引用本文
陈永强, 陈标, 雷新明, 谢强, 黄晖. 三亚鹿回头海域珊瑚、 团扇藻和砂反射率光谱分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(11): 3483-3488.
CHEN Yong-qiang, CHEN Biao, LEI Xin-ming, XIE Qiang, HUANG Hui. Reflectance Analysis of Coral, Padina Pavonica and Coral Sand at Luhuitou of Sanya Bay [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(11): 3483-3488.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)11-3483-06  
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三亚鹿回头海域珊瑚、 团扇藻和砂反射率光谱分析
陈永强1,2, 陈标3, 雷新明1, 谢强4, 黄晖1,2,*
1. 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室(LMB), 广东 广州 510301
2. 中国科学院海南热带海洋生物重点实验站, 海南 三亚 572000
3. 济宁市第一人民医院医学真菌实验室, 山东 济宁 272111
4. 中国科学院三亚深海科学与工程研究所, 海南 三亚 572000;
*通讯联系人 e-mail: huanghui@scsio.ac.cn

作者简介: 陈永强, 1982年生, 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室助理研究员 e-mail: yqchen@scsio.ac.cn

收稿日期: 2017-11-09
基金: 中国国家留学基金项目(201704910155), 国家自然科学基金青年基金项目(41306144, 41406186), 国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室开放基金项目(201807)资助
摘要

以海南三亚湾鹿回头附近海域常见的8种优势造礁石珊瑚的反射率光谱代表该海域珊瑚的反射率光谱, 用光纤光谱仪测量它们和此海域常见底质团扇藻、 砂的反射率光谱。 利用反射率、 导数光谱法分析研究了该海域造礁石珊瑚、 团扇藻和砂反射率光谱的差异。 分析表明500~ 700 nm和珊瑚反射率差异相对较大; 珊瑚反射率光谱明显低于砂反射率光谱, 反射率谱线整体差异显著。 导数分析结果显示造礁石珊瑚、 团扇藻和砂的可区分波段为: 石珊瑚与团扇藻的一阶导数, 主要为415.1~425.6, 482~487, 514.5~529, 577~587.6和631.9~644 nm等波段。 二阶导数主要为, 413~418.7, 427.4~432.5, 462.3~470.6, 494.4~503.6, 551.6~561.4, 590~594和639~643 nm波段。 四阶导数主要为, 412.2~418.4, 420.5~425.3, 470.9~480.2, 481.3~486.9, 540.8~545.7, 560~568.3和635.6~639.6 nm等波段。 石珊瑚与砂的一阶导数, 主要为400~413.7, 514.5~529.6, 576.9~587.6和602.7~667 nm波段。 二阶导数主要为, 420.5~430.7, 446.9~458.8, 467.3~472.3, 537~544.3, 556.8~561.4, 582.8~587.2和637.6~649.4 nm。 四阶导数主要为, 414.4~418.7, 419.5~430.3, 486.9~495.8, 534.2~540.1, 579~583.1, 622.7~627.5, 640~645和665.4~672.8 nm等波段。

关键词: 三亚湾鹿回头; 珊瑚; 团扇藻; 砂; 反射率光谱
中图分类号:TP79 文献标志码:A
Reflectance Analysis of Coral, Padina Pavonica and Coral Sand at Luhuitou of Sanya Bay
CHEN Yong-qiang1,2, CHEN Biao3, LEI Xin-ming1, XIE Qiang4, HUANG Hui1,2,*
1. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301
2. National Experiment Station of Tropical Marine Biology, Sanya 572000, China
3. The Laboratory of Medical Mycology Jining No.1 People’s Hospital, Ji’ning 272111, China;
4. Sanya Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China
Abstract

