海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)研究綜述

李一瓊, 白俊武, 張麗, 李通

1. 蘇州科技大學(xué)地理科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215009;

2. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094;

3. 海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 三亞 572029;

4. 北京電子工程總體研究所, 北京 100039

海草, 是生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶和溫帶海洋水域中的沼生目單子葉水生高等植物(楊宗岱, 1979)。目前記錄全球海草種類共有74 種, 隸屬于6 科13 屬(Short et al, 2011), 全球已記錄海草面積約325178km2(Unsworth et al, 2019), 雖然僅占全球海洋面積的0.1%～0.2%(Duarte, 2002), 但卻是全球海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的結(jié)構(gòu)和功能組成部分(Short et al, 1996)。海草能夠改善海洋水體環(huán)境, 減弱海浪及水流的動(dòng)力勢(shì)能, 并支持較高的物種豐富性和多樣性(Orth et al, 2006)。盡管海草分布面積較小, 但每年固碳量相當(dāng)于全球海洋固碳總量的10%～15%, 是海洋藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)的重要組成, 也是全球重要的碳庫(kù)(Fourqurean et al, 2012)。

然而, 海草目前正在快速衰退, 已被列為地球上最受威脅的生態(tài)系統(tǒng)之一。自最初被記錄以來(lái),全球海草生長(zhǎng)已知區(qū)域面積的29%已經(jīng)消失, 與紅樹(shù)林、珊瑚礁和熱帶雨林的損失率相當(dāng)(Waycott et al, 2009)。桂花喜鹽草(Halophila baillonii)、波狀波喜蕩草(Posidonia sinuosa)、好望角鰻草(Zostera capensis)等10 種海草物種面臨較高的滅絕風(fēng)險(xiǎn)(約占已知海草總物種數(shù)量的14%), 其中黑纖維蝦形草(Phyllospadix japonicus)、智利鰻草(Zostera chilensis)和巨濟(jì)鰻草(Zostera geojeensis)這3 種屬于瀕危物種(Short et al, 2011) (黃小平 等, 2018)。人口擴(kuò)張是造成全球海草退化和損失的最重要原因(Short et al,1996), 具體表現(xiàn)在陸源污染增加、海洋工程開(kāi)發(fā)、有害藻華和全球氣候變暖等方面; 颶風(fēng)、洪水等自然因素也會(huì)導(dǎo)致海草損失(Duarte, 2002; Huang et al,2006; Orth et al, 2006)。海草物種喪失和多樣性退化將對(duì)海洋生物多樣性產(chǎn)生嚴(yán)重影響, 也嚴(yán)重影響到人類對(duì)海草提供資源的依賴和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的利用(Short et al, 2011)。因此, 及時(shí)開(kāi)展海草資源管理與保護(hù)工作具有十分重要的意義。

海草監(jiān)測(cè)是開(kāi)展海草資源管理與保護(hù)工作的科學(xué)基礎(chǔ)和依據(jù)。目前世界多國(guó)已開(kāi)展的海草調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作以野外實(shí)地調(diào)查為主, 通過(guò)布設(shè)斷面和統(tǒng)計(jì)采樣點(diǎn)信息完成。該方法雖然能夠提供準(zhǔn)確的采樣點(diǎn)信息, 但在一定空間范圍內(nèi)實(shí)施調(diào)查成本較高,并且隨著調(diào)查范圍擴(kuò)大, 人力物力耗費(fèi)也會(huì)進(jìn)一步增加。使用遙感技術(shù)開(kāi)展海草監(jiān)測(cè)工作時(shí), 盡管在分析區(qū)域海草物種組成及生物多樣性等方面仍有待進(jìn)一步提高, 但其能夠快速便捷地調(diào)查和繪制大面積海草生境地圖，并獲得連續(xù)完整的區(qū)域覆蓋情況,而且具有更高的空間分辨率(Baumstark et al, 2016)、良好的制圖精度(Baumstark et al, 2013)和更好的成本效益(Mumby et al, 1999), 便于長(zhǎng)期和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此, 將遙感技術(shù)應(yīng)用于海草監(jiān)測(cè)并適當(dāng)結(jié)合實(shí)際調(diào)查, 無(wú)疑是海草研究的一種先進(jìn)方法。

當(dāng)前國(guó)外針對(duì)海草的研究已取得較大進(jìn)展, 使用光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行海草監(jiān)測(cè)也已獲得一些研究成果。我國(guó)有關(guān)海草的研究尚處于起步階段, 在海草分布、海草場(chǎng)(海草床)生物多樣性、水動(dòng)力、海草生長(zhǎng)與生理等方面開(kāi)展了系列研究(周元慧 等,2019), 但在遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)與應(yīng)用方面成果還較少。另外, 海洋水下底棲環(huán)境的復(fù)雜性使得海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)具有較大難度。本文擬通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)研究的前沿技術(shù)和方法, 厘清海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)的最佳適宜數(shù)據(jù)和可靠技術(shù)方法, 闡明海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)的可行性, 為海草遙感監(jiān)測(cè)和海草資源科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 光學(xué)遙感海草監(jiān)測(cè)應(yīng)用及我國(guó)海草遙感監(jiān)測(cè)研究

利用光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行海草監(jiān)測(cè)在國(guó)外已積極開(kāi)展, 主要應(yīng)用于海草底棲生境識(shí)別、海草面積分布與變化監(jiān)測(cè)、海草損失影響因素分析、海草生物量與固碳量測(cè)算等方面。而我國(guó)海草研究起步較晚,特別是在遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用方面成果較少。

