海南资源环境遥感产品数据集专题 I 区论文(评审中) 版本 ZH2
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1987–2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁分布数据集
Distributional data of shallow sea coral reef in Sanya Coral Reef National Nature Reserve from 1987 to 2017
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: 2018 - 11 - 20
: 2018 - 12 - 07
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摘要&关键词
摘要:利用1987–2017共计16期16景覆盖三亚珊瑚礁国家级自然保护区的Landsat TM/OLI影像数据,运用ENVI 5.2和ArcGIS 10.1软件,结合野外调研资料,总结了珊瑚礁生长分布的规律,采用目视解译的方法,提取三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁空间分布信息。经过实地踏勘及14个实地采集的点位信息,对结果进行精度验证,最终得到16期浅海珊瑚礁空间分布数据。本数据集可用于珊瑚礁时空变化分析、生态环境变化等研究,能够清晰地反映时间序列支持下的三亚珊瑚礁国家级自然保护区内珊瑚礁空间分布变化特征。
关键词:珊瑚礁;遥感监测;目视解译;信息提取;三亚
Abstract & Keywords
Abstract: ENVI 5.2 and ArcGIS 10.1 were used to process 16-phase Landsat TM/OLI image data for Sanya Coral Reef National Nature Reserve from 1987 to 2017. Assisted by field research data, we used visual interpretation to summarize the rules of coral reef distribution,and to extract the spatial distributional data of shallow sea coral reefs in the reserve. The accuracy of the results was verified by field survey and 14 spot information collected. Finally, We obtained the spatial distribution data of shallow sea coral reefs in phase 16. This data set can be used for analysis of the temporal and spatial changes, eco-environmental changes of coral reefs, among others. With the support time series, it clearly reflects the distributional changes of coral reefs in Sanya National Nature Reserve.
Keywords: coral reef; remote sensing monitoring; visual interpretation; information extraction; Sanya
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称1987–2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁分布数据集
数据作者霍艳辉、朱岚巍、张少宇
数据通信作者朱岚巍(zhulw@radi.ac.cn
数据时间范围1987–2017年
地理区域本数据集覆盖范围为地理范围包括北纬18°10′30″–18°15′30″,东经109°20′50″–109°40′30″。位于海南省三亚市南部近岸及海岛四周海域,其中包括野猪岛、东排、西排、鹿回头半岛、大东海、小东海、榆林角、东玳瑁岛、西玳瑁岛、双帆石。
空间分辨率30 m
数据量10.73 MB
数据格式*.shp, *.tif
数据服务系统网址http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/687
基金项目海南省重大科技计划项目(ZDKJ2016021)
数据库(集)组成本数据集主要包括海南三亚珊瑚礁国家级自然保护区16期浅海珊瑚礁空间分布数据产品,这些数据保存为1个压缩文件(1987-2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁分布数据集.rar),每期珊瑚礁空间分布数据单独存在以年份命名的文件夹里。
Dataset Profile
TitleDistributional data of shallow sea coral Reef in Sanya Coral Reef National Nature Reserve from 1987 to 2017
Data corresponding authorZhu Lanwei(zhulw@radi.ac.cn)
Data author(s)Huo Yanhui, Zhu Lanwei, Zhang Shaoyu
Time range1987-2017
Geographical scopeThisdata set has a geographic scope of 18°10'30"N - 18°15'30N", 109°20'E- 109°40'30"50"E. Located near the south coast of Sanya City, Hainan Province, the reserve covers: Yezhu Island, Dongpai, Xipai, Luhuitou Peninsula, Dadonghai, Xiaodonghai, Yulinjiao, Dongdaimao Island, Xidaimao Island, and Shuangfanshi.
Spatial resolution30 m
Data volume10.73 MB
Data format*.shp, *.tif
Data service system<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/687>
Sources of fundingMajor Science and Technology Program of Hainan Province under Grant No. ZDKJ2016021
Dataset compositionThis data set is stored as a compressed file named “Distributional data of shallow sea coral reef in Sanya Coral Reef National Nature Reserve from 1987 to 2017. Rar), mainly comprised of 16-phase distributional data of shallow sea coral reef data in Sanya Coral Reef National Nature Reserve during 1987-2017. Distributional data of each phase are saved in a separate folder named after respective years.
