逄今朝 ， 任廣波， 施 祺， 朱海天， 胡亞斌， 董 娟， 馬 毅

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島 266580； 2. 自然資源部第一海洋研究所， 山東 青島 266061； 3. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所， 廣東 廣州 510301； 4. 國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心， 北京 100081)

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是熱帶海洋最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一， 在創(chuàng)造海洋初級(jí)生產(chǎn)力、維持海洋生物多樣性、防浪固灘、資源供給、國(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用。我國(guó)珊瑚礁基本都分布于南海， 諸島礁北起釣魚島， 南至曾母暗沙， 西起萬(wàn)安灘， 東止黃巖島，是世界珊瑚礁的重要組成部分。西沙群島海域資源豐富， 具有極重要的權(quán)益與戰(zhàn)略價(jià)值。

珊瑚礁白化是由于環(huán)境脅迫， 珊瑚失去體內(nèi)共生的蟲黃藻或者共生蟲黃藻失去體內(nèi)色素， 而導(dǎo)致五彩繽紛的珊瑚變白的現(xiàn)象， 是在全球變暖背景下珊瑚礁大面積退化和死亡的主要因素[1]； 南海西沙群島珊瑚礁白化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重[2]， 珊瑚礁白化危及珊瑚礁基底安全， 對(duì)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)造成巨大破壞。珊瑚礁的保護(hù)工作日益受到人們的重視?，F(xiàn)有的珊瑚礁白化監(jiān)測(cè)手段以傳統(tǒng)的人工實(shí)地調(diào)查為主， 不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力， 且僅能獲取點(diǎn)或斷面的觀測(cè)數(shù)據(jù)， 難以實(shí)現(xiàn)大面積觀測(cè)。以高分辨率、寬覆蓋和高頻度為特點(diǎn)的遙感技術(shù)在珊瑚礁的調(diào)查和監(jiān)測(cè)方面是一種有效手段[3]。

目前國(guó)內(nèi)外研究者監(jiān)測(cè)珊瑚礁白化的方法主要有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、生態(tài)監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)3種， 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法無(wú)法開展大尺度空間區(qū)域的白化監(jiān)測(cè)。利用遙感手段開展的白化監(jiān)測(cè)其精度有待提升[11-13]， 研究發(fā)現(xiàn)海表面溫度(surface sea temperature， SST)的升高是造成珊瑚礁白化的主要因素， 從20世紀(jì)80年代開始國(guó)內(nèi)外學(xué)者將SST變化分析應(yīng)用于珊瑚礁白化的研究[4-6]， 通過(guò)研究珊瑚白化周熱度(degree heating week， DHW)等珊瑚礁白化指標(biāo)， 證實(shí)珊瑚礁白化的地理分布是由SST的空間格局確定的[7]。繼而有研究將26個(gè)周熱度累計(jì)熱應(yīng)力確定為珊瑚礁白化的閾值[8]， 發(fā)現(xiàn)珊瑚礁白化多發(fā)生于夏季， 且當(dāng)日平均SST距平大于等于1.0 ℃便會(huì)發(fā)生白化[9]。通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)目前針對(duì)珊瑚礁白化的研究多偏向于基于SST計(jì)算DHW等指標(biāo)對(duì)珊瑚礁白化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[10]， 而利用遙感手段結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的珊瑚礁白化監(jiān)測(cè)方法研究不多， 并且大部分研究工作只關(guān)注小尺度研究區(qū)域整體的白化分析， 對(duì)于大尺度區(qū)域下整體和單個(gè)島礁兩種尺度的白化分析工作不多。