1.1 海草底棲生境識(shí)別

海洋底層環(huán)境是繼海洋水體之后全球第二大生物棲息地, 眾多海洋底棲生物占據(jù)著這一廣袤的生境, 其中就包括海草。海草棲息地是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 具有支持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換、為其他生物提供棲息場(chǎng)所、維持生物多樣性等重要生態(tài)功能。識(shí)別和研究海草底棲生境變化, 能為海洋生物保護(hù)、底棲環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、受損生境恢復(fù)等提供科學(xué)依據(jù)。光學(xué)遙感技術(shù)是目前海洋底棲生境研究發(fā)展的新方法, 可用于區(qū)分海草等生物棲息地類型,并研究其變化情況。例如, 可以使用Landsat-ETM+圖像和非監(jiān)督分類方法, 通過(guò)水深建模、波段分析、根據(jù)生物群落的空間排列與組織, 確定出以海草和褐藻為主的7 種沿海生境類型(Palafox-Juárez et al,2017); 基于SPOT-7 衛(wèi)星圖像和數(shù)字航空?qǐng)D像使用監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類和人工視覺(jué)分類的方法, 能夠準(zhǔn)確繪制出加拿大2.5km2大型空間的沉水海草床,總體精度分別達(dá)到89%和90%(St-Pierre et al, 2020)。受海洋環(huán)境光學(xué)遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響, 數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的大氣校正和水體校正是非常重要的前期工作。使用Landsat-OLI 傳感器捕捉到的高分辨率光譜響應(yīng)能夠有效監(jiān)測(cè)復(fù)雜光學(xué)淺水中的海草, 其有效性水平取決于數(shù)據(jù)處理過(guò)程中使用的大氣預(yù)處理類型(Borfecchia et al, 2019); 使用水體校正和解混模型處理機(jī)載高光譜圖像數(shù)據(jù), 能夠獲得研究區(qū)珊瑚、海草、海藻和沙子這4 種主要底棲類型的覆蓋狀況(Bajjouk et al, 2019)。

1.2 海草覆蓋面積與變化監(jiān)測(cè)

海草覆蓋面積及分布變化能有效反映海草生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況, 是海草生境變化最直接的指示因子, 因此是海草研究的重要基礎(chǔ)。較少有研究調(diào)查海草床的長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特性, 而使用遙感技術(shù)是觀測(cè)這些動(dòng)態(tài)模式的最佳方法之一。例如,Topouzelis 等(2018)使用50 幅Landsat-8 衛(wèi)星圖像和面向?qū)ο蟮膱D像分析方法, 估算出希臘水域的海草總覆蓋面積為2619km2, 在該水域3 個(gè)群島周圍發(fā)現(xiàn)的最大海草草甸覆蓋面積分別為124、46 和47km2,監(jiān)測(cè)結(jié)果總精度為76.3%; Bramante 等(2018)評(píng)估了Worldview-2(WV2)、ALI、ETM+、和OLI 等4 個(gè)衛(wèi)星傳感器對(duì)新加坡最大海草草甸開(kāi)展大空間范圍監(jiān)測(cè)的適用性, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在2001—2015 年間當(dāng)?shù)睾２菝娣e下降了 37%, 平均年下降速率為 3.9%;Traganos 等(2018a)使用2011—2016 年間的多光譜Rapid Eye 時(shí)間序列圖像監(jiān)測(cè)希臘愛(ài)琴海西北部?jī)?yōu)勢(shì)種大洋波喜蕩草(Posidonia oceanica)和小絲粉草(Cymodocea nodosa) [中文名引自黃小平等(2018)]兩種海草物種的面積變化情況, 結(jié)果顯示大洋波喜蕩草(Posidonia oceanica)面積下降了 4.1%, 以每年0.11km2的速度在減少; 而小絲粉草 (Cymodocea nodosa)面積卻上升了17.7%, 以每年0.18km2的規(guī)模在增加。

1.3 海草損失影響因素分析

受人類活動(dòng)的廣泛影響, 海草存在潛在的損失風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)海草損失的影響因素分析與研究, 可以明確海草生長(zhǎng)的不利條件, 繼而為保護(hù)海草及其他海洋生物提供科學(xué)依據(jù)。如海草床周圍的水溫是衡量海草狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。Carlson 等(2018)利用MODIS 和Landsat-8 地表反射數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海溫?cái)?shù)據(jù)開(kāi)展研究, 發(fā)現(xiàn)海草長(zhǎng)期處于異常溫暖的環(huán)境中, 以及海草所處環(huán)境的溫度大幅度快速變化都可能導(dǎo)致其死亡; Phinn 等(2018)評(píng)估熱帶海草草甸現(xiàn)場(chǎng)溫度記錄數(shù)據(jù)與MODIS 和Landsat 傳感器獲取的衛(wèi)星海表溫度之間的協(xié)變量關(guān)系, 得出經(jīng)改進(jìn)和測(cè)試后, 使用遙感衛(wèi)星測(cè)量海溫的方法可以用于監(jiān)測(cè)大范圍區(qū)域的海草健康狀況。除了水溫, 藻華和疏浚也是海草損失的重要影響因素。Santos 等(2020)通過(guò)整合Landsat 圖像和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù), 評(píng)估大型藻華對(duì)海草空間結(jié)構(gòu)的影響, 結(jié)果顯示持續(xù)的大型海藻水華現(xiàn)象會(huì)改變海草的海景結(jié)構(gòu), 阻礙海草棲息地的恢復(fù)。無(wú)人機(jī)航空數(shù)據(jù)也可以用于海草遙感制圖, 并且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 海草草甸的時(shí)空變化與人為的大規(guī)模疏浚清淤活動(dòng)有關(guān), 并且疏浚清淤活動(dòng)會(huì)影響海草的恢復(fù)趨勢(shì)(Sousa et al, 2019)。

