三亞鹿回頭海域疣狀杯形珊瑚反射率光譜分析

陳永強(qiáng)， 雷新明， 陳 標(biāo)， 黃 暉*

1. 中國科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LMB)， 廣東 廣州 510301 2. 中國科學(xué)院海南熱帶海洋生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)站， 海南 三亞 572000 3. 濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院真菌實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)寧 272111

引 言

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)擁有可以媲美熱帶雨林的豐富物種， 對(duì)人類社會(huì)有非常重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化價(jià)值[1]。 隨著全球氣候的變化， 人類破壞活動(dòng)加劇等使珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞， 大規(guī)模珊瑚白化死亡事件頻現(xiàn)[2-4]。 過去的30年里， 我國南海海域珊瑚礁已有80%退化[5-8]。 遙感技術(shù)具有大面積、 實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)， 可以作為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的高效工具[6-7]。 地物光譜特征的測量和分析是遙感理論研究的重要內(nèi)容， 也是各種遙感應(yīng)用分析的基礎(chǔ)[9]。 隨著高光譜遙感技術(shù)的迅速發(fā)展， 已經(jīng)能夠準(zhǔn)確、 快速地提供各種地面遙感數(shù)據(jù)。 本工作通過珊瑚礁底質(zhì)反射率光譜特征研究， 實(shí)現(xiàn)珊瑚礁底質(zhì)光譜識(shí)別, 為珊瑚礁遙感技術(shù)打下理論基礎(chǔ)， 具有非常重要的意義[9-10]。

國外學(xué)者根據(jù)導(dǎo)數(shù)分析證實(shí)了不同珊瑚礁底質(zhì)反射率光譜具有可區(qū)分性[11-13]， 為光譜反射率識(shí)別不同珊瑚礁底質(zhì)奠定了基礎(chǔ)， 促進(jìn)了遙感技術(shù)在珊瑚礁監(jiān)測與管理工作中的廣泛應(yīng)用。 我國南海分布著大量的珊瑚， 是世界珊瑚礁的重要組成部分。 珊瑚反射率光譜相關(guān)研究方興未艾[7-8]。 更多代表性區(qū)域珊瑚光譜特征與敏感波段的深入研究與分析， 更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為更加深入研究三亞灣海域常見珊瑚礁反射率光譜特征， 以三亞鹿回頭灣沿岸優(yōu)勢種疣狀杯形珊瑚為對(duì)象， 測量和分析健康和白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜， 旨在分析其光譜響應(yīng)特征， 嘗試識(shí)別健康、 白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜之間的區(qū)別， 尋找其識(shí)別敏感波段。 并對(duì)所得反射率光譜進(jìn)行導(dǎo)數(shù)分析， 確定健康與白化疣狀杯形珊瑚敏感波段， 為珊瑚礁遙感實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品處理

2013年2月1日上午， 在海南島三亞灣鹿回頭附近海域(圖1)， 采集了健康疣狀杯形珊瑚； 并對(duì)已有的白化的疣狀杯形珊瑚進(jìn)行了樣品處理。 珊瑚群體樣品大小控制在6 cm左右。 健康疣狀杯形珊瑚暫養(yǎng)于岸基實(shí)驗(yàn)室珊瑚養(yǎng)殖循環(huán)系統(tǒng)， 充分模擬野外環(huán)境， 海水經(jīng)過簡單過濾， 水溫控制在26 ℃， 光線為實(shí)時(shí)太陽光。 珊瑚在外界環(huán)境條件脅迫下逐漸失去蟲黃藻直至死亡這一過程稱為珊瑚白化， 其間包含蟲黃藻的失去和周圍水體藻類的附著， 其實(shí)為一種較為不穩(wěn)定的狀態(tài)。 為了便于分析比較， 本實(shí)驗(yàn)白化珊瑚借鑒光合色素提取方法， 樣品塊用90%丙酮24 h浸泡處理， 以去除其中多余色素， 處理后的樣品視為死亡珊瑚穩(wěn)定白化的理想狀態(tài)。 該方法的優(yōu)勢在于岸基單獨(dú)測量能夠有效摒除海底原位測量時(shí)周圍環(huán)境其他珊瑚或地物的影響， 測量更加精準(zhǔn)。

