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

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

Distributional data of shallow sea coral reef in Sanya Coral Reef National Nature Reserve from 1987 to 2017

霍艳辉，朱岚巍，张少宇

HUO Yanhui, ZHU Lanwei, ZHANG Shaoyu

DOI: 10.11922/csdata.2018.0080.zh
PID: 21.86101/csdata.2018.0080.zh
: 10.11922/sciencedb.687

： 2018 - 11 - 20

： 2018 - 12 - 07

533 3 0

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

Title	Distributional data of shallow sea coral Reef in Sanya Coral Reef National Nature Reserve from 1987 to 2017
Data corresponding author	Zhu Lanwei(zhulw@radi.ac.cn)
Data author(s)	Huo Yanhui, Zhu Lanwei, Zhang Shaoyu
Time range	1987-2017
Geographical scope	Thisdata 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 resolution	30 m
Data volume	10.73 MB
Data format	.shp, .tif
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/687>
Sources of funding	Major Science and Technology Program of Hainan Province under Grant No. ZDKJ2016021
Dataset composition	This 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
1	1987-02-05	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_19870205_20170320_01_T1
2	1989-03-14	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_19890314_20170204_01_T1
3	1991-11-15	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_19911115_20170125_01_T1
4	1993-01-04	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_19930104_20170121_01_T1
5	1995-01-10	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_19950110_20170110_01_T1
6	1997-10-30	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_19971030_20161229_01_T1
7	1999-12-23	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_19991223_20161215_01_T1
8	2001-11-26	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_20011126_20161210_01_T1
9	2003-02-01	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_20030201_20161206_01_T1
10	2005-07-16	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_20050716_20161125_01_T1
11	2007-01-27	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_20070127_20161117_01_T1
12	2009-10-31	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_20091031_20161018_01_T1
13	2011-02-07	Landsat 5	TM	LT05_L1TP_124047_20110207_20161010_01_T1
14	2013-10-26	Landsat 8	OLI	LC08_L1TP_124047_20131026_20170429_01_T1
15	2015-10-16	Landsat 8	OLI	LC08_L1TP_124047_20151016_20170403_01_T1
16	2017-05-30	Landsat 8	OLI	LC08_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	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。
颜色	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	109.3642222	18.23752778	2018-01-15
2	西玳瑁岛西侧	109.3636667	18.23566667	2018-01-15
3	西玳瑁岛西侧	109.3631667	18.23333333	2018-01-15
4	西玳瑁岛西侧	109.3623611	18.23119444	2018-01-15
5	西玳瑁岛西侧	109.36125	18.22622222	2018-01-15
6	西玳瑁岛西侧	109.3663333	18.24525	2018-01-15
7	大、小东海西侧	109.5112778	18.21688889	2018-01-16
8	大、小东海西侧	109.50775	18.21055556	2018-01-16
9	大、小东海西侧	109.5015556	18.20819444	2018-01-16
10	大、小东海西侧	109.4972778	18.20363889	2018-01-16
11	大、小东海西侧	109.4938611	18.19797222	2018-01-16
12	大、小东海西侧	109.5011111	18.20947222	2018-01-16
13	大、小东海西侧	109.5099167	18.21308333	2018-01-16
14	大、小东海西侧	109.5113333	18.22013889	2018-01-16

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。