基于Landsat 8 卫星数据的南沙礁群分布研究

蒋昌波，马远，隆院男，袁帅，康远泰，尹令实，闫世雄

（1.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114；2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）

南沙群岛海域辽阔，海床地形崎岖多变，槽谷系统交错，海山挺拔屹立，岛屿与珊瑚礁广泛分布。海岛、礁石等在《联合国海洋法公约》中地位较特殊，涉及领土、领海、毗连区及专属经济区相关权利，因此对南沙礁体密度分布进行研究具有重要意义（陈史坚，1982）。

19 世纪以来，诸多学者对珊瑚礁的关注度不断攀升，中国在1980 年对南沙群岛自然地理特征、珊瑚礁地貌、地质情况等多方面进行了详细研究，分析了南沙群岛的自然价值、航运价值和军事价值（索安宁等，2010；赵焕庭等，2014）。关于岛礁空间形态特征的研究，国外学者已经做了大量的工作（Kordi et al，2016），有学者利用分形理论为岛礁空间形态的研究建立新的数学语言和定量描述方法，利用生态学的空间格局指数对群岛空间格局进行量化，同时结合岛礁控制范围的复杂现状提出综合可达性指数，有助于定量分析岛礁控制态势（石伟 等，2014a；Dong et al，2019）。珊瑚岛沉积物的主要组成成分是反映珊瑚岛成因和特征的重要标志，也是划分珊瑚岛的最主要依据（Stoddart et al，1977；Hopley et al，2007）。不同类型的珊瑚礁体因地貌特征的不同在应对环境变化时会表现出明显的 差 异 性（Woodroffe，2008； Hamylton et al，2015），珊瑚岛的形状受珊瑚礁本身形状及礁周围波浪作用的叠加影响，通常狭长形的珊瑚岛比偏圆形的珊瑚岛更易受环境变化影响，稳定性稍差（Tomascik et al，1997）。有学者在南沙珊瑚礁工程地质特性研究中，发现干出环礁适合工程建设（石伟等，2014b）。在既往的研究中，由于岛礁岸线复杂，预测时效过短等诸多问题（白杨等，2020；朱国强等，2015），难以采用传统方法观测获取数据，利用卫星对南沙岛礁地质和光谱特征进行调查是补充数据的有效方法，已有学者针对中等分辨率卫星图像获取珊瑚礁信息的适用性进行了验证（Hedley et al，2018；Gapper et al，2018）。21 世纪之后，航空摄影使学者们能够低空观察珊瑚礁，利用拖曳式摄影平台获取影像，根据影像单元的丰富度分布和群落结构，解析潮下礁群的分布，便于对珊瑚礁空间特征进行详细分析，还有学者利用航片与卫星影像相互匹配，比对台风过后岛屿地貌的动态调整过程（Ford et al，2014；Duan et al，2016；Beisiegel et al，2018）。

在南沙岛礁的问题上，以往研究主要侧重岛礁带来的经济价值与战略意义，忽视了礁群密度分布与形态变化，使岛礁密度分布特征至今没有得到详尽的研究。本文使用核密度分析理论，为研究岛礁空间形态分布建立新的数字信息和定量描述法，解析礁群分布规律。该方法有望对南沙岛礁格局进行深入剖析，为南沙岛礁的开发和综合治理提供科学依据和定量指标。

1 研究区域概况

南沙群岛位于中国南部（108毅58忆E—118毅45忆E，3毅26忆N—12毅12忆N）海域，海域面积约8.8伊105km2，岛礁分布区域水深变化剧烈，大部分海域水深在1 000 m 以上。研究区域位于自南向北逐级下降的三级阶梯状大陆坡上，海底地形复杂，既有多级平坦的陆坡台阶，又有雄伟壮观的海底高原，海山顶部发育的无规则礁滩，形成了南沙群岛。

2 数据与方法

2.1 数据来源

南沙岛礁部分礁体面积小，从低分辨率影像中识别礁体较困难。因此，采用美国航空航天局（NASA） Landsat 8 卫星数据解译空间特征，从美国地质调查网站（www.usgs.gov）中获取2018 年3月至2018 年9 月期间（表1）14 幅覆盖南沙且云量较少的L1Gt 影像。数据含9 个波段，可准确反演水、植物、土壤和礁石等不同表面的特征波段，其中波段1～7、9 的空间分辨率为30 m，波段8 为15 m。其他辅助数据包括中国地名委员会1983 年4 月受权公布的《我国南海诸岛部分标准地名》及自然资源部2020 年4 月公布的我国南海部分岛礁和海底地理实体标准名称等。

表1 遥感影像列表

2.2 数据处理

使用ENVI 5.1 对遥感数据进行预处理，所用L1Gt 数据已经过几何校正，仅需对图像做去云、辐射定标、大气校正及图像增强处理，使用定标工具（Radiometric Calibration）对数据辐射定标时利用定标系数Gain 和Bias 进行计算，公式如下：