圖1 采樣位置所在海域

1.2 反射率光譜數(shù)據(jù)采集

所采集健康疣狀杯形珊瑚樣品暫養(yǎng)于岸基實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖缸內(nèi)緩沖4 h， 等其生理狀態(tài)基本保持穩(wěn)定以后， 分別測量各樣品塊的反射率光譜。 光譜數(shù)據(jù)采集條件為， 天空晴朗， 無云遮擋[7-8]。 實(shí)驗(yàn)使用美國海洋光學(xué)光譜儀(USB2000+)， 其測量范圍200～850 nm， 分辨率1.34 nm， 采樣步長0.6 nm， 視場角為25°。 測量時(shí)將樣品放在裝有海水的玻璃缸內(nèi)的平臺(tái)上， 26 ℃過濾海水持續(xù)緩慢注入， 以保持玻璃缸內(nèi)水溫一致； 多余的從缸壁四周緩慢溢出保證水面無波紋擾動(dòng)， 以去除入射光線經(jīng)過非平靜水表折射進(jìn)入水體后將發(fā)生“匯聚現(xiàn)象”給光譜測量帶來的諸多問題； 玻璃缸用黑色尼龍布在四周遮光， 以免玻璃缸壁光反射對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起誤差。 為了最小化光纖探頭和珊瑚樣品塊之間的海水對(duì)光線產(chǎn)生的影響， 光纖探頭與所測樣品之間的距離定為5 cm， 以減少光譜儀探頭與所測樣品之間海水柱的吸收和散射對(duì)光譜測量的影響， 每個(gè)樣品塊測量重復(fù)10次取其平均值。 測量光源為太陽光， 為減少測量時(shí)間變化對(duì)光強(qiáng)度的影響， 每次新的測量開始前須重新校正光譜儀[7-8]， 在能夠優(yōu)先保證所測數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下， 盡可能地縮短測量所用時(shí)間。 共獲得50組健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜和40組白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜。

1.3 數(shù)據(jù)處理

可見光是電磁波譜中在水體內(nèi)穿透能力較強(qiáng)波段， 尤其是其中的藍(lán)色光波段在清澈水域能深入到水下達(dá)40多米處， 這使得可見光波段能很好地用于珊瑚礁水下遙感監(jiān)測[7-8]。 因此， 選用400～700 nm波段下樣品的反射率光譜進(jìn)行分析。 通過多次測量取平均值的方法， 測定健康和白化疣狀杯形珊瑚的反射率光譜。

利用導(dǎo)數(shù)分析的方法能放大不同研究對(duì)象反射率光譜間的差異， 便于確定健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜的敏感波段[9]。 通過對(duì)反射率光譜求導(dǎo)數(shù)， 從混合的反射率光譜中分離出被覆蓋住的弱的波峰， 同時(shí)導(dǎo)數(shù)光譜仍保持多元組分光譜的線性疊加性的特征。 四階導(dǎo)數(shù)光譜法在提高檢測靈敏度， 改善分辨率和加強(qiáng)抗干擾力等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[9]。 使用統(tǒng)計(jì)軟件Origin 10分別進(jìn)行反射率光譜數(shù)據(jù)一階、 二階導(dǎo)數(shù)和四階導(dǎo)數(shù)分析， 根據(jù)反射率光譜導(dǎo)數(shù)之間的差異確定健康和白化疣狀杯形珊瑚光譜的敏感波段。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜

如圖2所示為健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜譜線， 可見光范圍內(nèi)反射率光譜譜線較為平坦， 其值介于3%～20%之間。 健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜在藍(lán)紫光波段(400～480 nm)附近出現(xiàn)相對(duì)低值， 這在很大程度上與光合色素吸收有關(guān)(葉綠素兩個(gè)最強(qiáng)的光譜吸收區(qū)域之一為： 430～450 nm波段)； 515， 580， 604.7和647 nm處為波峰； 669 nm處出現(xiàn)波谷； 之后反射率光譜明顯增強(qiáng)(圖2)。

圖2 健康狀態(tài)疣狀杯形珊瑚的反射率光譜

白化狀態(tài)下疣狀杯形珊瑚的反射率光譜波形起伏相對(duì)平緩， 與健康狀態(tài)疣狀杯形珊瑚反射率光譜的相比， 白化珊瑚的反射率光譜值相對(duì)較高， 其值差別比較明顯。 相對(duì)于健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜波谷出現(xiàn)于669 nm， 白化疣狀杯形珊瑚的反射率光譜相對(duì)較弱的波谷出現(xiàn)于663 nm處。 白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜波形平緩， 變化相對(duì)單調(diào)， 其值介于45%～55%之間； 其中400～550 nm波段變化相對(duì)較大， 550～663 nm波段呈現(xiàn)緩慢下降趨勢， 663～700 nm波段急劇升高； 除550 nm處有一個(gè)平緩波峰外無顯著波峰， 663 nm處出現(xiàn)相對(duì)較弱的波谷， 總體趨勢較為平緩(圖3)。