Reflectance spectra of eight common scleractinian coral species were chosed to represent the reflectance of corals in the sea area of Luhuitou, Sanya Bay in the north-western South China Sea (SCS). Reflectance spectra of these scleractinian corals, Padina Pavonicaand coral sand were measured using a fiber spectrometer. Then spectral reflectance analysis and derivative spectroscopy were used to study the diference of the reflectance spectrum of reef building scleractinian coral, Padina Pavonica and coral sand in this sea area. The results showed that reflectance difference of Padina Pavonica and scleractinian coral is very significant in 500~700 nm; reflectance of coral sand is significantly higher than that of coral reflectance spectrum with significant differences. Derivative analysis results showed that the distinguishable bands of scleractinian coral, Padina Pavonica and coral sand are as follows: scleractinian coral and Padina Pavonica, first order derivatives are mainly in 415.1~425.6, 482~487, 514.5~529, 577~587.6 and 631.9~644 nm bands. The second order derivatives are mainly in 413~418.7, 427.4~432.5, 462.3~470.6, 494.4~503.6, 551.6~561.4, 590~594 and 639~643 nm bands. The fourth order derivatives are mainly in 412.2~418.4, 420.5~425.3, 470.9~480.2, 481.3~486.9, 540.8~545.7, 560~568.3 and 635.6~639.6 nm bands. First order derivatives of scleractinian coral and coral sand are mainly in 400~413.7, 514.5~529.6, 576.9~587.6 and 602.7~667 nm bands. The second order derivatives are mainly in 420.5~430.7, 446.9~458.8, 467.3~472.3, 537~544.3, 556.8~561.4, 582.8~587.2 and 637.6~649.4 nm. The fourth order derivatives are mainly in 414.4~418.7, 419.5~430.3, 486.9~495.8, 534.2~540.1, 579~583.1, 622.7~627.5, 640~645 and 665.4~672.8 nm bands.

Keyword: Lu Huitou Sanya Bay; Coral; Padina Pavonica; Coral sand; Reflectance Spectrum
引 言

珊瑚礁生态系统为地球上最重要的生态系统之一, 其生物多样性可以媲美“ 热带雨林” [1, 2, 3]。 不同珊瑚含有的虫黄藻有所不同, 导致所含色素不同, 色素差异引起反射率光谱差异[4, 5, 6]。 分析和研究珊瑚礁底质反射率, 可以利用光谱识别珊瑚礁底质, 为珊瑚礁遥感打下基础[7, 10]。 我国南海分布着大量珊瑚礁, 是世界珊瑚礁的重要组成部分。 虽然, 我国珊瑚反射率研究已经展开, 然而只是对部分区域和部分品种做过相关研究, 因而亟待扩大其研究范围[10, 11]。 利用光纤光谱仪测量了三亚湾鹿回头海域八种常见珊瑚反射率光谱, 以此八种珊瑚平均值为, 三亚湾鹿回头海域珊瑚代表与该海域常见的团扇藻和砂反射率光谱进行比较分析, 标出健康珊瑚、 团扇藻和砂反射率光谱之间的区别, 列出识别珊瑚和其不同底质的敏感波段。 对三种底质反射率光谱进行一阶导数、 二阶导数和四阶导数分析, 确定健康珊瑚与团扇藻和砂的可区分波段。

1 实验部分
1.1 样品采集

2014年4月15— 16日上午, 于海南三亚鹿回头附近海域(图1), 采集该海域优势种健康珊瑚(枝状造礁石珊瑚(疣状杯形珊瑚Pocillopora verrucosa、 风信子鹿角珊瑚Acropora hyacinthus、 鹿角杯形珊瑚Pocillopora damicornis和多孔鹿角珊瑚Acropora millepora)、 块状造礁石珊瑚(澄黄滨珊瑚Porites lutea、 十字牡丹珊瑚Pavona decussata、 和秘密角蜂巢珊瑚Favites abdita)和片状造礁石珊瑚(盾形陀螺珊瑚Turbinaria Scleractinia))、 团扇藻Padina Pavonica和造礁石珊瑚细砂(coralrubble)样品。 珊瑚样品大小在6 cm左右。 健康珊瑚、 团扇藻暂养于岸基实验室珊瑚养殖缸。 缸内养殖条件充分模拟野外环境, 对其持续更换经过简单过滤的海水, 水温控制在26 ℃, 光线为实时太阳光。

图1 采样海域地图(红色五星代表采样区域)Fig.1 The map of sampling sea area (marked by red star)

