基于Landsat 8 衛星數據的南沙礁群分布研究

蔣昌波，馬遠，隆院男，袁帥，康遠泰，尹令實，閆世雄

（1.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114）

南沙群島海域遼闊，海床地形崎嶇多變，槽谷系統交錯，海山挺拔屹立，島嶼與珊瑚礁廣泛分布。海島、礁石等在《聯合國海洋法公約》中地位較特殊，涉及領土、領海、毗連區及專屬經濟區相關權利，因此對南沙礁體密度分布進行研究具有重要意義（陳史堅，1982）。

19 世紀以來，諸多學者對珊瑚礁的關注度不斷攀升，中國在1980 年對南沙群島自然地理特征、珊瑚礁地貌、地質情況等多方面進行了詳細研究，分析了南沙群島的自然價值、航運價值和軍事價值（索安寧等，2010；趙煥庭等，2014）。關于島礁空間形態特征的研究，國外學者已經做了大量的工作（Kordi et al，2016），有學者利用分形理論為島礁空間形態的研究建立新的數學語言和定量描述方法，利用生態學的空間格局指數對群島空間格局進行量化，同時結合島礁控制范圍的復雜現狀提出綜合可達性指數，有助于定量分析島礁控制態勢（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志，也是劃分珊瑚島的最主要依據（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對環境變化時會表現出明顯的 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，通常狹長形的珊瑚島比偏圓形的珊瑚島更易受環境變化影響，穩定性稍差（Tomascik et al，1997）。有學者在南沙珊瑚礁工程地質特性研究中，發現干出環礁適合工程建設（石偉等，2014b）。在既往的研究中，由于島礁岸線復雜，預測時效過短等諸多問題（白楊等，2020；朱國強等，2015），難以采用傳統方法觀測獲取數據，利用衛星對南沙島礁地質和光譜特征進行調查是補充數據的有效方法，已有學者針對中等分辨率衛星圖像獲取珊瑚礁信息的適用性進行了驗證（Hedley et al，2018；Gapper et al，2018）。21 世紀之后，航空攝影使學者們能夠低空觀察珊瑚礁，利用拖曳式攝影平臺獲取影像，根據影像單元的豐富度分布和群落結構，解析潮下礁群的分布，便于對珊瑚礁空間特征進行詳細分析，還有學者利用航片與衛星影像相互匹配，比對臺風過后島嶼地貌的動態調整過程（Ford et al，2014；Duan et al，2016；Beisiegel et al，2018）。

在南沙島礁的問題上，以往研究主要側重島礁帶來的經濟價值與戰略意義，忽視了礁群密度分布與形態變化，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分布建立新的數字信息和定量描述法，解析礁群分布規律。該方法有望對南沙島礁格局進行深入剖析，為南沙島礁的開發和綜合治理提供科學依據和定量指標。

1 研究區域概況

南沙群島位于中國南部（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，島礁分布區域水深變化劇烈，大部分海域水深在1 000 m 以上。研究區域位于自南向北逐級下降的三級階梯狀大陸坡上，海底地形復雜，既有多級平坦的陸坡臺階，又有雄偉壯觀的海底高原，海山頂部發育的無規則礁灘，形成了南沙群島。

2 數據與方法

2.1 數據來源

南沙島礁部分礁體面積小，從低分辨率影像中識別礁體較困難。因此，采用美國航空航天局（NASA） Landsat 8 衛星數據解譯空間特征，從美國地質調查網站（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。數據含9 個波段，可準確反演水、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。其他輔助數據包括中國地名委員會1983 年4 月受權公布的《我國南海諸島部分標準地名》及自然資源部2020 年4 月公布的我國南海部分島礁和海底地理實體標準名稱等。

表1 遙感影像列表

2.2 數據處理

使用ENVI 5.1 對遙感數據進行預處理，所用L1Gt 數據已經過幾何校正，僅需對圖像做去云、輻射定標、大氣校正及圖像增強處理，使用定標工具（Radiometric Calibration）對數據輻射定標時利用定標系數Gain 和Bias 進行計算，公式如下：

式中，L 為傳感器模擬信號；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 默認參數定標單位為W·m-2·sr-1·滋m-1。使用QUAC 快速大氣校正工具進行校正，精度近似輻射傳輸模型依15%，然后用線性對比度拉伸對圖像進行增強，改進影像視覺效果后用監督分類法識別礁體，并對開放度相對較高的潟湖及難以分辨的淺灘和暗礁進行適度調整。

2.3 計算方法

為了量化南沙島礁核密度及礁體特征量的空間格局，本研究根據島礁屬性的重要程度賦予其權重，采用瞬時現狀的礁體面積（含水上和水下的礁體面積）作為密度核參數，映射島礁空間核密度，并根據特征量的分布解析礁群現狀。各參數計算采用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，當趨近于0 時，則礁體形狀接近一條直線，最不緊湊；P 為島礁周長；S 為島礁區域面積（鄒亞榮等，2012）。

2.3.3 形狀指數

式中，LSI 為島礁形狀指數，反映島礁形狀復雜度，LSI 越接近1，整體形狀越簡單，反之越復雜。P為島礁周長，S 為島礁區域面積，取值范圍：LSI 逸0，當島礁為正方形時，LSI=1；當島礁形狀不規則或偏離正方形時，LSI 值增大（畢曉麗等，2005；索安寧等，2010）。

3 結果與分析

3.1 島礁空間分布特征

3.1.1 礁體面積頻次特征

根據遙感影像解譯結果（圖1），識別出礁體316 個，其中面積在1～5 km2的礁體133 個，占南沙礁體總數的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，占南沙礁體總數的27.54%，散落在環礁臨海，僅石盤仔、安波沙洲距環礁群較遠。面積> 5 km2的礁體有96 個，占南沙礁體總數的30.38%，此類島礁相隔較遠，發育完整。