1.4 海草生物量與碳儲(chǔ)量測(cè)算

海草的生物量與固碳能力密切相關(guān), 海草生物量與碳儲(chǔ)量的多少不僅反映了其生態(tài)系統(tǒng)功能, 也在海洋藍(lán)碳總儲(chǔ)量中占據(jù)重要的組成比例。海草生物量與碳儲(chǔ)量測(cè)算是全球藍(lán)碳研究的重要方面。Misbari 等(2016)利用Landsat-8 OLI 傳感器監(jiān)測(cè)馬來(lái)西亞地區(qū)的海草分布情況, 并通過(guò)改進(jìn)的底部反射率指數(shù)方法建立反演模型估算當(dāng)?shù)氐暮２萆锪?。Bramante 等(2018)利用4 種衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)觀測(cè)新加坡最大海草床的長(zhǎng)時(shí)序變化情況, 經(jīng)計(jì)算2011 年4 月至2013 年6 月間海草床面積減少了18%, 但海草生物量中位值增加, 表明復(fù)雜的海草床動(dòng)力過(guò)程正在調(diào)節(jié)海草自身對(duì)人為和環(huán)境壓力做出響應(yīng)。Sousa 等(2019)利用無(wú)人機(jī)航空技術(shù)進(jìn)行海草遙感制圖, 估算葡萄牙地區(qū)海草生物量和碳儲(chǔ)量, 并觀察到該地區(qū)海草草甸的變化與全球海草衰減趨勢(shì)相反, 呈現(xiàn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì), 有助于增加藍(lán)碳儲(chǔ)量。

1.5 我國(guó)海草遙感監(jiān)測(cè)研究

我國(guó)海草研究起步較晚, 尚未全面、徹底地掌握海草資源種類和草場(chǎng)分布等狀況(鄭鳳英 等,2013), 但學(xué)者們對(duì)我國(guó)海草的重要分布區(qū)域和主要生長(zhǎng)類型進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查(王道儒 等, 2012; 鄭鳳英 等, 2013; 陳石泉 等, 2015a, 2015b)。由于受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾, 我國(guó)海草存在嚴(yán)重退化現(xiàn)象,如重點(diǎn)分布區(qū)域海南省海草面積近年來(lái)呈現(xiàn)出快速下降趨勢(shì)(Huang et al, 2006; 陳石泉 等, 2015a), 海草生境面臨嚴(yán)重威脅(黃小平 等, 2006)。養(yǎng)殖活動(dòng)、陸源污染增加、航道與港口建設(shè)、填海造地等海洋工程開(kāi)發(fā)以及臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害, 是導(dǎo)致我國(guó)海草退化和損失的主要原因(Huang et al, 2006; 黃小平 等,2006; Yang et al, 2011)。

由于當(dāng)前我國(guó)海草研究處于起步階段, 研究多集中在海草資源調(diào)查(傳統(tǒng)方法)和生態(tài)功能評(píng)價(jià)上,而在海草遙感監(jiān)測(cè)方面的研究成果較少。楊頂田(2007)最早對(duì)海草遙感監(jiān)測(cè)研究進(jìn)行了介紹, 基于多光譜、高光譜衛(wèi)星遙感角度總結(jié)了國(guó)內(nèi)對(duì)近岸光學(xué)淺水區(qū)海草監(jiān)測(cè)及水體生物光學(xué)研究的狀況; 后來(lái)又綜述了海草碳通量的衛(wèi)星遙感檢測(cè)方法和模型(楊頂田 等, 2013)。這些工作梳理了前期海草遙感監(jiān)測(cè)研究成果, 對(duì)后續(xù)研究開(kāi)展具有指示意義。我國(guó)學(xué)者對(duì)海草遙感監(jiān)測(cè)機(jī)理研究也開(kāi)展了一些理論探索, 包括利用不同的高光譜和多光譜遙感觀測(cè)方法, 基于Quickbird、CBERS 以及Landsat 數(shù)據(jù), 對(duì)海南省新村灣的海草分布范圍、變化趨勢(shì)以及影響因素開(kāi)展了深入研究(Yang et al, 2009, 2011)。以三亞灣泰來(lái)草為例分析了海草的光譜特征(楊超宇 等,2010; Yang et al, 2010), 通過(guò)對(duì)光譜的全面目視檢查和分析, 得知在715nm 處的海草反射率值與葉面積指數(shù)有很強(qiáng)的相關(guān)性等。

以上工作的開(kāi)展為我國(guó)海草遙感監(jiān)測(cè)奠定了一些基礎(chǔ), 但與珊瑚礁、紅樹(shù)林或鹽沼地相比, 對(duì)于海草生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足, 甚至境內(nèi)海草分布范圍和損失程度尚未完全準(zhǔn)確了解(鄭鳳英 等,2013)。因此, 亟需提升我國(guó)海草的認(rèn)知和關(guān)注程度,將遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合, 全面推進(jìn)我國(guó)海草調(diào)查工作。

2 海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

目前, 海草監(jiān)測(cè)方法包括實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)兩大類, 具體如圖1 所示。其中, 相對(duì)于水聲遙感監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō), 光學(xué)遙感海草監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展快速,已取得了眾多成果。特別是多光譜衛(wèi)星圖像, 由于能夠提供大量數(shù)據(jù)信息, 且獲取容易、操作快捷, 因此是現(xiàn)階段海草監(jiān)測(cè)應(yīng)用最為廣泛、相對(duì)較為成熟的遙感技術(shù); 此外, 高光譜圖像和無(wú)人機(jī)技術(shù)也逐漸應(yīng)用于海草監(jiān)測(cè)。這些遙感監(jiān)測(cè)方法各有特點(diǎn), 下文將對(duì)幾種光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)方法的數(shù)據(jù)源特征展開(kāi)闡述。

圖1 目前海草監(jiān)測(cè)方法Fig. 1 Current seagrass monitoring methods

2.1 多光譜衛(wèi)星遙感海草監(jiān)測(cè)