本文以2005—2007年QuickBird、2011—2012年WorldView-2/QuickBird和2016—2018年GF-1/2等高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源， 以西沙永樂群島的14個(gè)重點(diǎn)島礁為研究區(qū)域， 采用SVM分類方法結(jié)合人機(jī)交互信息提取方法開展上述3個(gè)時(shí)期永樂群島珊瑚礁底質(zhì)類型提取， 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料， 開展基于底質(zhì)類型變遷監(jiān)測(cè)的永樂群島整體以及單個(gè)島礁珊瑚礁白化分析， 為珊瑚島礁現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)、生態(tài)評(píng)估和恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)域?yàn)槲魃秤罉啡簫u的羚羊礁、中建 島 等14個(gè) 島 礁 所 在 礁 盤(15°46′～17°07′N，111°11′～112°06′E)。各島礁多是由珊瑚、貝屑等組成的海洋型島嶼， 地貌特征在南海島礁中具有代表性， 其底質(zhì)類型包括深礁前斜坡、珊瑚叢生區(qū)等11個(gè)類型。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)與處理

圖1 研究區(qū)位置與所包括的島礁示意圖Fig. 1 Location of the study area and schematic of the included islands and reefs

本文所使用的衛(wèi)星影像有空間分辨率分別為0.61 m、0.5 m、2 m和1 m的QuickBird衛(wèi)星影像、WorldView-2衛(wèi)星影像、高分一號(hào)(GF-1)和高分二號(hào)(GF-2)衛(wèi)星影像4種， 以上數(shù)據(jù)均包括藍(lán)、綠、紅和近紅外4個(gè)波段； 由于永樂群島面積較大， 衛(wèi)星受到天氣狀況及云層覆蓋等影響， 無(wú)法在同一時(shí)間點(diǎn)獲取覆蓋所有島礁的合格影像， 因此主要選取了2005、2011、2018年3期影像用于研究， 若由于云層覆蓋等影響導(dǎo)致上述3期影像在各研究時(shí)段內(nèi)不能被覆蓋的島礁選取與各研究時(shí)段相近時(shí)間的影像用于研究， 14個(gè)島礁及對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星影像信息見表1。由于主要選取了2005、2011、2018年3期影像， 因此在下文中分別將2005—2007年、2011—2012年、2016—2018年影像表述為2005、2011、2018年影像。

表1 永樂群島各島礁遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)信息Tab. 1 Remote sensing satellite image data information of all islands and reefs in Yongle Islands

QuickBird、WorldView-2、GF-1/2等多光譜遙感影像預(yù)處理過(guò)程包括大氣校正、幾何校正。大氣校正去除太陽(yáng)輻射在經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)發(fā)生散射和吸收而導(dǎo)致對(duì)光譜的影響， 校正過(guò)程利用ENVI 5.3軟件中的FLAASH 大氣校正模塊； 幾何校正過(guò)程以2005年QuickBird影像為基準(zhǔn)， 對(duì)2011、2018年遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)， 配準(zhǔn)誤差小于0.5像元。幾何校正后統(tǒng)一將遙感影像的空間分辨率重采樣到1 m， 以保證不同類型的遙感影像提取的底質(zhì)信息在面積上的統(tǒng)一性，重采樣方法選擇最近鄰法。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

于2013年7月、2015年6月赴永樂群島部分島礁開展珊瑚礁底質(zhì)、珊瑚礁健康狀況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查， 利用人工潛水、水下實(shí)地?cái)z影等手段獲取了珊瑚礁底質(zhì)類型組成、珊瑚礁健康狀況、珊瑚礁覆蓋度等相關(guān)數(shù)據(jù)， 共在羚羊礁、盤石嶼等8個(gè)島礁獲取了66個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站位信息； 利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為分類和驗(yàn)證樣本，開展珊瑚礁底質(zhì)類型分類； 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查照片、驗(yàn)證樣本區(qū)域示意圖見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和驗(yàn)證樣本區(qū)域示意圖Fig. 2 Field survey and area diagram of the validation sample