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的礁體數最多，占總數的42.09%；面積在30～40 km2的礁體數最少，占總數的1.58%。面積小于1 km2的礁體數隨面積增大而增多，面積在1～5 km2的礁體較面積在0.5～1 km2礁體數量增幅最大為25.95%。面積大于5 km2礁體數隨面積增長開始下降，面積在5～10 km2礁體數較面積1～5 km2礁體數下降幅度最大為31.65%，當礁體面積>40 km2時，礁體數出現微增長。出現以上結果可能是由于面積較小礁體需長時間發育至峰值面積（1～5 km2）才能形成較穩定生態，若要進一步向更大面積礁體發育，可能需外在環境刺激或影響。

圖2 礁體面積頻次分布

3.1.2 礁體面積密度特征

使用面積參數作為核密度屬性值，量化礁體面積密度分布特征，結果表明礁體面積密度特征多為外擴散類圓。

面積< 1 km2的礁體高密度區2 處（圖3a），位于九章群島、北康暗沙海域；次級密度區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，是形成高密度區的主要因素。

面積為1～5 km2的礁體高密度區2 處（圖3b），位于華礁、大淵灘，西部高密度區有中業群礁、鄭和群礁，密度值由北向南逐漸變大，東部高密度區沿禮樂灘西部環狀發育；次級密度區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處于環礁較密集的區域（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最多，且多為環礁的組成部分。

面積> 5 km2的礁體高密度區3 處（圖3c），位于費信島、禮樂灘、榆亞暗沙海域，西南高密度區成斜型“一”字排列，緊連的次級密度區在安渡灘，東北2 處高密度區相互連接，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。次級密度區較多，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，很難準確檢測其特征，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，分段統計遙感影像可見的斑塊礁。 （10毅0憶0義N—12毅0憶0義N） 內礁體數最多，占總數的48.42%，（4毅0憶0義N—6毅0憶0義N） 內礁體數最少，占總數的13.92%。從整體看，隨緯度升高，面積<1 km2的礁體數逐級減少，面積在1～5 km2和面積> 5 km2的礁體數逐級增多，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 島礁數目隨緯度變化情況

在經度方向上，沿經度（111毅0憶0義E—119毅0憶0義E）以每2毅為間隔進行分段統計（圖5），礁體數從23.73%增長至最高的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礁群坐落在（113毅0憶0義E—115毅0憶0義E）區域，該范圍礁體最多。水平經度方向，不同面積礁體的分布結構沒有明顯趨勢變化，（111毅0憶0義E—117毅0憶0義E）范圍的各個區間內面積>5 km2的礁體數均大于其他兩組，面積<1km2的礁體數均為最少，僅在（117毅0憶0義E—119毅0憶0義E）范圍內礁體面積結構發生改變，面積<1 km2與1～5 km2的礁體數多于面積>5 km2的礁體數，此時面積>5km2的礁體占比最少（圖5）。

圖5 島礁數目隨經度變化情況

3.2.3 礁體形狀特征

本文使用形狀指數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LSI 介于0.90～2.87。將其按面積<1 km2、1～5 km2、> 5 km2范圍分組，計算每組平均形態指數與平均緊湊度。結果表明，平均形狀指數隨面積增大而增大，平均緊湊度隨面積增大而減小（圖6）。可能是由于面積較小的礁體多為依托環礁礁盤的小礁，易受外界環境影響而改變自身形狀，使其形狀越發規則，緊湊度較高。由此推測礁體趨向適應性發展而非規則生長，從而演變為南沙區域礁體的不規則現狀。

圖6 不同面積礁體的特征量變化

除此之外，還發現沿緯度由南向北，平均緊湊度先增長后趨向平穩，最大值為0.81，而平均形狀指數先減小后趨于平穩，最小值為1.14（圖7a）；沿經度由西向東，平均緊湊度從0.73 增大至0.83，平均形狀指數從1.32 減小至1.12，兩者均呈負相關（圖7b）。緯度方向上的礁體在低緯度時平均形狀指數最大，平均緊湊度最小，礁體形態以狹長形為主，緊湊性不強，之后隨空間緯度的升高，平均形狀指數趨近于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育，使其穩定發育，緊湊性增強。水平經度方向上的礁體平均形狀變化顯著，平均形狀指數趨于1，平均緊湊度逐漸增大，礁體趨于緊湊，整體形狀由狹長狀變為粗扁形，由于南沙群島整體由西南向東北延展，水平經度方向由西向東遷移時礁體所在緯度相應攀升，使海洋環境更適合礁體演變。

圖7 經緯方向上特征量的變化

4 結論與討論

本研究使用中等分辨率Landsat 8 衛星圖像對南沙珊瑚礁現狀進行調查，并繪制南沙島礁核密度現狀圖，研究結果為更好地認識南沙島礁密度現狀，提供了新的數據和理論。

（1） Landsat 8 衛星遙感數據可較準確地對礁群特征進行詳細調查，發現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范圍的礁體數最少。

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

（3）緯度方向，不同面積礁體的分布結構變化明顯，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，各區間礁體數逐漸增多，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；經度方向，不同面積礁體的分布結構沒有明顯趨勢變化，僅在（117毅0憶0義E—119毅0憶0義E）范圍內礁體面積結構發生改變，面積<1 km2與1～5 km2的礁體數多于面積>5 km2的礁體數。

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

本文僅考慮了礁體地理信息參數，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一步優化。其中季風、海洋酸化、海表面溫度等環境因素對礁體演變及預測有著重要影響，由于礁體地貌各異且隨潮汐動態變化，本研究僅參考瞬時地貌而忽略動態潮汐的影響，如何量化這些變量，將是下一階段研究的方向。