空間分辨率是影響多光譜衛(wèi)星遙感海草監(jiān)測(cè)精度的重要指標(biāo), 圖像的空間分辨率越高, 能夠提供的空間細(xì)節(jié)信息越豐富。因此多光譜高空間分辨率的衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù), 如IKONOS(4m)、Quickbird(2.44～1.63m)、Wordview-2(2m)等, 為研究人員監(jiān)測(cè)和繪制海洋底棲生物生境地圖提供了諸多技術(shù)支撐(Mumby et al, 2002; Garcia et al, 2015; Baumstark et al, 2016; Pu et al, 2017; Kovacs et al, 2018), 并具有更好的繪圖精度。有學(xué)者比較了不同傳感器對(duì)于沿海清澈淺水水域底棲生物生境的繪圖結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)盡管高分辨率的IKONOS 圖像無(wú)法對(duì)復(fù)雜生境進(jìn)行細(xì)致區(qū)分, 但足以用于珊瑚、大型海藻、海草和沙地這4 大類生境的識(shí)別; 并且在監(jiān)督分類過(guò)程中可以充分利用紋理信息, 使得專題地圖對(duì)生境區(qū)分的準(zhǔn)確性顯著提高, 比中等空間分辨率陸地衛(wèi)星TM 傳感器獲得的精度提高近20%(Mumby et al, 2002)。采用最大似然和支持向量機(jī)兩種方法分別對(duì)IKONOS數(shù)據(jù)和TM 數(shù)據(jù)進(jìn)行分類, 繪制海草覆蓋圖, 結(jié)果表明基于這兩種方法的IKONOS 數(shù)據(jù)專題圖相較于TM 數(shù)據(jù)專題圖均具有較高的制圖精度(Pu et al,2017)。其他海洋底棲生境監(jiān)測(cè)研究也表明, 使用來(lái)自IKONOS、Quickbird 和Wordview 傳感器數(shù)據(jù)的繪圖結(jié)果均優(yōu)于使用來(lái)自Landsate TM/ETM+數(shù)據(jù)(Garcia et al, 2015; Baumstark et al, 2016; Kovacs et al, 2018)。

然而除監(jiān)測(cè)精度外, 獲取圖像數(shù)據(jù)的費(fèi)用成本卻是必須考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。盡管高分辨率圖像能提供更多空間細(xì)節(jié)信息, 且具有更高的監(jiān)測(cè)精度,但其獲取費(fèi)用高昂。相比之下, 空間分辨率為30m的多光譜陸地衛(wèi)星Landsat 數(shù)據(jù)是一個(gè)很好的選擇。首先, Landsat 數(shù)據(jù)的免費(fèi)性極大降低了海草遙感監(jiān)測(cè)費(fèi)用。其次, 從TM 到ETM+、再到OLI 傳感器的Landsat 歷史影像是目前所有衛(wèi)星圖像存檔數(shù)據(jù)中時(shí)間跨度最長(zhǎng)的, 能夠?qū)崿F(xiàn)多年尺度上(長(zhǎng)時(shí)間序列)的海草監(jiān)測(cè)。Landsat 圖像已被成功用于海草空間范圍圖繪制、海草覆蓋率測(cè)算以及海草地上生物量估計(jì)等研究。將多期Landsat 圖像數(shù)據(jù)與野外調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合, 可以獲得近岸海洋環(huán)境歷史變化信息, 因而更適合于海草大空間范圍長(zhǎng)時(shí)序變化的監(jiān)測(cè)(Knudby et al, 2010; Lyons et al, 2012)。多期Landsat 圖像數(shù)據(jù)也有助于識(shí)別因非持續(xù)性藍(lán)藻繁殖和藻類生長(zhǎng)季節(jié)性變化而導(dǎo)致的潛在分類錯(cuò)誤(Wabnitz et al, 2008)。

相較于Landsat 數(shù)據(jù), 由歐空局提供的10m 分辨率Sentinel-2 圖像具有較高的空間分辨率、較短的重訪頻率等優(yōu)點(diǎn), 加上其同樣免費(fèi)獲取的開(kāi)放政策,以及能夠提供沿海生境空間分布和水深分布的重要信息, 可以預(yù)見(jiàn)將在海草監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。如利用Sentinel-2 圖像繪制海草覆蓋圖, 驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性(Immordino et al, 2019)。基于Sentinel-2 圖像, 利用一種綜合應(yīng)用大氣校正和水體校正的分析方法, 對(duì)海草的覆蓋面積進(jìn)行監(jiān)測(cè), 能夠獲得良好精度; 并且Google Earth 的云計(jì)算能力與免費(fèi)提供的Sentinel-2 多光譜圖像存檔、圖像合成和機(jī)器學(xué)習(xí)方法相互結(jié)合, 可開(kāi)發(fā)出用于大規(guī)模、高時(shí)空制圖和海草棲息地監(jiān)測(cè)方法的工作流程。通過(guò)將1045 景10m 分辨率的Sentinel-2 圖像組合并使用支持向量機(jī)方法, 可以快速繪制在范圍為40951km2、水深為0 ～4 0 m 的愛(ài)琴海與愛(ài)奧尼亞海中分布面積為2510.1km2的海草床覆蓋圖, 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集驗(yàn)證,總體準(zhǔn)確度為72%(Traganos et al, 2018b)。不過(guò), 針對(duì)于中低分辨率的圖像數(shù)據(jù), 需要考慮如何進(jìn)行更高級(jí)的處理, 以識(shí)別較小的海草覆蓋變化, 提高監(jiān)測(cè)精度。

2.2 高光譜遙感海草監(jiān)測(cè)

目前在海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)中, 應(yīng)用多光譜圖像的研究居多, 而應(yīng)用高光譜圖像的成果尚比較少見(jiàn),且基本是以機(jī)載平臺(tái)為主(Hossain et al, 2015)。研究結(jié)果表明機(jī)載高光譜傳感器可以為海草監(jiān)測(cè)提供更多的細(xì)節(jié)信息(Pu et al, 2012); 即使是在容易發(fā)生沉積物再懸浮的區(qū)域, 也可以使用經(jīng)大氣校正的高質(zhì)量高光譜圖像來(lái)繪制海草地圖(Dierssen et al,2019)。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中, 從機(jī)載平臺(tái)獲取高光譜圖像成本高昂。由于光譜分辨率比空間分辨率對(duì)于鑒別海草物種更重要(Hossain et al, 2015), 因此星載高光譜遙感技術(shù)將在未來(lái)海草監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更大作用。