1.2 反射率光谱数据采集

珊瑚样品于恒温养殖缸暂养≥ 4小时生理状态基本稳定后, 分别作反射率光谱测量[8, 9, 10]。 光谱采集条件为无云遮挡的晴朗天气[9, 10]。 使用美国海洋光学光谱仪(USB2000+), 波段范围200~850 nm, 分辨率1.34 nm, 步长0.6 nm, 视场角25° 。 测量时, 样品放于养殖缸内的平台上, 缓缓注入简单过滤过的~26 ℃海水, 此举保证养殖缸内水温恒定; 多余海水从养殖缸缸壁上缘缓缓溢出, 保证养殖缸内水面无扰动波纹, 排除光线被扰动的水表面折射进入到水体后发生的“ 汇聚现象” 给反射率光谱测量带来的诸多问题。 该养殖缸用黑色的尼龙布作为四壁和底壁贴壁, 以避免缸壁反射光影响实验结果[9, 10]。 探头与样品间的距离设定为5 cm, 尽量减少光谱仪探头与样品间海水吸收和散射对测量的影响。 重复测量10次取平均值。 光源采用太阳光, 为了减少时间变化对光强度的影响, 每次测量前校正光谱仪[8, 9], 并尽可能地缩短每次测量所用的时间。 本实验获得每种健康珊瑚、 团扇藻和珊瑚砂反射率光谱各50组。 所有珊瑚样品的反射率光谱取平均用以代表该海域健康珊瑚的反射率光谱。

1.3 数据处理

由于400~700 nm的可见光具有较好的穿透水体能力, 特别是475~495 nm蓝光能够深入水下达40多米, 能够较好用于水下珊瑚礁遥感。 因此, 选用400~700 nm可见光波段样品的反射率光谱进行分析。 通过求平均值的方式确定不同珊瑚礁底质反射率光谱特征。 导数分析反射率光谱能放大光谱间的差异[10, 11], 不仅能从混合的反射率光谱中分离出被覆盖住的弱的波峰, 还能保持多元组分光谱线性叠加性特征。 四阶导数光谱法在提高检测灵敏度, 改善分辨率和加强抗干扰等方面具有独特的优点[10, 11]。 利用统计软件Origin10分别进行反射率光谱数据一阶导数、 二阶导数和四阶导数分析, 根据反射率光谱导数之间的差异确定健康珊瑚、 团扇藻和砂光谱的敏感波段。

2 结果与讨论
2.1 反射率光谱

如图2所示为健康珊瑚和团扇藻反射率光谱谱线对比, 珊瑚反射率光谱在400~700 nm范围内谱线较为平坦, 其值介于5%~15%之间。 518, 577.6, 605.4和652 nm处为波峰; 605.4 nm处为主峰, 577.6和652 nm处为两肩; 669 nm处为明显的波谷。 团扇藻反射率光谱在400~500 nm之间略高于珊瑚, 500~700 nm之间团扇藻与珊瑚反射率光谱差异较大, 其值明显高于与珊瑚反射率光谱; 于561.4 nm处出现波峰, 其反射率高达48%左右, 669~700 nm之间反射率光谱急剧攀升至80%左右, 其余几处波峰相对不太明显。 此外; 672.8 nm处存在与珊瑚(669 nm)差异明显的波谷(图2)。

图2 珊瑚和团扇藻反射率光谱Fig.2 Reflectance spectra of coral and Padina Pavonica

图3所示为健康珊瑚和砂反射率光谱谱线之间的对比, 二者差异非常明显, 砂光谱反射率始终明显高于珊瑚光谱反射率, 不存在谱线交叉。 砂反射率光谱由400 nm处的23.5%左右相对单调地升高至700 nm处的56.6%左右; 除了656 nm处存在一个不太明显的波峰外, 可见光范围内再无其他波峰; 669.4 nm处存在一个不太显著的波谷, 与珊瑚的波谷基本对应。

图3 珊瑚和砂反射率光谱Fig.3 Reflectance spectrum of coral and coral sand

图4所示为珊瑚、 团扇藻和砂反射率光谱谱线, 三者差异非常明显, 珊瑚反射率光谱整体相对较低, 起伏相对平缓; 团扇藻反射率光谱部分波段相对较低, 起伏较大, 存在明显的波峰和波谷; 砂反射率光谱为一单调上升斜线, 波峰和波谷均不明显。 砂光谱反射率始终高于珊瑚光谱反射率。 团扇藻反射率光谱部分波段高于珊瑚反射率光谱, 如图4所示。 团扇藻反射率起伏剧烈, 由400 nm处的7%震荡升高至700 nm处的80%左右; 砂反射率相对非常单调处于23.5%~56.5%之间。

图4 珊瑚、 团扇藻和砂反射率光谱Fig.4 Reflectance spectra of coral, Padina Pavonica and coral sand