引 言
珊瑚礁被誉为“蓝色沙漠中的绿洲”,是海洋中非常独特的生态系统,生活在珊瑚礁区的物种异常丰富[1]。珊瑚礁是一种具有丰富生物多样性的独特海洋生态系统,也是重要的渔场和海洋旅游资源[2],具有很高的生态和经济价值。珊瑚礁的面积约占全球海洋总面积的0.25%,但是其上却养活了超过1/4的海洋鱼类[3]。珊瑚礁生态系统具有惊人的生物多样性和极高的初级生产力[4],对海水温度、酸度和海水污染物的反应非常敏捷,可以作为一种海洋环境的主要生物指标[5],同时起到调节和优化海洋环境的作用,及时把握珊瑚礁的空间分布范围,对监测海洋生态环境具有重要意义。
本文以多时相遥感数据为基础数据,采用目视解译的方法,利用遥感方法得到海南三亚珊瑚礁国家级自然保护区1987–2017年16期珊瑚礁空间分布数据产品,并提供数据共享服务。相关研究成果作为海南省海岸带生态环境监测等成果的一部分,反映时间序列下珊瑚礁空间分布变化特征,为保护区保护和管理珊瑚礁提供科学数据支持。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据来源
本数据集以美国地质勘探局(http://glovis.usgs.gov/)提供下载的海南三亚1987–2017年的30 m分辨率的多光谱遥感影像Landsat TM/OLI的为数据源,共获取无云或少云影响的16景影像。表1所示的是三亚珊瑚礁国家级自然保护区所在的遥感卫星影像序列号及成像时间信息。
表1   Landsat TM/OLI遥感影像数据列表
序号成像日期卫星传感器影像序列号
11987-02-05Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_19870205_20170320_01_T1
21989-03-14Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_19890314_20170204_01_T1
31991-11-15Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_19911115_20170125_01_T1
41993-01-04Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_19930104_20170121_01_T1
51995-01-10Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_19950110_20170110_01_T1
61997-10-30Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_19971030_20161229_01_T1
71999-12-23Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_19991223_20161215_01_T1
82001-11-26Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_20011126_20161210_01_T1
92003-02-01Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_20030201_20161206_01_T1
102005-07-16Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_20050716_20161125_01_T1
112007-01-27Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_20070127_20161117_01_T1
122009-10-31Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_20091031_20161018_01_T1
132011-02-07Landsat 5TMLT05_L1TP_124047_20110207_20161010_01_T1
142013-10-26Landsat 8OLILC08_L1TP_124047_20131026_20170429_01_T1
152015-10-16Landsat 8OLILC08_L1TP_124047_20151016_20170403_01_T1
162017-05-30Landsat 8OLILC08_L1TP_124047_20170530_20170615_01_T1
1.2   数据处理方法
