基于Landsat 8 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的南沙礁群分布研究

蔣昌波，馬遠(yuǎn)，隆院男，袁帥，康遠(yuǎn)泰，尹令實(shí)，閆世雄

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

南沙群島海域遼闊，海床地形崎嶇多變，槽谷系統(tǒng)交錯(cuò)，海山挺拔屹立，島嶼與珊瑚礁廣泛分布。海島、礁石等在《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》中地位較特殊，涉及領(lǐng)土、領(lǐng)海、毗連區(qū)及專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)相關(guān)權(quán)利，因此對(duì)南沙礁體密度分布進(jìn)行研究具有重要意義（陳史堅(jiān)，1982）。

19 世紀(jì)以來，諸多學(xué)者對(duì)珊瑚礁的關(guān)注度不斷攀升，中國(guó)在1980 年對(duì)南沙群島自然地理特征、珊瑚礁地貌、地質(zhì)情況等多方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了南沙群島的自然價(jià)值、航運(yùn)價(jià)值和軍事價(jià)值（索安寧等，2010；趙煥庭等，2014）。關(guān)于島礁空間形態(tài)特征的研究，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作（Kordi et al，2016），有學(xué)者利用分形理論為島礁空間形態(tài)的研究建立新的數(shù)學(xué)語言和定量描述方法，利用生態(tài)學(xué)的空間格局指數(shù)對(duì)群島空間格局進(jìn)行量化，同時(shí)結(jié)合島礁控制范圍的復(fù)雜現(xiàn)狀提出綜合可達(dá)性指數(shù)，有助于定量分析島礁控制態(tài)勢(shì)（石偉 等，2014a；Dong et al，2019）。珊瑚島沉積物的主要組成成分是反映珊瑚島成因和特征的重要標(biāo)志，也是劃分珊瑚島的最主要依據(jù)（Stoddart et al，1977；Hopley et al，2007）。不同類型的珊瑚礁體因地貌特征的不同在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化時(shí)會(huì)表現(xiàn)出明顯的 差 異 性（Woodroffe，2008； Hamylton et al，2015），珊瑚島的形狀受珊瑚礁本身形狀及礁周圍波浪作用的疊加影響，通常狹長(zhǎng)形的珊瑚島比偏圓形的珊瑚島更易受環(huán)境變化影響，穩(wěn)定性稍差（Tomascik et al，1997）。有學(xué)者在南沙珊瑚礁工程地質(zhì)特性研究中，發(fā)現(xiàn)干出環(huán)礁適合工程建設(shè)（石偉等，2014b）。在既往的研究中，由于島礁岸線復(fù)雜，預(yù)測(cè)時(shí)效過短等諸多問題（白楊等，2020；朱國(guó)強(qiáng)等，2015），難以采用傳統(tǒng)方法觀測(cè)獲取數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星對(duì)南沙島礁地質(zhì)和光譜特征進(jìn)行調(diào)查是補(bǔ)充數(shù)據(jù)的有效方法，已有學(xué)者針對(duì)中等分辨率衛(wèi)星圖像獲取珊瑚礁信息的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證（Hedley et al，2018；Gapper et al，2018）。21 世紀(jì)之后，航空攝影使學(xué)者們能夠低空觀察珊瑚礁，利用拖曳式攝影平臺(tái)獲取影像，根據(jù)影像單元的豐富度分布和群落結(jié)構(gòu)，解析潮下礁群的分布，便于對(duì)珊瑚礁空間特征進(jìn)行詳細(xì)分析，還有學(xué)者利用航片與衛(wèi)星影像相互匹配，比對(duì)臺(tái)風(fēng)過后島嶼地貌的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程（Ford et al，2014；Duan et al，2016；Beisiegel et al，2018）。

在南沙島礁的問題上，以往研究主要側(cè)重島礁帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與戰(zhàn)略意義，忽視了礁群密度分布與形態(tài)變化，使島礁密度分布特征至今沒有得到詳盡的研究。本文使用核密度分析理論，為研究島礁空間形態(tài)分布建立新的數(shù)字信息和定量描述法，解析礁群分布規(guī)律。該方法有望對(duì)南沙島礁格局進(jìn)行深入剖析，為南沙島礁的開發(fā)和綜合治理提供科學(xué)依據(jù)和定量指標(biāo)。

1 研究區(qū)域概況

南沙群島位于中國(guó)南部（108毅58憶E—118毅45憶E，3毅26憶N—12毅12憶N）海域，海域面積約8.8伊105km2，島礁分布區(qū)域水深變化劇烈，大部分海域水深在1 000 m 以上。研究區(qū)域位于自南向北逐級(jí)下降的三級(jí)階梯狀大陸坡上，海底地形復(fù)雜，既有多級(jí)平坦的陸坡臺(tái)階，又有雄偉壯觀的海底高原，海山頂部發(fā)育的無規(guī)則礁灘，形成了南沙群島。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