2 研究方法

利用預(yù)處理后的3期高分遙感影像按照董娟等[14]提出的珊瑚礁底質(zhì)類型分類體系， 采用SVM分類方法提取3期永樂群島珊瑚礁底質(zhì)類型信息并進(jìn)行精度驗(yàn)證， 結(jié)合人機(jī)交互信息提取方法對(duì)SVM算法分類不合理區(qū)域進(jìn)行修正； 基于底質(zhì)類型提取結(jié)果開展變遷檢測(cè)， 得到3個(gè)時(shí)期珊瑚礁底質(zhì)類型變遷信息； 后根據(jù)不同底質(zhì)類型對(duì)應(yīng)的活珊瑚覆蓋度， 計(jì)算各底質(zhì)類型活珊瑚變遷數(shù)據(jù)， 得到整體及各島礁白化率； 最后建立珊瑚礁白化等級(jí)分級(jí)規(guī)則， 開展2005—2018年、2005—2012年和2012—2018年3個(gè)時(shí)期的珊瑚礁白化監(jiān)測(cè)與分析。在下文中將2005—2018年、2005—2012年和2012—2018年3個(gè)白化研究時(shí)段分別表述為總體時(shí)段、第1時(shí)段、第2時(shí)段。本文研究技術(shù)路線圖見圖3。

圖3 基于珊瑚礁底質(zhì)類型變遷監(jiān)測(cè)的珊瑚礁白化分析技術(shù)路線圖Fig. 3 Technical roadmap of coral reef bleaching analysis based on monitoring the changes of coral reef sediment types

2.1 珊瑚礁底質(zhì)類型提取方法

針對(duì)珊瑚礁底質(zhì)類型分類體系的構(gòu)建， 相關(guān)研究提出了不同的分類體系[11]?？紤]到本文研究區(qū)域礁體形態(tài)、水動(dòng)力條件、出露程度等因素影響， 選擇董娟等[14]提出的適合于永樂群島的珊瑚礁底質(zhì)類型分類體系， 分為： 深礁前斜坡、淺礁前斜坡、礁前階地、藻脊、珊瑚叢生區(qū)、珊瑚沉積區(qū)、沙洲、沙坪、點(diǎn)礁、礁塘和潟湖共11個(gè)類型； 劉寶銀等[15]、左秀玲等[16]、夏東興等[17]、龔劍明等[18]對(duì)西沙群島不同底質(zhì)類型珊瑚覆的蓋度估計(jì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)， 如表2所示。

表2 永樂群島各底質(zhì)類型珊瑚覆蓋度估計(jì)Tab. 2 Estimation of coral coverage of different sediment types in the study area

利用支持向量機(jī)(support vector machine， SVM)分類方法對(duì)珊瑚礁底質(zhì)類型信息進(jìn)行提取。SVM是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論[19]的一種二分類模型， 其學(xué)習(xí)策略是找到特征空間中一個(gè)能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)樣本劃分開的決策超平面， 使類別正確分開的同時(shí)實(shí)現(xiàn)類別間隔最大化。由于珊瑚礁位于水下， 在底質(zhì)類型光譜信息采集過(guò)程中， 水深嚴(yán)重干擾了珊瑚礁底質(zhì)類型光譜信息， 直接根據(jù)珊瑚礁遙感影像光譜信息特征進(jìn)行SVM分類會(huì)影響分類結(jié)果的準(zhǔn)確性， 而基于人機(jī)交互的信息提取方法則具有很好的靈活性、適應(yīng)性， 二者結(jié)合使用可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下提高分類精度。

2.2 白化分析方法

為了定量研究各類珊瑚礁底質(zhì)類型的面積變化，利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行變化分析。轉(zhuǎn)移矩陣反映了某區(qū)域某時(shí)段期初和期末各類型面積之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程， 它不僅包括靜態(tài)某時(shí)間點(diǎn)的各類型面積數(shù)據(jù)，而且有各類型面積期初轉(zhuǎn)出和期末轉(zhuǎn)入的信息[12]。轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)形式為：

式中：S表示面積；n代表底質(zhì)類型數(shù)目；i，j分別代表研究初期、末期底質(zhì)類型數(shù)目。通過(guò)對(duì)2005、2011和2018年提取的底質(zhì)類型信息進(jìn)行變化檢測(cè)， 得到總體時(shí)段、第1時(shí)段、第2時(shí)段各島礁底質(zhì)類型轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)， 后基于珊瑚覆蓋度計(jì)算各底質(zhì)類型活珊瑚變遷面積開展白化分析。

