摘要: 珊瑚岛礁的动态变化既能反映其发育演变过程，也能体现珊瑚岛礁生态环境特征变化及其与珊瑚岛礁区社会经济发展和政策体制的博弈关系。对珊瑚岛礁进行高精度监测与长时序动态分析，是进行珊瑚岛礁资源开发和可持续管理的基础。南海珊瑚岛礁中，西沙群... 展开 珊瑚岛礁的动态变化既能反映其发育演变过程，也能体现珊瑚岛礁生态环境特征变化及其与珊瑚岛礁区社会经济发展和政策体制的博弈关系。对珊瑚岛礁进行高精度监测与长时序动态分析，是进行珊瑚岛礁资源开发和可持续管理的基础。南海珊瑚岛礁中，西沙群岛的珊瑚礁生态系统最具代表性，也是开发南海资源和保护南海环境的依托，具有重要的政治、军事和生态价值。本文将西沙群岛的珊瑚岛礁作为一个系统性整体，利用高分辨率光学遥感影像结合现场调查数据，发展珊瑚岛礁周边水深精细化反演算法和珊瑚暗礁高精度检测模型，查清西沙群岛珊瑚岛礁周边水深情况和珊瑚暗礁分布情况，阐明西沙群岛珊瑚礁沙洲和珊瑚岛在自然条件和人为活动影响下的变化情况，最终高效、准确地获取西沙群岛珊瑚岛礁的大范围时空动态信息。主要研究内容与结论如下： 1）西沙群岛珊瑚岛礁周边水深高精度遥感反演：珊瑚岛礁周边水深极不规则，精确的水深数据对于确保船只航行安全至关重要。本文将新一代人工智能技术深度学习中的LSTM（Long-Short Term memory，长短时记忆）神经网络引入到多光谱遥感水深探测，提出了一种适用于珊瑚岛礁周边水深遥感反演的LSTM神经网络模型。在5-25m深海域，LSTM水深反演模型的平均相对误差在7%~9%之间，最小为4.02%，最大为14.62%，不仅能清晰地反映出礁坪、礁前斜坡（向海坡）、点礁等较大的珊瑚礁地貌单元，还能精细地刻画礁坪表面和礁坪外缘沟谷系统等细微的地貌特征；同时，LSTM水深反演模型具有很好的普适性和可扩展性，即使在控制点数量较少时，也显现出了极强的水深反演能力。 2）西沙群岛珊瑚暗礁高分光学遥感检测：珊瑚暗礁与海洋的影像光谱特征极其相似，且珊瑚暗礁区光信号因在海水中的指数衰减而十分微弱，所以珊瑚暗礁精准检测较为困难。本文联合采用深度信念网络DBN和边缘检测算法GVF-Snake，构建了一种珊瑚暗礁高精度光学遥感检测方法，可实现珊瑚暗礁的高精度检测，且DBN联合GVF-Snake的珊瑚暗礁检测结果在暗礁轮廓的刻画上更精细，适当人工修正后可替代以往手工绘制的繁琐过程。综合多期遥感影像检测结果，银砾滩礁体面积约20km2，呈西北-东南向分布；滨湄滩面积约130km2，呈东北-西南向分布；北边廊由三块礁体组成，总面积约5.1km2；湛涵滩面积约6.4km2，大致呈椭圆形分布；珊瑚东暗沙面积较小，仅0.05km2，呈东北-西南向椭圆形分布；永南暗沙面积约2.4km2，基本呈东西向半圆形分布。 3）西沙群岛珊瑚礁沙洲稳定性评估：珊瑚礁沙洲大多无植被生长，易受气候条件和水文动力条件的影响，位置不稳定，形态多变。经评估，研究时段内北沙洲、中沙洲、盘石屿和筐仔北岛相对稳定，质心总位移都不到30m；而西新沙洲、三峙仔、全富岛和银屿仔尚不稳定，质心总位移都超过100m。珊瑚礁沙洲稳定性是沙洲沉积物供应、海洋动力环境条件和珊瑚礁地形地貌综合作用的结果，在相同的季风浪和台风浪作用下，由于各个沙洲在礁坪中所处位置和岸滩沉积物类型等不同，使得各个沙洲经受不同的水动力作用，形成了8个珊瑚礁沙洲各自不同的演变过程和稳定状态。 4）西沙群岛典型珊瑚岛时空变化分析：2012年三沙市成立之后，西沙群岛社区建设和旅游、港口行业大力发展，主要珊瑚岛的开发强度不断加大。本文按社区驻地海岛、领海基点所在海岛和自然保护区所在海岛三类典型珊瑚岛进行分析。社区驻地海岛变化普遍较大，特别是永兴岛、赵述岛、筐仔沙洲和银屿，主要是由吹沙填岛和岛上开发利用活动日益增多造成的；而领海基点所在海岛和自然保护区所在海岛相对较稳定，岛上地形、地貌及植被等基本保持原有的自然状态，变化区域主要分布在各个海岛的端头沙嘴处。海滩岩对海岛起到了极大的保护作用，海滩岩发育较好的海岛基本保持稳定状态，而没有海滩岩发育的海岛或海滩岩被破坏的岸段则变化较大。 本文研究结果可为西沙群岛珊瑚岛礁资源的合理开发利用和珊瑚礁生态系统的保护等提供支撑数据和技术方法，进而为南海和三沙市的海洋及相关部门的海洋管理和国家海洋权益维护提供决策支持服务。 收起