南沙島礁部分礁體面積小，從低分辨率影像中識(shí)別礁體較困難。因此，采用美國(guó)航空航天局（NASA） Landsat 8 衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯空間特征，從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查網(wǎng)站（www.usgs.gov）中獲取2018 年3月至2018 年9 月期間（表1）14 幅覆蓋南沙且云量較少的L1Gt 影像。數(shù)據(jù)含9 個(gè)波段，可準(zhǔn)確反演水、植物、土壤和礁石等不同表面的特征波段，其中波段1～7、9 的空間分辨率為30 m，波段8 為15 m。其他輔助數(shù)據(jù)包括中國(guó)地名委員會(huì)1983 年4 月受權(quán)公布的《我國(guó)南海諸島部分標(biāo)準(zhǔn)地名》及自然資源部2020 年4 月公布的我國(guó)南海部分島礁和海底地理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)名稱等。

表1 遙感影像列表

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用ENVI 5.1 對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所用L1Gt 數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何校正，僅需對(duì)圖像做去云、輻射定標(biāo)、大氣校正及圖像增強(qiáng)處理，使用定標(biāo)工具（Radiometric Calibration）對(duì)數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)時(shí)利用定標(biāo)系數(shù)Gain 和Bias 進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中，L 為傳感器模擬信號(hào)；Lmax為最大輻射亮度；Lmin為最小輻射亮度；DN 為像元亮度值，取值范圍為0～255；Gain 為增益，Bias 為偏置，ENVI 默認(rèn)參數(shù)定標(biāo)單位為W·m-2·sr-1·滋m-1。使用QUAC 快速大氣校正工具進(jìn)行校正，精度近似輻射傳輸模型依15%，然后用線性對(duì)比度拉伸對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)，改進(jìn)影像視覺效果后用監(jiān)督分類法識(shí)別礁體，并對(duì)開放度相對(duì)較高的潟湖及難以分辨的淺灘和暗礁進(jìn)行適度調(diào)整。

2.3 計(jì)算方法

為了量化南沙島礁核密度及礁體特征量的空間格局，本研究根據(jù)島礁屬性的重要程度賦予其權(quán)重，采用瞬時(shí)現(xiàn)狀的礁體面積（含水上和水下的礁體面積）作為密度核參數(shù)，映射島礁空間核密度，并根據(jù)特征量的分布解析礁群現(xiàn)狀。各參數(shù)計(jì)算采用ArcGIS 10.6 完成。

2.3.1 核密度

式中，Rc為島礁緊湊度。Rc值越接近1，整體形狀越趨近圓形，為最緊湊形狀，Rc值越小，礁體形狀越不緊湊，當(dāng)趨近于0 時(shí)，則礁體形狀接近一條直線，最不緊湊；P 為島礁周長(zhǎng)；S 為島礁區(qū)域面積（鄒亞榮等，2012）。

2.3.3 形狀指數(shù)

式中，LSI 為島礁形狀指數(shù)，反映島礁形狀復(fù)雜度，LSI 越接近1，整體形狀越簡(jiǎn)單，反之越復(fù)雜。P為島礁周長(zhǎng)，S 為島礁區(qū)域面積，取值范圍：LSI 逸0，當(dāng)島礁為正方形時(shí)，LSI=1；當(dāng)島礁形狀不規(guī)則或偏離正方形時(shí)，LSI 值增大（畢曉麗等，2005；索安寧等，2010）。

3 結(jié)果與分析

3.1 島礁空間分布特征

3.1.1 礁體面積頻次特征

根據(jù)遙感影像解譯結(jié)果（圖1），識(shí)別出礁體316 個(gè)，其中面積在1～5 km2的礁體133 個(gè)，占南沙礁體總數(shù)的42.09%，分布于九章群礁、鄭和群礁、大淵灘、康西暗沙及金盾暗沙區(qū)域，礁體多為圓形、橢圓形及馬蹄形3 類。面積< 1 km2的礁體有87 個(gè)，占南沙礁體總數(shù)的27.54%，散落在環(huán)礁臨海，僅石盤仔、安波沙洲距環(huán)礁群較遠(yuǎn)。面積> 5 km2的礁體有96 個(gè)，占南沙礁體總數(shù)的30.38%，此類島礁相隔較遠(yuǎn)，發(fā)育完整。