此外, 水上平臺(tái)(如衛(wèi)星和飛機(jī))高光譜圖像可以繪制和區(qū)分海洋底棲生物生境, 但其空間分辨率較低, 且水深較淺(一般小于10m)。而利用水下平臺(tái)(如自主水下航行器)高光譜遙感技術(shù), 則能夠提供較深水域有價(jià)值的棲息地?cái)?shù)據(jù), 并且具有較高的空間分辨率(Bongiorno et al, 2018)。因此, 水下平臺(tái)高光譜遙感技術(shù)也將會(huì)是一個(gè)發(fā)展的新方向。

2.3 航空遙感海草監(jiān)測(cè)

航空遙感是近幾年在海岸帶遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一種新興技術(shù), 其數(shù)據(jù)獲取性更強(qiáng)、分辨率更高。特別是低空無(wú)人機(jī)拍攝, 更具有飛行成本低廉、操作便捷等優(yōu)勢(shì), 因而正在快速推廣。如基于高分辨率的假彩色航空?qǐng)D像進(jìn)行海草監(jiān)測(cè), 根據(jù)地面成果進(jìn)行驗(yàn)證, 可以發(fā)現(xiàn)采用自動(dòng)分類方法能夠使海草制圖精度達(dá)到73%(Davenport et al, 2017)。采用數(shù)字航空?qǐng)D像和SPO-7 衛(wèi)星圖像對(duì)大型海草場(chǎng)開(kāi)展空間結(jié)構(gòu)上的研究, 盡管采用衛(wèi)星圖像監(jiān)督分類和采用航空?qǐng)D像視覺(jué)分類的總體精度分別為89%和90%, 但由于對(duì)比度和空間分辨率的差異, 導(dǎo)致海草床的邊緣在衛(wèi)星圖像上比航空?qǐng)D像上難以識(shí)別(St-Pierre et al, 2020)。而利用低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)配備一個(gè)低成本、消費(fèi)級(jí)的GoPro Hero 3+攝像機(jī), 獲取地面分辨率為2 厘米的圖像, 通過(guò)對(duì)圖像的分類處理以及通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)驗(yàn)證, 可以得到研究區(qū)3 個(gè)沿海小河口海草分布的總體制圖精度分別為96.3%、86.5%和89.7%, 驗(yàn)證了低空無(wú)人機(jī)圖像空間分辨率高、可以在光譜相似的物種之間進(jìn)行紋理區(qū)分的優(yōu)點(diǎn)(Nahirnick et al, 2019)。使用輕型(低于7kg)低空無(wú)人機(jī)搭載消費(fèi)級(jí)相機(jī)拍攝4mm像素圖像進(jìn)行海草監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)圖像像素的大小決定了可提供檢測(cè)的其他生物特性, 如在分辨率43mm像素級(jí)以下可以視覺(jué)檢測(cè)到蚯蚓狀沙丘, 而更加較小的特征(如海草中的貝殼)則需要更細(xì)粒度的數(shù)據(jù)(小于17mm 像素)(Duffy et al,2018)。此外, 將小型低空無(wú)人機(jī)拍攝圖像與視覺(jué)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)比, 可以發(fā)現(xiàn)在相對(duì)粗略的分類水平上基于小型無(wú)人機(jī)方法獲取的數(shù)據(jù)更有益于回答監(jiān)測(cè)目標(biāo)或研究問(wèn)題, 這是由于在一定時(shí)間限制內(nèi), 小型無(wú)人機(jī)拍攝圖像可以比地面觀測(cè)者獲得更大的空間覆蓋范圍, 證明了低空無(wú)人機(jī)圖像適宜應(yīng)用在大規(guī)?？臻g范圍監(jiān)測(cè)中(Konar et al, 2018)。

總體而言, 多光譜、高光譜和航空遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于海草遙感監(jiān)測(cè), 各自適宜于不同的監(jiān)測(cè)內(nèi)容并有其自身的優(yōu)勢(shì)和特征, 如表1 所示。由于海草生境的多樣性和海洋環(huán)境的復(fù)雜性, 導(dǎo)致每種遙感技術(shù)的使用都會(huì)受到不同程度的限制。但沒(méi)有單一的技術(shù)適合測(cè)量所有海草參數(shù)(如存在/不存在、覆蓋、物種以及生物量等), 也沒(méi)有單一的方法能夠獨(dú)立評(píng)估海草變化, 因此應(yīng)根據(jù)可提供的數(shù)據(jù)能力選擇合適的監(jiān)測(cè)方法, 盡可能準(zhǔn)確地解譯地物(Hossain et al, 2015)。在不考慮數(shù)據(jù)獲取成本的前提下, 高空間分辨率的數(shù)據(jù)對(duì)底質(zhì)類型的檢測(cè)效果更好。隨著遙感圖像空間分辨率和光譜分辨率的提高, 今后將會(huì)有更多高分辨率圖像數(shù)據(jù)用于海草遙感監(jiān)測(cè), 這對(duì)提高監(jiān)測(cè)和制圖精度極為有利。與此同時(shí)，不斷完善的監(jiān)測(cè)方法也會(huì)有助于海草遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果精度的提高。

表1 不同傳感器數(shù)據(jù)開(kāi)展海草監(jiān)測(cè)任務(wù)的適宜性Tab. 1 Suitability of different sensor data for seagrass monitoring tasks

3 海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)方法

3.1 海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)機(jī)理

由于不同海底基質(zhì)類型(如海草、珊瑚礁、淤泥、沙質(zhì)、石礫等)對(duì)光譜的反射率不同, 通過(guò)檢測(cè)反射率的變化就可以鑒別出海底基質(zhì)類型。根據(jù)這一原理, 常利用光學(xué)衛(wèi)星傳感器的可見(jiàn)光波段對(duì)沿海水域水下水生植被(沉水植物)進(jìn)行生境檢測(cè)與制圖, 具體是利用可見(jiàn)光波長(zhǎng)的光譜反射差異區(qū)分不同物種級(jí)別的海草以及其他海底基質(zhì)類型。通常, 藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外光線對(duì)海草探測(cè)的應(yīng)用較多, 這是由于即使在不同的傳感器探測(cè)下，多種海草的光譜也能表現(xiàn)出一致性, 即在藍(lán)光和綠光區(qū)域具有低反射率, 在紅光和近紅外區(qū)域具有高反射率(Kim et al, 2015; Wicaksono et al, 2019),這與其他基質(zhì)的光譜特征顯著不同(Lyzenga, 1978),如圖2 所示?？梢?jiàn), 根據(jù)海草光譜特征識(shí)別海草物種, 繼而實(shí)現(xiàn)海草的光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)在機(jī)理上完全具有可行性。