式中，L 为传感器模拟信号；Lmax为最大辐射亮度；Lmin为最小辐射亮度；DN 为像元亮度值，取值范围为0～255；Gain 为增益，Bias 为偏置，ENVI 默认参数定标单位为W·m-2·sr-1·滋m-1。使用QUAC 快速大气校正工具进行校正，精度近似辐射传输模型依15%，然后用线性对比度拉伸对图像进行增强，改进影像视觉效果后用监督分类法识别礁体，并对开放度相对较高的潟湖及难以分辨的浅滩和暗礁进行适度调整。

2.3 计算方法

为了量化南沙岛礁核密度及礁体特征量的空间格局，本研究根据岛礁属性的重要程度赋予其权重，采用瞬时现状的礁体面积（含水上和水下的礁体面积）作为密度核参数，映射岛礁空间核密度，并根据特征量的分布解析礁群现状。各参数计算采用ArcGIS 10.6 完成。

2.3.1 核密度

式中，Rc为岛礁紧凑度。Rc值越接近1，整体形状越趋近圆形，为最紧凑形状，Rc值越小，礁体形状越不紧凑，当趋近于0 时，则礁体形状接近一条直线，最不紧凑；P 为岛礁周长；S 为岛礁区域面积（邹亚荣等，2012）。

2.3.3 形状指数

式中，LSI 为岛礁形状指数，反映岛礁形状复杂度，LSI 越接近1，整体形状越简单，反之越复杂。P为岛礁周长，S 为岛礁区域面积，取值范围：LSI 逸0，当岛礁为正方形时，LSI=1；当岛礁形状不规则或偏离正方形时，LSI 值增大（毕晓丽等，2005；索安宁等，2010）。

3 结果与分析

3.1 岛礁空间分布特征

3.1.1 礁体面积频次特征

根据遥感影像解译结果（图1），识别出礁体316 个，其中面积在1～5 km2的礁体133 个，占南沙礁体总数的42.09%，分布于九章群礁、郑和群礁、大渊滩、康西暗沙及金盾暗沙区域，礁体多为圆形、椭圆形及马蹄形3 类。面积< 1 km2的礁体有87 个，占南沙礁体总数的27.54%，散落在环礁临海，仅石盘仔、安波沙洲距环礁群较远。面积> 5 km2的礁体有96 个，占南沙礁体总数的30.38%，此类岛礁相隔较远，发育完整。

图1 礁体面积位置分布图

南沙礁体面积频次呈单峰状（图2），面积在1～5 km2的礁体数最多，占总数的42.09%；面积在30～40 km2的礁体数最少，占总数的1.58%。面积小于1 km2的礁体数随面积增大而增多，面积在1～5 km2的礁体较面积在0.5～1 km2礁体数量增幅最大为25.95%。面积大于5 km2礁体数随面积增长开始下降，面积在5～10 km2礁体数较面积1～5 km2礁体数下降幅度最大为31.65%，当礁体面积>40 km2时，礁体数出现微增长。出现以上结果可能是由于面积较小礁体需长时间发育至峰值面积（1～5 km2）才能形成较稳定生态，若要进一步向更大面积礁体发育，可能需外在环境刺激或影响。

图2 礁体面积频次分布

3.1.2 礁体面积密度特征

使用面积参数作为核密度属性值，量化礁体面积密度分布特征，结果表明礁体面积密度特征多为外扩散类圆。

面积< 1 km2的礁体高密度区2 处（图3a），位于九章群岛、北康暗沙海域；次级密度区3 处，接近礼乐滩、常骏暗沙、安渡礁。由众多珊瑚礁组成的九章群礁及郑和群礁沿东北向西南方向延伸，是形成高密度区的主要因素。

面积为1～5 km2的礁体高密度区2 处（图3b），位于华礁、大渊滩，西部高密度区有中业群礁、郑和群礁，密度值由北向南逐渐变大，东部高密度区沿礼乐滩西部环状发育；次级密度区3 处，接近常骏暗沙、仔礁及康西暗沙。在密度分布图中可以明显看出，该范围的主要密集点处于环礁较密集的区域（114毅0忆0义E—117毅0忆0义E，9毅0忆0义N—11毅0忆0义N）。可能是由于该面积范围礁体数最多，且多为环礁的组成部分。

面积> 5 km2的礁体高密度区3 处（图3c），位于费信岛、礼乐滩、榆亚暗沙海域，西南高密度区成斜型“一”字排列，紧连的次级密度区在安渡滩，东北2 处高密度区相互连接，中间海域向北沿礼乐滩西部与大渊滩东部水道方向延展，面积密度值逐渐减小。次级密度区较多，散落在双子群岛、六门礁、仙宾礁。

