(shì)圖（1987-2018年）

圖10 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁閾值分割空間分布圖（2018年Sentinel-2 RGB:432）

圖11 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)淺海珊瑚礁閾值分割空間分布圖（2018年Landsat 8 RGB:432）

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

3.1 精度驗(yàn)證方法與技術(shù)路線(xiàn)

本數(shù)據(jù)集通過(guò)驗(yàn)證影像上珊瑚礁光譜反射率曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)珊瑚礁光譜反射率曲線(xiàn)的擬合程度來(lái)驗(yàn)證精度（圖12）。

首先，提取影像上珊瑚礁光譜反射率曲線(xiàn)。利用ENVI軟件，統(tǒng)計(jì)珊瑚礁斑塊的平均光譜反射率曲線(xiàn)，并提取平均光譜反射率值。

其次，利用便攜式地物光譜儀（美國(guó)ASD公司生產(chǎn)，型號(hào)為FieldSpec 3）采集并生成珊瑚礁光譜反射率曲線(xiàn)。采用水下測(cè)量法進(jìn)行珊瑚礁光譜采集，利用viewspec pro軟件對(duì)采集的光譜進(jìn)行處理，得到珊瑚礁光譜反射率曲線(xiàn)[10]。提取出與影像中心波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光譜反射率值。

最后，利用MATLAB的corrcoef(x,y)函數(shù)，計(jì)算影像上珊瑚礁平均光譜反射率值與相應(yīng)波長(zhǎng)的光譜反射率值的相關(guān)系數(shù)R。R取值在[-1,1]，0表示不相關(guān)；0～1表示正相關(guān)，值越大越相關(guān)；-1～0表示負(fù)相關(guān)，值越小越相關(guān)。

圖12 精度驗(yàn)證技術(shù)流程圖

3.2 精度驗(yàn)證結(jié)果

以2018年Landsat 8影像為例，從研究區(qū)中選出珊瑚礁分布集中的5個(gè)斑塊（西玳瑁島、鹿回頭灣、小東海、磷槍石島和湳灘港），統(tǒng)計(jì)其平均光譜反射率。計(jì)算相關(guān)系數(shù)R見(jiàn)表3。

表3 相關(guān)系數(shù)R

由表3可以看出，上述5個(gè)斑塊中相關(guān)系數(shù)R都在0.8以上，其中峨蔓港的可信度最高為96%，小東海的可信度最低為86%?？傮w來(lái)看，提取目標(biāo)為珊瑚礁的可信度可達(dá)80%以上。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1987-2018年儋州灣和三亞珊瑚礁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)51期淺海珊瑚礁空間分布數(shù)據(jù)集為shp格式，可利用ArcGIS、ENVI等相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)本數(shù)據(jù)集進(jìn)行編輯、查詢(xún)以及后續(xù)分析工作。本數(shù)據(jù)集可以為保護(hù)和監(jiān)管珊瑚礁提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。