為了便于統(tǒng)計(jì)分析， 在本文中作如下定義： 若珊瑚礁由珊瑚覆蓋高的底質(zhì)類型向珊瑚覆蓋低的底質(zhì)類型變遷， 則認(rèn)為珊瑚礁發(fā)生了白化； 相反， 若珊瑚礁由珊瑚覆蓋低的底質(zhì)類型向珊瑚覆蓋高的底質(zhì)類型變遷， 則認(rèn)為珊瑚礁發(fā)生了恢復(fù)。

按照上述定義， 給出整體及各島礁白化率(2)、恢復(fù)率(3)計(jì)算公式：

BR、RR分別代表整體或各島礁白化、恢復(fù)率，BA、RA分別代表整體或各島礁活珊瑚白化、恢復(fù)面積， CA代表起始年份整體或各島礁活珊瑚覆蓋面積。

珊瑚礁的白化和恢復(fù)是同時(shí)發(fā)生的， 但白化和恢復(fù)所發(fā)生的區(qū)域、發(fā)展趨勢(shì)和比例各有特點(diǎn)， 若將白化與恢復(fù)綜合起來(lái)進(jìn)行分析， 將淹沒白化的特征，不利于開展珊瑚礁白化狀況的分析， 因此在本文中，將珊瑚礁白化與恢復(fù)分別進(jìn)行研究分析。

目前， 針對(duì)大尺度區(qū)域下整體及各島礁的珊瑚礁白化分級(jí)監(jiān)測(cè)分析研究較少， 為了更好的描述永樂群島珊瑚礁白化情況， 本文提出了一種珊瑚礁白化等級(jí)劃分原則， 此原則在潘艷麗等[10]， 趙領(lǐng)娣等[20]的研究基礎(chǔ)上， 按照整體以及各島礁白化率， 將白化情況分為輕度白化、中度白化、重度白化、嚴(yán)重白化共4個(gè)等級(jí)， 其對(duì)應(yīng)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 永樂群島珊瑚礁白化分級(jí)表Tab. 3 Bleaching grades of coral reefs in Yongle Islands

3 結(jié)果與分析

3.1 珊瑚礁底質(zhì)類型分類精度驗(yàn)證與分類結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)選擇驗(yàn)證樣本區(qū)域， 并且保證樣本在每個(gè)底質(zhì)類型中分布均勻， 利用驗(yàn)證樣本對(duì)2012年4月20日羚羊礁信息提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。使用混淆矩陣對(duì)珊瑚礁底質(zhì)類型分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。混淆矩陣通過(guò)比較現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的真實(shí)底質(zhì)類型信息和分類結(jié)果圖中相應(yīng)位置的地物信息的正確率開展分類精度的評(píng)價(jià)。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有： 總體分類精度(overall accuracy， OA)， 指分類結(jié)果中被正確分類的像元數(shù)占總像元數(shù)的比例； 制圖精度(producer accuracy，PA)表示分類結(jié)果中某一類別正確分類的像元數(shù)與該類別真實(shí)參考總數(shù)的比率； 用戶精度(user accuracy，UA)表示分類結(jié)果中正確分為某類的像元總數(shù)與整個(gè)圖像分為該類的像元總數(shù)的比率； Kappa系數(shù)是一種定量評(píng)價(jià)遙感分類圖與參考數(shù)據(jù)之間一致性的方法。

結(jié)果表明， 總體分類精度和Kappa系數(shù)分別為89.71%和0.882， 分類總體精度較好， 這驗(yàn)證了本文所引用的珊瑚礁底質(zhì)類型分類體系的合理性與信息提取方法的準(zhǔn)確性， 精度驗(yàn)證信息詳見表4。

表4 2012年羚羊礁信息提取精度驗(yàn)證結(jié)果Tab. 4 Verification results of the antelope reef information extraction accuracy in 2012