圖1 礁體面積位置分布圖

南沙礁體面積頻次呈單峰狀（圖2），面積在1～5 km2的礁體數(shù)最多，占總數(shù)的42.09%；面積在30～40 km2的礁體數(shù)最少，占總數(shù)的1.58%。面積小于1 km2的礁體數(shù)隨面積增大而增多，面積在1～5 km2的礁體較面積在0.5～1 km2礁體數(shù)量增幅最大為25.95%。面積大于5 km2礁體數(shù)隨面積增長(zhǎng)開始下降，面積在5～10 km2礁體數(shù)較面積1～5 km2礁體數(shù)下降幅度最大為31.65%，當(dāng)礁體面積>40 km2時(shí)，礁體數(shù)出現(xiàn)微增長(zhǎng)。出現(xiàn)以上結(jié)果可能是由于面積較小礁體需長(zhǎng)時(shí)間發(fā)育至峰值面積（1～5 km2）才能形成較穩(wěn)定生態(tài)，若要進(jìn)一步向更大面積礁體發(fā)育，可能需外在環(huán)境刺激或影響。

圖2 礁體面積頻次分布

3.1.2 礁體面積密度特征

使用面積參數(shù)作為核密度屬性值，量化礁體面積密度分布特征，結(jié)果表明礁體面積密度特征多為外擴(kuò)散類圓。

面積< 1 km2的礁體高密度區(qū)2 處（圖3a），位于九章群島、北康暗沙海域；次級(jí)密度區(qū)3 處，接近禮樂灘、常駿暗沙、安渡礁。由眾多珊瑚礁組成的九章群礁及鄭和群礁沿東北向西南方向延伸，是形成高密度區(qū)的主要因素。

面積為1～5 km2的礁體高密度區(qū)2 處（圖3b），位于華礁、大淵灘，西部高密度區(qū)有中業(yè)群礁、鄭和群礁，密度值由北向南逐漸變大，東部高密度區(qū)沿禮樂灘西部環(huán)狀發(fā)育；次級(jí)密度區(qū)3 處，接近常駿暗沙、仔礁及康西暗沙。在密度分布圖中可以明顯看出，該范圍的主要密集點(diǎn)處于環(huán)礁較密集的區(qū)域（114毅0憶0義E—117毅0憶0義E，9毅0憶0義N—11毅0憶0義N）。可能是由于該面積范圍礁體數(shù)最多，且多為環(huán)礁的組成部分。

面積> 5 km2的礁體高密度區(qū)3 處（圖3c），位于費(fèi)信島、禮樂灘、榆亞暗沙海域，西南高密度區(qū)成斜型“一”字排列，緊連的次級(jí)密度區(qū)在安渡灘，東北2 處高密度區(qū)相互連接，中間海域向北沿禮樂灘西部與大淵灘東部水道方向延展，面積密度值逐漸減小。次級(jí)密度區(qū)較多，散落在雙子群島、六門礁、仙賓礁。

圖3 礁體面積密度分布

3.2 礁體特征量空間變化

3.2.2 礁體數(shù)量變化

在緯度方向上，南沙全境散落不同面積的礁體，廣泛分布在馬來西亞西北大陸架，有顯著地貌多樣性。由于潮差影響，很難準(zhǔn)確檢測(cè)其特征，本文沿緯度（4毅0憶0義N—12毅0憶0義N） 以每2毅為間隔，分段統(tǒng)計(jì)遙感影像可見的斑塊礁。 （10毅0憶0義N—12毅0憶0義N） 內(nèi)礁體數(shù)最多，占總數(shù)的48.42%，（4毅0憶0義N—6毅0憶0義N） 內(nèi)礁體數(shù)最少，占總數(shù)的13.92%。從整體看，隨緯度升高，面積<1 km2的礁體數(shù)逐級(jí)減少，面積在1～5 km2和面積> 5 km2的礁體數(shù)逐級(jí)增多，且在（8毅0憶0義N—10毅0憶0義N）之后增幅較大（圖4）。

圖4 島礁數(shù)目隨緯度變化情況

在經(jīng)度方向上，沿經(jīng)度（111毅0憶0義E—119毅0憶0義E）以每2毅為間隔進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)（圖5），礁體數(shù)從23.73%增長(zhǎng)至最高的43.35%，之后下降至最低的7.91%，由于南沙北部西段雁行排列的環(huán)礁群坐落在（113毅0憶0義E—115毅0憶0義E）區(qū)域，該范圍礁體最多。水平經(jīng)度方向，不同面積礁體的分布結(jié)構(gòu)沒有明顯趨勢(shì)變化，（111毅0憶0義E—117毅0憶0義E）范圍的各個(gè)區(qū)間內(nèi)面積>5 km2的礁體數(shù)均大于其他兩組，面積<1km2的礁體數(shù)均為最少，僅在（117毅0憶0義E—119毅0憶0義E）范圍內(nèi)礁體面積結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，面積<1 km2與1～5 km2的礁體數(shù)多于面積>5 km2的礁體數(shù)，此時(shí)面積>5km2的礁體占比最少（圖5）。