圖2 海草的光譜反射率曲線(Lyzenga, 1978)Fig. 2 Spectral reflectance curve of seagrass

3.2 海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)過(guò)程中, 可見(jiàn)光透射進(jìn)入水中的強(qiáng)度隨深度的增加呈指數(shù)衰減。這是由于海水中的分子與微粒引起了光的吸收和散射。吸收與光的波長(zhǎng)有關(guān)。海水中的主要吸收劑是藻類(浮游植物)、懸浮物中的無(wú)機(jī)和有機(jī)顆粒物以及水體本身(Hossain et al, 2015), 它們強(qiáng)烈吸收紅光, 而對(duì)較短波長(zhǎng)的藍(lán)光影響較小。散射導(dǎo)致光的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn), 主要由無(wú)機(jī)和有機(jī)顆粒物引起, 并隨著水中懸浮的泥沙含量(渾濁度)的增加而加強(qiáng)。吸收和散射引起的光在海水中的衰減對(duì)遙感信號(hào)的傳輸造成了相當(dāng)大的干擾, 繼而對(duì)海洋環(huán)境光學(xué)遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響, 這一過(guò)程如圖3 所示。

圖3 海草遙感輻射傳輸過(guò)程Fig. 3 Radiation transmission process of seagrass remote sensing

為了提高海草監(jiān)測(cè)精度, 需要對(duì)這種干擾和影響進(jìn)行相應(yīng)處理。水體校正就是減弱或降低這種影響的關(guān)鍵步驟, 它是消除光在水中傳播時(shí)由于衰減所造成的輻射誤差, 反演海洋底部基質(zhì)真實(shí)反射率的過(guò)程。

根據(jù)輻射量與底面反射率之間關(guān)系(Lyzenga,1978):

其中,Li是波段i 的輻射量;Ld,i是波段i在水下測(cè)量的平均輻射量;ia是常數(shù)項(xiàng), 包括太陽(yáng)輻射、大氣和水面的透射率, 以及由于水面折射而產(chǎn)生的輻射減少;ir是底面反射率;Ki是波段i的水下衰減系數(shù);δ是光的幾何路徑長(zhǎng)度;Z是水深。

深度不變指數(shù)(depth invariant index, DII)方法(Lyzenga, 1981)可用于消除大氣和水體中的光散射和吸收效應(yīng), 如下所示:

其中,i和j下標(biāo)對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的波段。

繼而可得出底部反射率指數(shù)(bottom reflectance index, BRI)方法(Sagawa et al, 2010), 作為對(duì)上述DII 模型的改進(jìn), 其計(jì)算公式是:

若將式(3)中的分子項(xiàng)由式(1)代替, BRI 指數(shù)也可以表達(dá)為:

以上方法是水體校正算法的基礎(chǔ)模型。DII 方法對(duì)校正清澈水域(水質(zhì)Ⅰ型和Ⅱ型)的水體效應(yīng)是有效的, 但當(dāng)水的清澈度從Ⅱ型降至Ⅲ型時(shí)精度就會(huì)顯著降低。而BRI 模型改正了DII 模型的不足, 可以有效地用于Ⅱ型至Ⅲ型水質(zhì)的沿海渾濁水域, 并且不僅可以比較波段之間的反射比差異, 還可以比較每個(gè)波段的絕對(duì)反射比差異, 具有較高精度(Sagawa et al, 2010)。

3.3 海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)信息提取

要獲得較高精度的海草遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果, 其中的重要步驟便是采用適宜方法對(duì)圖像上的信息進(jìn)行準(zhǔn)確解譯?；谔卣鞯奶崛》椒ㄊ呛２菪畔⒔庾g的一種手段。在大多數(shù)情況下, 使用復(fù)雜的特征能夠提取海草信息; 而在影像解譯困難的深水區(qū)和渾濁水域, 還需要半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)特征提取模型加以輔助(Chen et al, 2016)。用于海草特征提取的方法主要包括: 主成分分析(Pasqualini et al, 2005)、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)(Barillé et al, 2010)、葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)以及離水輻射率和衰減系數(shù)等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量光學(xué)參數(shù)相結(jié)合的方法(Yang et al, 2010)等。

分類是目前使用光學(xué)遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行海草信息解譯與監(jiān)測(cè)制圖的主要方法。比如對(duì)經(jīng)過(guò)水體校正的TM 圖像采用最大似然法進(jìn)行分類, 通過(guò)分類器的運(yùn)算將海草覆蓋劃分為5 個(gè)等級(jí)(Pu et al, 2014);采用線性混合模型進(jìn)行海底地表的分類, 以此量化TM/ETM 圖像上每一像元內(nèi)的海草豐度(Chen et al,2016); 采用最大似然法和支持向量機(jī)算法對(duì)TM 圖像和IKONOS 圖像進(jìn)行海草分類, 驗(yàn)證IKONOS 圖像能夠獲得更高精度海草圖的觀點(diǎn)(Pu et al, 2017)。這些研究成果都是基于圖像像素的監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類方法取得的。此外, 也有學(xué)者提出面向?qū)ο蟮暮Ｑ笊撤诸惙椒? 使用Worldview-2 衛(wèi)星圖像創(chuàng)建海洋底部生物生境專題地圖, 并獲得較高的總體精度(78%) (Baumstark et al, 2016); 或利用海草光譜的反射率特性對(duì)海草床進(jìn)行分類和制圖(Kim et al,2015)等。