影像解译是指从图像获取信息的基本过程。目视解译是遥感图像解译的一种,又称目视判读,或目视判译,是遥感成像的逆过程。目视解译就是从遥感影像上借助影像的解译标志识别目标,定性定量地提取出目标的分布、结构、功能等有关信息,并把他们表示在地理底图上的过程[6]
影像的解译标志,也称判读要素,它是遥感影像上能直接反应和判别地物信息的影像特征,包括形状、大小、颜色和色调、阴影、位置、结构、纹理、图案、布局和立体外貌等[7]
结合岸礁在遥感影像上的光学颜色、地理位置、形状、生成条件等特征形成综合全方位的解译标志,借助遥感增强方法(诸如图像融合、图像拉伸、主成分变换等方法),在ArcGIS 10.1软件中将Landsat TM/OLI影像按照最优的波段组合及图像增强方式显示,结合实地踏勘地点,建立浅海珊瑚礁的解译标志[8],如表2所示。
本数据集是以2017年的Landsat OLI遥感影像数据为基础,在ENVI中加载影像,首先进行辐射定标,将DN值转化为辐射亮度数据,得到辐射亮度影像;然后进行FLAASH大气校正,将辐射亮度值转化为地表反射率,得到地表反射率影像;再根据保护区范围进行裁剪;随后计算归一化差异水体指数(MNDWI),对其进行直方图阈值分割,再进行水陆掩膜,将陆地掩膜掉[9];在ArcGIS 10.1中按着红绿蓝波段组合的方式打开经过陆地掩膜后的影像,基于本节确定的目视解译标志,采用数字矢量化方法得到2017年浅海珊瑚礁分布,其处理流程如图1所示。再以2017年浅海珊瑚礁分布为依据,依次加载其他15期影像,根据影像反映出的波动情况,依次修改每处波动处的珊瑚礁的分布范围,最终得到16期浅海珊瑚礁分布结果。


图1   珊瑚礁空间分布信息提取流程图
表2   浅海珊瑚礁空间分布信息解译标志
解译标志名称图像特点解译标志详解
位置间隙珊瑚礁离岸距离,岸礁与海岸间隔着一条宽度不大,深度约0.2–1.5米左右的水道间隙,水道间隙的存在是因为近岸泥沙多,不适宜珊瑚礁生长。
颜色沙滩注意区分沙滩和珊瑚礁的颜色,这两种物质极易混淆,在波段为红绿蓝真彩色合成情况下的影像上,海水里的沙滩偏青色,珊瑚礁偏黄绿色。
珊瑚礁
形状条带状珊瑚礁岸礁沿大陆或岛屿岸边生长发育的礁体,所以一般呈现条状或带状分布。
位置河流入海口在大海淡水入海口的地方,岸礁无法形成,因为造礁珊瑚生长在盐度为27‰–40‰的海水中,最佳盐度范围是34‰–36‰,而在淡水入海口的地方,盐度会被稀释下降,不适合珊瑚礁形成。
水深水深一般认为造礁珊瑚生长的水深范围是0–50 m,最佳水深为20 m以浅,本保护区珊瑚礁水深分布范围为4–10 m,海水越深,蓝色越深,深蓝色即为深水区。
2   数据样本描述
2.1   数据组成
本数据集包括三亚珊瑚礁国家级自然保护区1987–2017年共计16期浅海珊瑚礁空间分布数据,这些数据保存为1个压缩文件(“三亚珊瑚礁国家级自然保护区1987–2017年浅海珊瑚礁分布数据集.rar”),每期数据单独存贮在以年份命名的文件夹里,总数据量为10.73 MB。每个文件夹中存贮对应的shp矢量数据文件和tif栅格数据文件,所有数据均采用与遥感影像一致的UTM-WGS84坐标系统。
2.2   数据样本
数据样本的获取是以2017年的Landsat OLI遥感影像数据为基础,基于第1.2节目视解译标志和提取流程,经过实地验证与精度验证,完成2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁分布数据,具体分布如图2所示。


图2   2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁空间分布
3   数据质量控制和评估
3.1   数据结果与精度验证技术路线
野外实测西玳瑁岛西侧和大、小东海珊瑚礁分布数据,所得数据用于分析基于2017年Landsat OLI影像数字矢量化提取的保护区内浅海珊瑚礁空间分布数据的精度特征,将目视解译结果与野外实测数据进行叠加分析,即将野外实测点位信息和目视解译的结果叠加到同一底图上来,确定野外实测珊瑚礁分布的点位信息有多少落入目视解译的范围内,最终得到浅海珊瑚礁信息分布的提取精度[10]。数据结果精度验证技术路线如图3所示。


图3   珊瑚礁空间分布信息提取精度验证技术流程图
3.2   数据结果验证方法
浅海珊瑚礁分布信息通过实地考察验证,范围主要是珊瑚礁集中分布且变化较大的两个区域,分别是西玳瑁岛西侧和大小东海西侧,测量坐标点位采用手持GPS仪(美国Trimble(天宝)公司生产,型号为Trimble JUNO SB)确定点位信息,点位坐标如表3所示。
表3   浅海珊瑚礁实地考察点位表
序号区域经度纬度采集日期
1西玳瑁岛西侧109.364222218.237527782018-01-15
2西玳瑁岛西侧109.363666718.235666672018-01-15