2.3 反射率光谱导数分析

珊瑚和团扇藻反射率光谱的一阶导数显示, 可见光范围内存在7个信号相反的波段, 即在400.6~404.6, 415.1~425.6, 432.8~435, 438.6~440, 482~487, 505.7~509.6, 514.5~529, 577~587.6, 598.6~602.7, 631.9~644和665~667 nm波段范围内, 珊瑚与团扇藻反射率光谱导数信号相反, 因此能够将珊瑚和团扇藻很好地区分开; 其中以415.1~425.6, 482~487, 514.5~529, 577~587.6和631.9~644 nm波段间隔较宽易于分辨。 其他波段, 一阶导数值符号相同, 不能用以识别珊瑚和团扇藻(图5)。

图5 珊瑚和团扇藻反射率光谱一阶导数Fig.5 First-order deviative spectra of coral and Padina Pavonica

珊瑚和砂反射率光谱的一阶导数显示, 可见光范围内存在7个信号相反的波段, 即在400~413.7, 414~418, 484.8~486.9, 506~510, 514.5~529.6, 576.9~587.6和602.7~667 nm波段范围内, 珊瑚与砂反射率光谱导数信号相反, 能够将珊瑚和砂很好地区分开; 其中较宽波段为400~413.7, 514.5~529.6, 576.9~587.6和602.7~667 nm。 其他的波段, 珊瑚和砂一阶导数值符号相同, 不能识别区分(图6)。

图6 珊瑚和砂反射率光谱一阶导数Fig.6 First-order deviative spectra of coral and coral sand

反射率光谱二阶导数分析结果表明: (400~700 nm)范围内可见光区域珊瑚与团扇藻反射率光谱二阶导数主要可区分波段为: 413~418.7, 421.6 ~ 423.4, 427.4~432.5, 434.7~437, 438.6~441.9, 442.9~446.9, 449~451.6, 459~461.6, 462.3~470.6, 475.6~479.8, 480.8~484.5, 494.4~503.6, 515.9~518.8, 534.5~536.3, 551.6~561.4, 565.9~567.9, 590~594, 606.4~608, 634.2~636.6, 639~643, 653.7~655和682.7~684.4 nm等, 在这些波段内珊瑚与团扇藻反射率光谱信号相反, 能够很好地区分珊瑚与团扇藻; 其中以413~418.7, 427.4~432.5, 462.3~470.6, 494.4~503.6, 551.6~561.4, 590~594和639~643 nm波段较宽。 其他波段范围内, 珊瑚与团扇藻反射率光谱二阶导数值符号相同, 难以区分(图7)。

图7 珊瑚和团扇藻反射率光谱二阶导数Fig.7 Second-order deviative spectra of coral and Padina Pavonica

珊瑚与砂反射率光谱二阶导数分析显示, 可见光范围内珊瑚与砂反射率光谱二阶导数可区分波段主要是: 402.4~405.7, 414~417.3, 418.4~419.8, 420.5~430.7, 436~438.6, 441.1~442.9, 446.9~458.8, 467.3~472.3, 489~493, 497.2~501.1, 504~505.7, 508.2~510.7, 512.4~514.9, 515.9~517.3, 534.5~536.3, 537~544.3, 551.3~554.8, 556.8~561.4, 565.2~568.6, 582.8~587.2, 588.3~591.7, 598.9~602.7, 604~606.7, 608.5~611.2, 617.6~619.3, 621.4~623, 627.1~631.2, 637.6~649.4, 653.4~655, 656~659, 665.1~669.4, 673~676, 680~684.4和688~690 nm等波段, 珊瑚与砂反射率光谱信号相反, 能够很好地区分珊瑚和砂; 其中较宽波段为420.5~430.7, 446.9~458.8, 467.3~472.3, 537~544.3, 556.8~561.4, 582.8~587.2和637.6~649.4 nm等几个。 其他波段范围内, 珊瑚与砂反射率光谱二阶导数符号相同, 难以进行区分(图8)。