相較于基于特征的海草提取方法, 遙感分類技術(shù)能有效獲取海底海草覆蓋信息(Pu et al, 2017); 其中, 光譜分類方法和面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ň辛己眯Ч? 不過(guò)面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ū然诠庾V的分類方法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確(Rebekah et al, 2018)。另外, 計(jì)算機(jī)智能算法的發(fā)展推進(jìn)了遙感圖像分類技術(shù)的更新, 也能夠促進(jìn)和提高海草監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的光學(xué)遙感圖像分類技術(shù)。目前的研究表明, 在海草監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用深度學(xué)習(xí)方法對(duì)海洋底棲生物覆蓋層進(jìn)行自動(dòng)分類比其他方法具有相似或更高的精度(Yamakita et al, 2019)。

基于光學(xué)遙感影像分類方法進(jìn)行海草地圖繪制,大致可分為3 個(gè)階段: 數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理和海草地圖精度評(píng)價(jià), 具體如圖4 所示(Misbari et al,2016)。首先, 依次進(jìn)行圖像裁剪、幾何糾正、輻射校正、大氣校正、離底輻射亮度提取等工作; 其次,進(jìn)行水體校正和分類兩個(gè)關(guān)鍵步驟, 在水體校正的基礎(chǔ)上開(kāi)展分類; 最后, 通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)影像分類結(jié)果進(jìn)行定性和定量分析, 驗(yàn)證分類結(jié)果準(zhǔn)確性, 繪制出海草空間分布圖。

圖4 基于光學(xué)遙感影像的海草地圖繪制流程(Misbari et al, 2016)Fig. 4 Seagrass mapping process based on optical remote sensing image

3.4 海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)研究的難點(diǎn)

使用光學(xué)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)海底水生植物海草的監(jiān)測(cè), 其實(shí)質(zhì)是光學(xué)淺水區(qū)底質(zhì)遙感, 該類研究在實(shí)際推進(jìn)過(guò)程中存在一定難度。首先, 水體校正是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。目前水體校正方法雖已開(kāi)發(fā)了諸多算法, 但都不能完全消除水體效應(yīng), 僅可以將其影響降到最低(Zoffoli et al, 2014)。研究結(jié)果表明, 使用水體校正處理遙感圖像能夠使海草覆蓋圖的總體分類精度最多提高14%(Pu et al, 2014)。因此, 如何正確消除水體本身對(duì)光線傳輸?shù)挠绊?特別是在水質(zhì)渾濁區(qū)域、水體透明度低的情況下)是研究過(guò)程中必須考慮的重要環(huán)節(jié)。

此外, 準(zhǔn)確劃分海洋底質(zhì)類型是海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)研究的另一個(gè)關(guān)鍵。盡管根據(jù)海草光譜特征進(jìn)行海草的光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)在機(jī)理上具有可行性, 但在目前研究的實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中尚存在難度。如果水下水生植被或海草生境的任何成分(如藻類葉綠素含量、可溶性有機(jī)物和無(wú)機(jī)物)之間或內(nèi)部存在光譜重疊, 則很難分離相似的光譜響應(yīng)。同時(shí)海草的葉子經(jīng)常被附生植物寄生, 海草與附生植物共存會(huì)導(dǎo)致一定的光譜偏差。盡管研究人員可以使用具有豐富光譜波段的多光譜傳感器改善海草光譜庫(kù)(Levings et al, 1999), 通過(guò)高光譜圖像初步繪制混合海草生境地圖(Pu et al, 2012), 但這方面的相關(guān)工作依然存在較大挑戰(zhàn)。

例如, Fyfe(2003)對(duì)照了澳洲波喜蕩草(Posidonia australis)、牟氏鰻草(Zostera capriconi)、卵葉喜鹽草(Halophila ovalis) 等3 種海草在被表生生物污染和未污染情況下的光譜特征[中文名引自黃小平等(2018)]。結(jié)果表明, 無(wú)論是否對(duì)反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理, 在無(wú)附生物和有附生物兩種不同情況下, 在綠色波長(zhǎng)530～580、520～530 和580～ 600nm 處, 以及紅色葉綠素吸收686～700nm 處, 物種間的反射率變化均出現(xiàn)差異性, 如圖5 中紅框區(qū)域所示(Hossain et al,2015)。

圖5 3 種海草的光譜特征及波長(zhǎng)(曲線值取其平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)相關(guān)結(jié)果引用自Hossain 等(2015)和Fyfe(2003)Fig. 5 Spectral characteristics and wavelengths of three species of seagrass (mean value ± standard deviation for the curve)

4 總結(jié)與展望

光學(xué)遙感技術(shù)的應(yīng)用能夠提高海草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)效率, 降低費(fèi)用成本, 特別是在大范圍開(kāi)展海草遙感監(jiān)測(cè)時(shí)優(yōu)勢(shì)更為明顯。當(dāng)前光學(xué)遙感海草監(jiān)測(cè)研究已取得一定成果, 包括: 利用光學(xué)遙感技術(shù)識(shí)別淺海底部海草棲息地、監(jiān)測(cè)海草空間分布范圍和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)、繪制海草覆蓋圖并區(qū)分覆蓋等級(jí)、評(píng)估海草豐度及空間特征、分析海草損失的影響因素、反演海草生物量、估算碳儲(chǔ)量等; 研究所使用的遙感圖像類型多樣, 包括多/高光譜、中低/高分辨率、星/機(jī)載傳感器等; 研究人員根據(jù)研究區(qū)環(huán)境條件、海草物種特性、使用數(shù)據(jù)特征等制定了不同的研究方案和圖像處理方法, 多采用圖像分類技術(shù)提取海草信息, 并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果?？傮w來(lái)講, 這些成果都為海草資源的保護(hù)、恢復(fù)以及科學(xué)管理奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。但就現(xiàn)階段海草監(jiān)測(cè)而言, 仍然是以實(shí)地調(diào)查為主, 遙感僅作為監(jiān)測(cè)的輔助手段, 這是由于遙感技術(shù)應(yīng)用于海草監(jiān)測(cè)研究尚有許多不足和需要發(fā)展的方面。譬如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不如實(shí)地調(diào)查獲得的結(jié)果、水質(zhì)的透明度對(duì)監(jiān)測(cè)精度影響較大; 如何區(qū)分海草物種, 以及正確劃分海藻與海草等都需要進(jìn)一步探索。