2.2 健康和白化狀態(tài)疣狀杯形珊瑚反射率光譜的對(duì)比分析

如圖4所示， 可見光波段內(nèi)(400～700 nm)健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜整體上小于10%， 白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜明顯大于健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜處于45%～55%之間。 相較于健康疣狀杯形珊瑚的反射率光譜， 白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜波形相對(duì)平緩， 相對(duì)較弱的波谷出現(xiàn)于663 nm處， 與健康狀態(tài)疣狀杯形珊瑚出現(xiàn)在669 nm處的波谷有一定差異。 515， 580， 604.7和647 nm特征波峰處亦無明顯波峰(圖4)。

圖3 白化狀態(tài)疣狀杯形珊瑚的反射率光譜

圖4 健康疣狀杯形珊瑚與白化疣狀杯形珊瑚的反射率光譜對(duì)比

2.3 健康與白化狀態(tài)疣狀杯形珊瑚反射率光譜的導(dǎo)數(shù)分析

反射率光譜的導(dǎo)數(shù)分析能夠反映出健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜信號(hào)相反的區(qū)域， 根據(jù)相反的信號(hào)能夠識(shí)別不同狀態(tài)的珊瑚。 本研究采用4 nm的波長間隔， 采用導(dǎo)數(shù)分析法分析了健康狀態(tài)疣狀杯形珊瑚與白化狀態(tài)疣狀杯形珊瑚反射率光譜一階導(dǎo)數(shù)、 二階導(dǎo)數(shù)和四階導(dǎo)數(shù)。 由圖5—圖7可見, 反射率光譜一階導(dǎo)數(shù)差別并不明顯， 二階導(dǎo)數(shù)和四階導(dǎo)數(shù)結(jié)果可區(qū)分波段相對(duì)較多， 曲線平滑， 極值明顯。

反射率光譜的一階導(dǎo)數(shù)結(jié)果顯示, 可見光(400～700 nm)范圍內(nèi)白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜導(dǎo)數(shù)與健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜的導(dǎo)數(shù)存在7個(gè)信號(hào)相反的波段， 即404～425， 456～466， 513～532， 556～560， 563～568， 592～596和661～667 nm波段范圍內(nèi)， 健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜導(dǎo)數(shù)信號(hào)相反， 這能夠?qū)⒔】蹬c白化疣狀杯形珊瑚很好地區(qū)分開來； 其余波段， 一階導(dǎo)數(shù)值差異并不明顯， 不能用以識(shí)別不同狀態(tài)珊瑚(圖5)。

反射率光譜二階導(dǎo)數(shù)分析結(jié)果表明： 可見光范圍內(nèi)健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜二階導(dǎo)數(shù)可區(qū)分波段相對(duì)較多， 在408～420， 435～439， 472～484， 542～556， 563～573， 577～584， 587～592， 615～634， 650～654， 655～658， 662～665， 681～684和687～695 nm等波段范圍內(nèi)， 健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜信號(hào)相反， 能夠很好地區(qū)分健康與白化疣狀杯形珊瑚； 其他波段范圍內(nèi)， 健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜二階導(dǎo)數(shù)值差異不明顯， 難以進(jìn)行區(qū)分(圖6)。

圖5 健康疣狀杯形珊瑚與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜的一階導(dǎo)數(shù)

圖6 健康疣狀杯形珊瑚與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜的二階導(dǎo)數(shù)

Fig.6 Second-order derivatives of healthy and bleachedPocilloporaverrucosareflectance spectrum

圖7 健康與白化狀態(tài)疣狀杯形珊瑚反射率光譜的四階導(dǎo)數(shù)