图8 珊瑚和砂反射率二阶导数Fig.8 Second-order deviative spectra of coral and coral sand

珊瑚与团扇藻反射率光谱四阶导数结果表明, 在412.2~418.4, 420.5~425.3, 427.4~430.3, 430.4~433.9, 434.3~437.5, 439~442.6, 443.3~445.8, 449.4~451.2, 459.1~463.4, 465.2~467.7, 470.9~480.2, 481.3~486.9, 488~489.4, 491.9~495.8, 499~502.5, 530.3~532.8, 533.8~536.6, 540.8~545.7, 552.7~555.1, 560~568.3, 584.8~587.6, 595.8~599.6, 610.5~612.9, 635.6~639.6, 644.7~648.4, 671.4~674.8和678.4~681.7 nm等波段范围内, 珊瑚与团扇藻反射率光谱四阶导数信号相反, 能够很好地区分珊瑚与团扇藻; 其中以412.2~418.4, 420.5~425.3, 470.9~480.2, 481.3~486.9, 540.8~545.7, 560~568.3和635.6~639.6 nm等波段较宽。 其他波段, 珊瑚与团扇藻反射率光谱四阶导数值符号相同, 不能进行区分(图9)。

图9 珊瑚和团扇藻反射率光谱四阶导数Fig.9 Fourth-order derivative spectra of coral and Padina Pavonica

四阶导数分析结果表明, 在401.3~404.9, 414.4~418.7, 419.5~430.3, 431.8~434.3, 436.5~439, 441.9~443.3, 447.6~451.6, 451.9~454.8, 455.2~458.8, 486.9~495.8, 497.2~501.5, 504~506.4, 508.2~511.4, 512~514.2, 530~532, 534.2~540.1, 555.8~559.6, 561.4~564.1, 565.2~567.9, 569.7~572, 579~583.1, 587.6~591.4, 595.1~598.9, 599.6~602.7, 603.3~606.4, 616.3~619.3, 622.7~627.5, 537.3~639.3, 640~645, 653~656, 657.8~660.8, 665.4~672.8, 676.1~679.7和684.4~686.4 nm等波段范围内, 珊瑚与砂反射率光谱四阶导数信号相反, 能够很好地区分珊瑚与砂; 其中以414.4~418.7, 419.5~430.3, 486.9~495.8, 534.2~540.1, 579~583.1, 622.7~627.5, 640~645和665.4~672.8 nm等波段较宽。 其他波段, 珊瑚与砂反射率光谱四阶导数值符号相同, 难以进行区分(图10)。

图10 珊瑚和砂反射率光谱四阶导她Fig.10 Fourth-order derivative spectra of coral and coral sand

3 结 论

珊瑚反射率光谱在518, 577.6, 605.4和652 nm处为波峰; 其特征为605.4 nm处为主峰, 577.6和652 nm处为两肩; 669 nm处为明显的波谷。 团扇藻反射率光谱在561.4 nm处出现高达48%的特征波峰; 此后, 669~700 nm之间反射率光谱急剧攀升至80%左右; 此外672.8 nm处存在与珊瑚669 nm差异明显的波谷。 砂反射率光谱由400 nm处的23.5%左右接近直线地升高至700 nm处的56.6%左右; 656 nm处存在一个不太明显的波峰; 669.4 nm处存在一个不太显著的波谷。 400~500 nm之间团扇藻反射率光谱略高于珊瑚, 500~700 nm之间团扇藻反射率明显高于珊瑚反射率。 砂反射率光谱整体明显高于珊瑚, 且其波峰波谷相对较不明显。

珊瑚与团扇藻反射率光谱一阶导数主要可区分波段为: 404~425, 456~466, 513~532, 563~568和661~667 nm波段。

珊瑚与团扇藻反射率光谱二阶导数主要可区分波段为: 408~420, 542~556, 563~573, 615~634和685~693 nm等波段。

珊瑚与团扇藻反射率光谱四阶导数主要可区分波段为402~418, 466~472, 478~481, 617~622和685~690 nm波段。

珊瑚与砂反射率光谱一阶导数主要可区分波段为: 400~413.7, 414~418, 484.8~486.9, 506~509.6, 514.5~528.9, 576.9~587.6和602.7~653.4 nm波段。

珊瑚与砂反射率光谱二阶导数主要可区分波段为419.8~428.9, 451.6~461.6, 470.9~479.8, 529.3~536.6, 564.5~570.7, 657.8~661.4和677~685 nm等波段。

珊瑚与砂反射率光谱四阶导数主要可区分波段为412.6~425.3, 459.8~467, 467.7~470.6, 535.6~540.8, 583.8~591.4, 654.4~659.8和670.8~680 nm波段。

The authors have declared that no competing interests exist.

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