雖然海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)研究取得了一定成果,但由于人們對(duì)海草認(rèn)識(shí)還不夠充分, 對(duì)這類物種關(guān)注程度也遠(yuǎn)不如紅樹(shù)林、珊瑚礁、鹽沼等其他海洋生態(tài)系統(tǒng)類型。海草及海草遙感研究目前尚處于初級(jí)階段, 仍然具有巨大的研究?jī)r(jià)值和潛力空間, 今后在以下幾個(gè)方面需著重開(kāi)展討論。

1) 探索多樣化的海草遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容。除監(jiān)測(cè)覆蓋范圍、面積分布、損失變化以外, 今后應(yīng)探索多樣化的海草遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容要素, 如海草的生物特性、環(huán)境壓力響應(yīng)、景觀空間結(jié)構(gòu)、海草生態(tài)系統(tǒng)健康性、海草生境狀況等。隨著對(duì)海草認(rèn)識(shí)的不斷深入, 遙感監(jiān)測(cè)也應(yīng)更加精細(xì), 如區(qū)分不同類型的海草物種、探測(cè)分布范圍、明確生長(zhǎng)特性、辨識(shí)不同物種海草對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)等。但由于不同海域的水環(huán)境質(zhì)量差異顯著, 海草基質(zhì)類型區(qū)分過(guò)程往往會(huì)受到強(qiáng)烈干擾, 并且兩種以上海草混合生長(zhǎng)在相同區(qū)域或海草與海藻混生的現(xiàn)象均較為普遍,使這類研究面臨較大挑戰(zhàn)。

2) 研究更有效的海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)算法。目前使用光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行海草監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性并不太高,在研究過(guò)程中面臨較大難度, 比如需要仔細(xì)考慮如何消除水體對(duì)光線傳輸?shù)挠绊憽⒄_辨識(shí)海草自身分布密度和深度不同導(dǎo)致的光譜曲線變化, 以及有效區(qū)分混合區(qū)域的海草與不同物種海藻等。因此今后還需不斷完善海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)機(jī)理, 進(jìn)一步研究水體校正模型和圖像信息提取方法, 提高海草物種識(shí)別和圖像提取的準(zhǔn)確度。

3) 發(fā)展多技術(shù)融合的海草遙感監(jiān)測(cè)體系。監(jiān)測(cè)技術(shù)是海洋資源保護(hù)與管理的重要保障。對(duì)比珊瑚礁遙感研究, 使用光學(xué)遙感、機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距(light detection and ranging, LiDAR)、機(jī)載合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)以及船載聲學(xué)遙感等技術(shù)在珊瑚礁生長(zhǎng)環(huán)境、珊瑚礁底質(zhì)地貌、珊瑚礁地形和水深、珊瑚礁穩(wěn)定性等方面取得了豐富成果(黃榮永 等, 2019)。反觀海草遙感研究, 當(dāng)前處于初級(jí)階段, 以光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)成果居多。隨著人類對(duì)海草認(rèn)識(shí)加深和海草研究?jī)?nèi)容多樣化發(fā)展, 海草遙感監(jiān)測(cè)也應(yīng)融入更多技術(shù)。同珊瑚礁遙感類似,使用LiDAR 和SAR 技術(shù)開(kāi)展海草底質(zhì)地形探測(cè)、海草生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)等亦有可能。而水聲遙感具有高效、低廉的優(yōu)勢(shì), 而且不受水體渾濁度影響, 能夠克服光譜透水性有限的缺陷, 可以與光學(xué)遙感互補(bǔ),共同服務(wù)于海草研究。這些技術(shù)將構(gòu)成全面的海草遙感監(jiān)測(cè)體系。

4) 推動(dòng)海草遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。海草恢復(fù)是保護(hù)海草生態(tài)系統(tǒng)的重要工程手段, 其目的是保證海草場(chǎng)及其相鄰生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定。使用遙感技術(shù),能夠針對(duì)特定區(qū)域(特別是大范圍區(qū)域)的海草恢復(fù)狀況進(jìn)行時(shí)間段內(nèi)或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 分析其動(dòng)態(tài)變化程度和趨勢(shì), 從而達(dá)到評(píng)估海草保護(hù)和恢復(fù)成效的目的。另外, 沿海地區(qū)人口壓力劇增和生態(tài)環(huán)境惡化對(duì)海草生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大威脅, 通過(guò)遙感多尺度監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)及海草生長(zhǎng)環(huán)境狀況, 能夠有效分析人類活動(dòng)對(duì)海草生態(tài)系統(tǒng)的影響。今后應(yīng)推廣海草遙感監(jiān)測(cè)在這些方面的應(yīng)用研究, 以便為海草保護(hù)與管理提供必要的知識(shí)基礎(chǔ)。

5) 強(qiáng)化我國(guó)海草遙感監(jiān)測(cè)研究。我國(guó)是海草資源較為豐富的國(guó)家, 但在海草研究方面, 相較于歐美國(guó)家尚存在顯著差距, 海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)也未引起足夠關(guān)注。我國(guó)海草資源存在嚴(yán)重退化現(xiàn)象, 特別是南海海域的海草生境面臨嚴(yán)重威脅。目前國(guó)家對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)高度重視, 對(duì)海草的關(guān)注度也隨之提高。這為海草研究及管理應(yīng)用提供了良好契機(jī)。因此, 亟需加強(qiáng)我國(guó)海草光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)研究,為今后國(guó)家海洋生態(tài)保護(hù)提供有力技術(shù)支撐。