反射率光譜四階導(dǎo)數(shù)分析結(jié)果表明： 健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜四階導(dǎo)數(shù)可區(qū)分波段在402～418， 430～435， 436～442， 452～457， 466～472， 473～477， 478～481， 584～588， 589～594， 617～622， 623～634和684～689 nm波段范圍內(nèi)， 健康與白化狀態(tài)疣狀杯形珊瑚反射率光譜的四階導(dǎo)數(shù)信號(hào)符號(hào)相反， 可以用以區(qū)分健康與白化疣狀杯形珊瑚； 其他波段范圍的波段內(nèi)， 健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜四階導(dǎo)數(shù)值差異不明顯， 不能光譜識(shí)別健康與白化狀態(tài)疣狀杯形珊瑚(圖7)。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)受氣候變化和人類活動(dòng)的影響也日益加劇， 其多樣性劇減， 生態(tài)功能退化嚴(yán)重[14]。 我國珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)主要分布于南海， 絕大多數(shù)島礁地理位置偏遠(yuǎn)， 造成監(jiān)測與管理諸多不便[15]， 珊瑚礁遙感監(jiān)測與保護(hù)開展尤為迫切。 遙感技術(shù)可以實(shí)時(shí)、 大面積監(jiān)測， 便于珊瑚礁監(jiān)測、 保護(hù)和管理[7-8]。 珊瑚光譜特征是珊瑚礁遙感基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容， 可以作為使用遙感技術(shù)研究珊瑚礁的重要理論基礎(chǔ)。 因此， 測量和研究珊瑚礁底質(zhì)光譜反射率光譜尤為重要。

本工作測量和分析了健康和白化狀態(tài)的疣狀杯形珊瑚反射率光譜， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反射率光譜識(shí)別能夠很好地應(yīng)用于我國海南三亞灣鹿回頭海域優(yōu)勢物種疣狀杯形珊瑚。 健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜在515， 580， 604.7和647 nm處出現(xiàn)顯著波峰， 與Hochberg[9]等所描述的典型棕色型珊瑚光譜(即， 反射率光譜最大值出現(xiàn)在600 nm， 兩肩峰分別為570和650 nm)雖有所差異， 但基本一致； 此外在515 nm綠光處存在一個(gè)不顯著波峰。 可見光波段內(nèi)， 與國外學(xué)者Hochberg所測白化珊瑚反射率光譜的波形差別較大， 表現(xiàn)為白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜明顯高于健康疣狀杯形珊瑚反射率光譜， 不但反射率光譜整體相對(duì)偏高(45%～55%之間)， 而且波形相對(duì)平緩， 669 nm處也未出現(xiàn)明顯的波谷， 而是在663 nm處出現(xiàn)一個(gè)微弱波谷。 這可能由于本實(shí)驗(yàn)與Hochberg所研究用白化珊瑚樣品白化程度不同有關(guān)， 本實(shí)驗(yàn)白化珊瑚濰90%丙酮浸泡處理過的樣品， 而Hochberg所用白化珊瑚為自然狀態(tài)下白化的樣品。 自然狀態(tài)下白化珊瑚表面會(huì)附著生有藻類， 從而改變了其反射率光譜特征[16]。

珊瑚反射率光譜敏感波段的確定， 能為珊瑚礁遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展起到指導(dǎo)性作用。 導(dǎo)數(shù)分析能放大不同地物反射率光譜的差異， 可以確定不同目標(biāo)地物的反射率光譜敏感波段。 通過不同健康狀況疣狀杯形珊瑚反射率光譜一階導(dǎo)數(shù)分析， 發(fā)現(xiàn)404～425， 456～466， 513～532， 563～568和661～667 nm波段處反射率光譜信號(hào)相反區(qū)域能夠很好地區(qū)分健康與白化疣狀杯形珊瑚， 與Holden等[16]所得不同健康狀況下珊瑚敏感波段(500～590 nm)的結(jié)果有所差異。 其差異可能是因?yàn)槲覀兯x用的白化珊瑚樣品為理想化狀態(tài)下的完全白化樣品， 而Holden等所用樣品為自然狀態(tài)下部分白化樣品。 研究表明， 珊瑚光譜的變化直接與其體內(nèi)色素相關(guān)。 而珊瑚在受到溫度壓力時(shí)會(huì)向外釋放蟲黃藻或色素， 嚴(yán)重情況下甚至出現(xiàn)白化或死亡的現(xiàn)象[6, 10-11]。 自然狀態(tài)珊瑚部分白化難以界定， 原因在于白化后可能受環(huán)境水體藻類附著污染。 有關(guān)珊瑚白化程度對(duì)珊瑚反射率光譜的影響， 有待進(jìn)一步研究。 二階導(dǎo)數(shù)分析表明， 健康與白化疣狀杯形珊瑚反射率光譜二階導(dǎo)數(shù)可區(qū)分波段相對(duì)較多、 波段較短主要為408～420， 542～556， 563～573， 615～634和685～693 nm等波段； 四階導(dǎo)數(shù)分析表明可區(qū)分波段為402～418， 466～472， 478～481， 617～622和685～690 nm波段。