2005、2011、2018年永樂群島底質(zhì)類型分類結(jié)果見圖4， 永樂群島中結(jié)構(gòu)完整島礁的底質(zhì)類型分布存在規(guī)律， 自海向島礁中心依次為深礁前斜坡、淺礁前斜坡、礁前階地或藻脊、珊瑚叢生區(qū)、珊瑚沉積區(qū)、沙洲或沙坪、礁塘或潟湖、點(diǎn)礁。深礁前斜坡位于島礁最外圍， 緊鄰其內(nèi)分布淺礁前斜坡， 由于水動(dòng)力條件等的差異， 二者的珊瑚覆蓋度估計(jì)分別為35%、85%， 差異較大； 礁前階地與藻脊交錯(cuò)分布，由于藻脊覆蓋有一層藻類， 幾乎無(wú)珊瑚存在， 所以二者光譜及影像紋理特征差異明顯， 易于區(qū)分， 二者珊瑚覆蓋度估計(jì)較低， 分別為15%、0； 珊瑚叢生區(qū)和珊瑚沉積區(qū)分布面積最廣， 是構(gòu)成島礁的主要組成部分， 有種類、數(shù)量眾多的活珊瑚生長(zhǎng)于此， 二者的珊瑚覆蓋度估計(jì)分別為85%、35%； 沙洲由沙坪發(fā)展而來(lái)， 因此沙洲和沙坪相鄰分布， 二者無(wú)活珊瑚生長(zhǎng)； 礁塘和潟湖地勢(shì)低洼， 分布于島礁和礁環(huán)的中心位置， 其中生長(zhǎng)有點(diǎn)狀離散分布的點(diǎn)礁， 點(diǎn)礁的珊瑚覆蓋度估計(jì)為85%。將14個(gè)島礁按照區(qū)域位置關(guān)系分別放在3個(gè)區(qū)域框中， 其中2005年各島礁分類結(jié)果用a表示， 分為a1、a2和a3三個(gè)區(qū)域框，同理用b和c分別表示2011年和2018年分類結(jié)果。

圖4 永樂群島珊瑚礁底質(zhì)類型分類Fig. 4 Classification of reef sediment types of Yongle Islands

3.2 珊瑚礁白化分析

3.2.1 永樂群島珊瑚礁白化及原因分析

對(duì)永樂群島珊瑚礁總體空間尺度開展白化情況分析， 基于2005、2011、2018年各島礁底質(zhì)類型信息提取結(jié)果， 經(jīng)變遷檢測(cè)及白化率計(jì)算， 得到總體時(shí)段、第1時(shí)段、第2時(shí)段白化監(jiān)測(cè)信息， 詳見表5。

表5 永樂群島3個(gè)白化研究時(shí)段各底質(zhì)類型活珊瑚面積變遷(單位: hm2)Tab. 5 Changes in areas of living corals of different sediment types in three bleaching periods in Yongle Islands (hm2)

在表5中， 各底質(zhì)類型活珊瑚面積變遷量是指2005到2018年間永樂群島3個(gè)白化研究時(shí)段各底質(zhì)類型活珊瑚覆蓋面積變遷數(shù)量， 正、負(fù)數(shù)分別表示該底質(zhì)類型活珊瑚覆蓋面積增加、減少， 發(fā)生恢復(fù)、白化； 2005和2011年活珊瑚覆蓋總量分別為6 582.21 hm2和6 331.53 hm2； 白化、恢復(fù)率分別按照公式(2)、(3)計(jì)算得到。

為了更好地對(duì)永樂群島各單島珊瑚礁白化情況進(jìn)行分析， 根據(jù)島礁地理位置關(guān)系， 將14個(gè)島礁分為9個(gè)島礁單元， 結(jié)合構(gòu)建的永樂群島珊瑚礁白化分級(jí)表，對(duì)9個(gè)島礁單元開展白化等級(jí)評(píng)估， 詳細(xì)信息見表6。