图3 礁体面积密度分布

3.2 礁体特征量空间变化

3.2.2 礁体数量变化

在纬度方向上，南沙全境散落不同面积的礁体，广泛分布在马来西亚西北大陆架，有显著地貌多样性。由于潮差影响，很难准确检测其特征，本文沿纬度（4毅0忆0义N—12毅0忆0义N） 以每2毅为间隔，分段统计遥感影像可见的斑块礁。 （10毅0忆0义N—12毅0忆0义N） 内礁体数最多，占总数的48.42%，（4毅0忆0义N—6毅0忆0义N） 内礁体数最少，占总数的13.92%。从整体看，随纬度升高，面积<1 km2的礁体数逐级减少，面积在1～5 km2和面积> 5 km2的礁体数逐级增多，且在（8毅0忆0义N—10毅0忆0义N）之后增幅较大（图4）。

图4 岛礁数目随纬度变化情况

在经度方向上，沿经度（111毅0忆0义E—119毅0忆0义E）以每2毅为间隔进行分段统计（图5），礁体数从23.73%增长至最高的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环礁群坐落在（113毅0忆0义E—115毅0忆0义E）区域，该范围礁体最多。水平经度方向，不同面积礁体的分布结构没有明显趋势变化，（111毅0忆0义E—117毅0忆0义E）范围的各个区间内面积>5 km2的礁体数均大于其他两组，面积<1km2的礁体数均为最少，仅在（117毅0忆0义E—119毅0忆0义E）范围内礁体面积结构发生改变，面积<1 km2与1～5 km2的礁体数多于面积>5 km2的礁体数，此时面积>5km2的礁体占比最少（图5）。

图5 岛礁数目随经度变化情况

3.2.3 礁体形状特征

本文使用形状指数与紧凑度度量礁体轮廓，礁体的紧凑度RC 介于0.31～0.97、形状指数LSI 介于0.90～2.87。将其按面积<1 km2、1～5 km2、> 5 km2范围分组，计算每组平均形态指数与平均紧凑度。结果表明，平均形状指数随面积增大而增大，平均紧凑度随面积增大而减小（图6）。可能是由于面积较小的礁体多为依托环礁礁盘的小礁，易受外界环境影响而改变自身形状，使其形状越发规则，紧凑度较高。由此推测礁体趋向适应性发展而非规则生长，从而演变为南沙区域礁体的不规则现状。

图6 不同面积礁体的特征量变化

除此之外，还发现沿纬度由南向北，平均紧凑度先增长后趋向平稳，最大值为0.81，而平均形状指数先减小后趋于平稳，最小值为1.14（图7a）；沿经度由西向东，平均紧凑度从0.73 增大至0.83，平均形状指数从1.32 减小至1.12，两者均呈负相关（图7b）。纬度方向上的礁体在低纬度时平均形状指数最大，平均紧凑度最小，礁体形态以狭长形为主，紧凑性不强，之后随空间纬度的升高，平均形状指数趋近于1，平均紧凑度约0.8，表明随纬度的增高，南沙海表面温度逐渐适合礁体发育，使其稳定发育，紧凑性增强。水平经度方向上的礁体平均形状变化显著，平均形状指数趋于1，平均紧凑度逐渐增大，礁体趋于紧凑，整体形状由狭长状变为粗扁形，由于南沙群岛整体由西南向东北延展，水平经度方向由西向东迁移时礁体所在纬度相应攀升，使海洋环境更适合礁体演变。

图7 经纬方向上特征量的变化

4 结论与讨论

本研究使用中等分辨率Landsat 8 卫星图像对南沙珊瑚礁现状进行调查，并绘制南沙岛礁核密度现状图，研究结果为更好地认识南沙岛礁密度现状，提供了新的数据和理论。

（1） Landsat 8 卫星遥感数据可较准确地对礁群特征进行详细调查，发现礁体面积频次呈单峰状分布，礁体面积主要集中于1～5 km2范围，在30～40 km2范围的礁体数最少。

（2）不同面积的礁体高密度区域各不相同，面积较小的礁体依托环礁发育，主要分布在环礁密集区；中间面积的礁体多为环礁主要组成部分，主要集中在南沙北部；面积较大的礁体主要聚集在海洋环境较适合的高纬度区。

（3）纬度方向，不同面积礁体的分布结构变化明显，随纬度的增高，面积较小的礁体占比逐渐减少，面积较大的礁体占比快速增多，各区间礁体数逐渐增多，其中有超过48%的礁体在（10毅0忆0义N—12毅0忆0义N）范围内；经度方向，不同面积礁体的分布结构没有明显趋势变化，仅在（117毅0忆0义E—119毅0忆0义E）范围内礁体面积结构发生改变，面积<1 km2与1～5 km2的礁体数多于面积>5 km2的礁体数。

（4）经纬度方向上的礁体特征量变化明显，且随礁体面积的增大，礁体平均形状指数逐渐增大，平均紧凑度逐渐减小，礁体形状由规则向不规则演变。

本文仅考虑了礁体地理信息参数，未考虑自然条件及人为干涉等多方面的影响，还需加入更多影响因子进一步优化。其中季风、海洋酸化、海表面温度等环境因素对礁体演变及预测有着重要影响，由于礁体地貌各异且随潮汐动态变化，本研究仅参考瞬时地貌而忽略动态潮汐的影响，如何量化这些变量，将是下一阶段研究的方向。