近日，黄荣永博士为首在爱思唯尔（Elsevier）旗下的权威期刊International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation《国际应用地球观测和地理信息杂志》（IF=7.6，中国科学院一区TOP期刊）上发表了为题为“Development of a Coral and Competitive Alga-Related Index Using Historical Multi-Spectral Satellite Imagery to Assess Ecological Status of Coral Reefs”的研究成果。
理解活珊瑚与竞争性藻类（包括草皮海藻和大型海藻）生长分布区特征对于评估珊瑚礁生态系统的健康至关重要。然而，活珊瑚和竞争性藻类在遥感影像识别中面临着“异物同谱”的挑战，即不同地物目标具有相似的光谱反射特征。针对这一问题，该研究以珊瑚礁生态调查与研究的现实需要为基础，根据竞争性藻类存在较明显季节性枯萎而珊瑚分布区在短时间内会相对稳定的特点，提出利用相同年份不同时相的两幅多光谱卫星影像（Landsat TM/OLI或Sentinel-2 MSI）来对活珊瑚和竞争性藻类生长分布区特征进行估算。首先构建一种红绿波段归一化差值指数（NRGI），用于分割卫星影像中的活珊瑚或竞争性藻类生长分布区，然后再通过比较竞争性藻类稀少期和竞争性藻类茂盛期影像的分割结果，估算出活珊瑚与竞争性藻类的生长分布区面积，进而计算竞争性藻类生长分布区面积与活珊瑚生长分布区面积的比值（RCL）。研究对南海8座典型珊瑚礁1995年至2022年间的状况进行了评估，结果表明：1）在竞争性藻类稀少期（1月至3月）和茂盛期（4月至10月），活珊瑚与竞争性藻类生长分布区的分割精度分别达到了80.3%和92.6%；2）RCL与珊瑚-大型藻类遭遇率（反映竞争性藻类对活珊瑚压力的一种生态指标）显著相关（r=0.79, P<0.05）；3）竞争性藻类生长分布区面积、活珊瑚的生长分布区面积和RCL的演变趋势与南海珊瑚礁的典型生态事件（珊瑚白化、长棘海星爆发和黑带病爆发等）密切吻合；4）热压力和RCL之间存在较强的滞后相关性。总体而言，本文提出的NRGI方法简单、有效，构建的RCL可作为评估珊瑚礁生态系统状况的重要指标，能够揭示竞争性藻类对活珊瑚的压力并指示珊瑚礁的生态系统状况。
该研究从珊瑚礁生态调查与研究的现实需要出发，摒弃了传统遥感研究单纯追求高精度分类的观念，将珊瑚礁系统科学与遥感技术进行融合，利用竞争性藻类生长存在明显季节性变化而珊瑚在短时间内分布变化不大的特点，提出利用不同时相多光谱遥感影像来对活珊瑚和竞争性藻类生长分布区特征进行估算、进而构建珊瑚礁生态系统状况评估指标的新思路。该研究的主要创新点在于：1）提出了解决珊瑚礁生态动态遥感监测“异物同谱”问题的一种新思路；2）提出了训练样本类别划分与遥感影像分类器同时训练的应用研究理念；3）论证了所构建指标对珊瑚礁生态系统状况的指示作用，提供了遥感与珊瑚礁生态学领域交叉与融合的重要基础；4）反演了南海8座典型珊瑚礁活珊瑚与竞争性藻类在近25年以来演化的过程，对南海乃至全球珊瑚礁生态系统演化的研究具有重要的参考价值。
图1 研究区域：a）北礁；b） 七连屿；c） 永兴岛；d） 永乐环礁；e） 华光礁；f） 玉琢礁；g） 盘石屿；h） 浪花礁；i）黄岩岛。圆点代表现场调查站位。左上角底图来自海南省测绘地理信息局（http://hism.mnr.gov.cn/），编号为：GS qiong (2023) 040。
图2 多光谱卫星影像从竞争性藻类稀少期到竞争性藻类茂盛期的差异所展现的珊瑚与竞争性藻类变化示例
图3 南海典型珊瑚礁活珊瑚与竞争性藻类生长分布区特征时间序列，包括活珊瑚生长区面积、竞争性藻类生长区面积及其面积比（RCL）：北礁、七连屿、盘石屿、永兴岛、华光礁、黄岩岛、浪花礁和玉琢礁。
图4 南海珊瑚礁典型生态事件（珊瑚白化、长棘海星爆发和黑带病爆发）、周热度（DHW）压力和竞争性藻类生长分布区面积、活珊瑚生长分布区面积及其比值（RCL）之间的对应（以北礁为例）。
论文信息：Huang Rongyong, He Zhiwei, Yu Kefu, Yao Zuofang, Zou Bin, Xiao Junyou. Development of a Coral and Competitive Alga-Related Index Using Historical Multi-Spectral Satellite Imagery to Assess Ecological Status of Coral Reefs. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2024, 134: 104194. https://doi.org/10.1016/j.jag.2024.104194.
论文链接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S1569-8432(24)00550-8
文字作者：海洋学院
图片作者：论文配图