結(jié)合表5， 總體時(shí)段永樂群島活珊瑚面積減少694.25 hm2； 白化面積為1 354.15 hm2， 白化率為20.57%， 達(dá)到重度白化等級(jí)； 其中， 因珊瑚叢生區(qū)變遷為珊瑚覆蓋更低的底質(zhì)類型引起了珊瑚礁大面積的白化， 活珊瑚面積共減少955.36 hm2； 該研究時(shí)段的白化主要是由珊瑚叢生區(qū)、淺礁前斜坡發(fā)生白化引起， 二者發(fā)生白化的面積分別占本研究時(shí)段白化總面積的71%和27%。在第1、2時(shí)段， 永樂群島珊瑚礁白化率分別為16.99%、17.82%， 都為中度白化等級(jí)。

結(jié)合圖5與表6， 有1個(gè)島礁達(dá)到嚴(yán)重白化等級(jí)，達(dá)到重度白化等級(jí)及以上的有6個(gè)島礁， 白化情況嚴(yán)重； 珊瑚礁白化最嚴(yán)重區(qū)域在羚羊礁和中建島礁盤上，其單島白化率分別為33.36%(嚴(yán)重白化)和28.95%(重度白化)； 甘泉島白化率最低， 僅4.99%； 總體上東北部、西南部島礁白化率最高； 第1時(shí)段有2個(gè)島礁達(dá)到重度白化等級(jí)， 而所有的島礁都達(dá)到了中度白化等級(jí)， 珊瑚礁白化最嚴(yán)重的區(qū)域集中在西部的金銀島和中建島所在的礁盤上； 第2時(shí)段有3個(gè)島礁達(dá)到重度白化等級(jí)， 達(dá)到中度白化等級(jí)以上的有7個(gè)島礁； 珊瑚礁白化最嚴(yán)重的區(qū)域在廣金島、琛航島， 盤石嶼，中建島， 羚羊礁所在的4個(gè)礁盤上， 廣金島、琛航島達(dá)到嚴(yán)重白化等級(jí)， 白化率為32.52%， 永樂群島南部白化情況較其他區(qū)域更加嚴(yán)重； 綜合三個(gè)研究時(shí)間段來(lái)看， 永樂群島西部與南部白化情況最嚴(yán)重。

圖5 永樂群島珊瑚礁白化率與白化等級(jí)圖Fig. 5 Coral reef bleaching rate and bleaching grade map in Yongle Islands

表6 永樂群島島礁單元3個(gè)白化研究時(shí)段白化等級(jí)評(píng)估表Tab. 6 Bleaching grade evaluation table for the three study periods of reef units in Yongle Islands

在珊瑚礁的恢復(fù)方面， 2005—2018年永樂群島珊瑚礁共恢復(fù)659.9 hm2， 恢復(fù)率為10.03%； 從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看， 僅2個(gè)島礁恢復(fù)率達(dá)到20%以上， 達(dá)到10%以上的只有4個(gè)島礁， 總體恢復(fù)情況較差。藻脊、深礁前斜坡是此研究時(shí)間段活珊瑚增加面積最多的底質(zhì)類型， 分別增加了298.51 hm2和212.27 hm2， 約占恢復(fù)面積的75%； 甘泉島、中建島活珊瑚覆蓋恢復(fù)情況較好， 恢復(fù)率分別為24.58%和23.77%； 從區(qū)域位置來(lái)看， 永樂群島南部的珊瑚礁恢復(fù)狀況明顯好于北部。在第1、2時(shí)段， 永樂群島珊瑚礁恢復(fù)率分別為11.77%、12.44%。

自20世紀(jì)80年代起， 大量學(xué)者的研究表明海溫升高會(huì)導(dǎo)致珊瑚白化[4-6]， 厄爾尼諾和拉尼娜事件會(huì)使海溫不斷升高， 導(dǎo)致珊瑚大面積白化， 表7為2004—2018年間記錄的南海厄爾尼諾與拉尼娜事件信息[21-22]。