3西玳瑁岛西侧109.363166718.233333332018-01-15
4西玳瑁岛西侧109.362361118.231194442018-01-15
5西玳瑁岛西侧109.3612518.226222222018-01-15
6西玳瑁岛西侧109.366333318.245252018-01-15
7大、小东海西侧109.511277818.216888892018-01-16
8大、小东海西侧109.5077518.210555562018-01-16
9大、小东海西侧109.501555618.208194442018-01-16
10大、小东海西侧109.497277818.203638892018-01-16
11大、小东海西侧109.493861118.197972222018-01-16
12大、小东海西侧109.501111118.209472222018-01-16
13大、小东海西侧109.509916718.213083332018-01-16
14大、小东海西侧109.511333318.220138892018-01-16
3.3   数据结果验证精度
上图中,红色矢量范围为目视解译的浅海珊瑚礁分布范围,绿色小圆点为野外调查实测点。可以看出,目视解释出的西玳瑁岛浅海珊瑚礁主要分布于沿岛0–100米附近区域(如图4所示),采用目视解译方法获取的浅海珊瑚礁分布,与野外调查获得的珊瑚礁位置比较,发现6个野外调查点皆落在目视解译的范围内;目视解译出的大、小东海西侧浅海珊瑚礁主要分布于沿岛0–200米附近区域(如图5所示),采用目视解译方法获取的浅海珊瑚礁分布,与野外调查获得的珊瑚礁位置比较,发现8个野外调查点有7个落在了目视解译的范围内,其中一个没有落在范围内的原因是在进行陆地掩膜的时候,错将该像元当成陆地掩膜处理。


图4   西玳瑁岛西侧浅海珊瑚礁空间分布信息提取精度验证图


图5   大、小东海东侧浅海珊瑚礁空间分布信息提取精度验证图
4   数据使用方法和建议
1987–2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区16期浅海珊瑚礁空间分布数据集为shp和tif格式,可利用ArcGIS、ENVI等相关数据处理软件对本数据集进行编辑、查询以及后续分析工作。本数据集可以作为三亚珊瑚礁国家级自然保护区保护和管理珊瑚礁的基础数据集,可以应用于海洋生态环境变化等研究。
致 谢
感谢项目组在开展野外观测过程中得到了海南省相关行业部门和单位的支持和配合,在此一并表示衷心的感谢。感谢张丽研究员、廖静娟研究员在珊瑚礁空间分布信息验证工作中提供的方法建议;在此感谢郭连杰,毕京鹏,宋茜茜,郭云飞等人在影像下载、野外实地考察及技术路线讨论等方面所做的工作和贡献。
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数据引用格式
霍艳辉, 朱岚巍, 张少宇. 1987–2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁分布数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-11-20). DOI: 10.11922/sciencedb.687.
稿件与作者信息
论文引用格式
霍艳辉, 朱岚巍, 张少宇. 1987–2017年三亚珊瑚礁国家级自然保护区浅海珊瑚礁分布数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2018. (2018-12-07). DOI: 10.11922/csdata.2018.0080.zh.
霍艳辉
HUO Yanhui
主要承担工作:Landsat TM/OLI影像数据的采集、预处理,珊瑚礁空间分布信息自动化提取算法研究等。
(1994—),男,河北邢台人,硕士研究生,研究方向为遥感信息分析与环境监测。
朱岚巍
ZHU Lanwei
主要承担工作:本数据集整体生产的技术流程设计和质量控制,及精度验证和实地考察等。
zhulw@radi.ac.cn
(1980—),女,内蒙赤峰人,副研究员,研究方向为遥感应用及微波遥感。
张少宇
ZHANG Shaoyu
主要承担工作:珊瑚礁空间分布数据集的精度验证与评估,珊瑚礁空间分布的实地验证与考察等。
(1994—),男,河南驻马店人,硕士研究生,研究方向为遥感信息提取、遥感应用、自然遗产监测。
出版历史
I区发布时间:2018年12月7日 ( 版本ZH2
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中国科学数据
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