圖5 島礁數(shù)目隨經(jīng)度變化情況

3.2.3 礁體形狀特征

本文使用形狀指數(shù)與緊湊度度量礁體輪廓，礁體的緊湊度RC 介于0.31～0.97、形狀指數(shù)LSI 介于0.90～2.87。將其按面積<1 km2、1～5 km2、> 5 km2范圍分組，計(jì)算每組平均形態(tài)指數(shù)與平均緊湊度。結(jié)果表明，平均形狀指數(shù)隨面積增大而增大，平均緊湊度隨面積增大而減?。▓D6）。可能是由于面積較小的礁體多為依托環(huán)礁礁盤的小礁，易受外界環(huán)境影響而改變自身形狀，使其形狀越發(fā)規(guī)則，緊湊度較高。由此推測(cè)礁體趨向適應(yīng)性發(fā)展而非規(guī)則生長(zhǎng)，從而演變?yōu)槟仙硡^(qū)域礁體的不規(guī)則現(xiàn)狀。

圖6 不同面積礁體的特征量變化

除此之外，還發(fā)現(xiàn)沿緯度由南向北，平均緊湊度先增長(zhǎng)后趨向平穩(wěn)，最大值為0.81，而平均形狀指數(shù)先減小后趨于平穩(wěn)，最小值為1.14（圖7a）；沿經(jīng)度由西向東，平均緊湊度從0.73 增大至0.83，平均形狀指數(shù)從1.32 減小至1.12，兩者均呈負(fù)相關(guān)（圖7b）。緯度方向上的礁體在低緯度時(shí)平均形狀指數(shù)最大，平均緊湊度最小，礁體形態(tài)以狹長(zhǎng)形為主，緊湊性不強(qiáng)，之后隨空間緯度的升高，平均形狀指數(shù)趨近于1，平均緊湊度約0.8，表明隨緯度的增高，南沙海表面溫度逐漸適合礁體發(fā)育，使其穩(wěn)定發(fā)育，緊湊性增強(qiáng)。水平經(jīng)度方向上的礁體平均形狀變化顯著，平均形狀指數(shù)趨于1，平均緊湊度逐漸增大，礁體趨于緊湊，整體形狀由狹長(zhǎng)狀變?yōu)榇直庑?，由于南沙群島整體由西南向東北延展，水平經(jīng)度方向由西向東遷移時(shí)礁體所在緯度相應(yīng)攀升，使海洋環(huán)境更適合礁體演變。

圖7 經(jīng)緯方向上特征量的變化

4 結(jié)論與討論

本研究使用中等分辨率Landsat 8 衛(wèi)星圖像對(duì)南沙珊瑚礁現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，并繪制南沙島礁核密度現(xiàn)狀圖，研究結(jié)果為更好地認(rèn)識(shí)南沙島礁密度現(xiàn)狀，提供了新的數(shù)據(jù)和理論。

（1） Landsat 8 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可較準(zhǔn)確地對(duì)礁群特征進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)礁體面積頻次呈單峰狀分布，礁體面積主要集中于1～5 km2范圍，在30～40 km2范圍的礁體數(shù)最少。

（2）不同面積的礁體高密度區(qū)域各不相同，面積較小的礁體依托環(huán)礁發(fā)育，主要分布在環(huán)礁密集區(qū)；中間面積的礁體多為環(huán)礁主要組成部分，主要集中在南沙北部；面積較大的礁體主要聚集在海洋環(huán)境較適合的高緯度區(qū)。

（3）緯度方向，不同面積礁體的分布結(jié)構(gòu)變化明顯，隨緯度的增高，面積較小的礁體占比逐漸減少，面積較大的礁體占比快速增多，各區(qū)間礁體數(shù)逐漸增多，其中有超過48%的礁體在（10毅0憶0義N—12毅0憶0義N）范圍內(nèi)；經(jīng)度方向，不同面積礁體的分布結(jié)構(gòu)沒有明顯趨勢(shì)變化，僅在（117毅0憶0義E—119毅0憶0義E）范圍內(nèi)礁體面積結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，面積<1 km2與1～5 km2的礁體數(shù)多于面積>5 km2的礁體數(shù)。

（4）經(jīng)緯度方向上的礁體特征量變化明顯，且隨礁體面積的增大，礁體平均形狀指數(shù)逐漸增大，平均緊湊度逐漸減小，礁體形狀由規(guī)則向不規(guī)則演變。

本文僅考慮了礁體地理信息參數(shù)，未考慮自然條件及人為干涉等多方面的影響，還需加入更多影響因子進(jìn)一步優(yōu)化。其中季風(fēng)、海洋酸化、海表面溫度等環(huán)境因素對(duì)礁體演變及預(yù)測(cè)有著重要影響，由于礁體地貌各異且隨潮汐動(dòng)態(tài)變化，本研究?jī)H參考瞬時(shí)地貌而忽略動(dòng)態(tài)潮汐的影響，如何量化這些變量，將是下一階段研究的方向。