表7 2004—2018年厄爾尼諾-拉尼娜事件Tab. 7 El Ni?o-La Nina events in 2004-2018

由表7可以看出在2004—2018年間永樂群島海域發(fā)生了多起厄爾尼諾和拉尼娜事件， 其中第1時(shí)段發(fā)生了不間斷交替進(jìn)行的厄爾尼諾與拉尼娜事件； 第2時(shí)段又發(fā)生了超強(qiáng)等級(jí)的厄爾尼諾事件； 綜合3個(gè)研究時(shí)段發(fā)現(xiàn)， 永樂群島西部與南部白化情況更嚴(yán)重， 這是由于盛行的夏季東南季風(fēng)帶來(lái)大量的熱帶海水， 熱威脅不斷積累[16-21]， 導(dǎo)致西部與南部白化情況嚴(yán)重， 加之季風(fēng)與人類活動(dòng)使永樂群島發(fā)生大面積白化。

3.2.2 羚羊礁、甘泉島、中建島珊瑚礁白化及原因分析

在以島礁單元為空間尺度的白化分析中發(fā)現(xiàn)羚羊礁總體時(shí)段白化情況是最嚴(yán)重的， 但在第1、2時(shí)段中的白化情況并不均勻， 與羚羊礁相比位于永樂群島最南端的中建島雖然在總體研究時(shí)段中白化程度僅次于羚羊礁， 但各時(shí)段白化程度嚴(yán)重且均勻； 在珊瑚礁恢復(fù)方面， 甘泉島恢復(fù)率最高，且各時(shí)段恢復(fù)狀況表現(xiàn)均勻。因此， 以珊瑚礁白化、恢復(fù)狀況特征差異明顯的3個(gè)島礁為例， 開展詳細(xì)的珊瑚礁底質(zhì)類型空間尺度白化分析， 具體如下。

表8 羚羊礁、中建島、甘泉島總體時(shí)段底質(zhì)類型活珊瑚面積變遷表是指2005到2018年3個(gè)單島珊瑚礁各底質(zhì)類型活珊瑚覆蓋面積變遷數(shù)量， 其與2005年各單島活珊瑚覆蓋總量都由總體時(shí)段珊瑚礁底質(zhì)類型轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)合表2活珊瑚覆蓋度計(jì)算得到，羚羊礁、中建島、甘泉島2005年活珊瑚覆蓋總量分別為573.83 hm2、414.54 hm2和87.13 hm2； 正、負(fù)數(shù)分別表示該底質(zhì)類型活珊瑚覆蓋面積增加、減少， 發(fā)生恢復(fù)、白化； 白化率與恢復(fù)率分別按照公式(2)、(3)計(jì)算得到。

表8 羚羊礁、中建島、甘泉島總體時(shí)段底質(zhì)類型活珊瑚面積變遷表(單位: hm2)Tab. 8 Changes in the living coral area of sediment types in Antelope Reef, Zhongjian Island, and Ganquan Island in the total time period (hm2)

結(jié)合表8， 總體時(shí)段羚羊礁活珊瑚面積減少了133.37 hm2， 白化面積 為191.46 hm2， 白 化率為33.36%， 達(dá)到嚴(yán)重白化等級(jí)， 在14個(gè)島礁中白化最嚴(yán)重， 其中珊瑚叢生區(qū)減少最多， 面積縮減164.27 hm2，占據(jù)了白化總量的86%； 在第1、2時(shí)段， 羚羊礁白化率分別為17.27%、21.56%， 分別達(dá)到了中度白化、重度白化等級(jí)。甘泉島與羚羊礁在地理位置上相鄰，但表現(xiàn)出了不同的白化狀況， 在14個(gè)島礁中恢復(fù)率最高， 總體時(shí)段達(dá)到了24.58%， 在其余兩個(gè)研究時(shí)段也分別達(dá)到了24.46%、13.5%。中建島白化率略低于羚羊礁， 但其白化趨勢(shì)嚴(yán)重， 總體、第1、第2時(shí)段白化率分別為–28.95%、–22.12%、–22.22%， 均為重度白化等級(jí)。

結(jié)合圖6發(fā)現(xiàn)總體時(shí)段羚羊礁、中建島白化集中在島礁內(nèi)部珊瑚叢生區(qū)， 羚羊礁內(nèi)部的白化位置較均衡， 而中建島西北部、北部區(qū)域白化嚴(yán)重， 此外，羚羊礁環(huán)島靠外側(cè)淺礁前斜坡部分也有白化； 甘泉島恢復(fù)主要發(fā)生在深礁前斜坡。第1時(shí)段羚羊礁白化集中在島礁內(nèi)的北部、南部的珊瑚叢生區(qū)及環(huán)島靠外側(cè)的淺礁前斜坡， 中建島的白化區(qū)域、甘泉島恢復(fù)區(qū)域與總體時(shí)段大致相同， 但中建島白化面積相對(duì)減少， 甘泉島第1時(shí)段恢復(fù)率與總體時(shí)段基本持平。第2時(shí)段羚羊礁白化集中在島礁內(nèi)東北部、西南部及環(huán)島靠外側(cè)部分， 白化主要由珊瑚叢生區(qū)、珊瑚沉積區(qū)、淺礁前斜坡白化引起； 中建島的白化區(qū)域主要發(fā)生在內(nèi)部與外部環(huán)島區(qū)域； 甘泉島主要發(fā)生在靠近內(nèi)側(cè)的淺礁前斜坡與珊瑚叢生區(qū)。

圖6 羚羊礁、甘泉島、中建島白化-恢復(fù)區(qū)域圖Fig. 6 Coral reef bleaching-recovery zone map in Albino Reef， Ganquan Island， and Zhongjian Island

除厄爾尼諾與拉尼娜事件外， 自20世紀(jì)70年代起中建島開始建設(shè)并駐軍； 羚羊礁羚羊社區(qū)人民就地取材， 利用珊瑚礁及貝殼等建造素有“珊瑚梁、貝殼墻”之稱的房屋， 加之近年來(lái)建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電、海水淡化設(shè)備， 人為活動(dòng)影響也導(dǎo)致羚羊礁、中建島發(fā)生大面積白化。

4 結(jié)論

本文以西沙永樂群島羚羊礁、中建島等14個(gè)島礁為研究區(qū)域， 利用SVM分類方法結(jié)合人機(jī)交互信息提取方法完成了永樂群島2005年、2011年和2018年珊瑚礁底質(zhì)類型分類， 基于分類結(jié)果得到總體時(shí)段、第1時(shí)段和第2時(shí)段珊瑚礁底質(zhì)類型變化分析結(jié)果， 開展不同尺度區(qū)域下的珊瑚礁白化分析， 得到以下結(jié)論：

1) 提出了輕度、中度、重度和嚴(yán)重白化四級(jí)珊瑚礁白化程度分級(jí)方法， 將總體時(shí)段永樂群島珊瑚礁白化狀況(白化率為20.57%)評(píng)價(jià)為重度白化等級(jí)，同時(shí)在單島分析中發(fā)現(xiàn)總體時(shí)段14個(gè)島礁中有11個(gè)達(dá)到重度白化及以上等級(jí)， 其中羚羊礁白化率(33.36%)最高， 達(dá)到嚴(yán)重白化等級(jí)；

2) 永樂群島總體時(shí)段珊瑚叢生區(qū)、淺礁前斜坡發(fā)生白化的面積為1 324.69 hm2， 占總體白化面積的98%， 珊瑚叢生區(qū)、淺礁前斜坡珊瑚礁白化是永樂群島珊瑚礁白化的主要來(lái)源；

3) 總體時(shí)段14個(gè)島礁中只有甘泉島珊瑚礁覆蓋度在逐漸增加， 其恢復(fù)率達(dá)到了24.58%， 表現(xiàn)出了較好的恢復(fù)態(tài)勢(shì)。