2014年4月15日— 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造礁石珊瑚(枝状(风信子鹿角珊瑚Acropora hyacinthus、 疣状杯形珊瑚Pocilloporaverrucosa、 多孔鹿角珊瑚Acropora millepora和鹿角杯形珊瑚Pocilloporadamicornis)、 块状(十字牡丹珊瑚Pavona decussata、 澄黄滨珊瑚Porites lutea、 和秘密角蜂巢珊瑚Favitesabdita)和片状(盾形陀螺珊瑚TurbinariaScleractinia))、 石莼Ulva和珊瑚碎石(coralrubble)样品。 珊瑚样品大小在6 cm左右, 健康造礁石珊瑚、 石莼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

Fig.1

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

待造礁石珊瑚样品于恒温养殖缸暂养≥ 4 h生理状态基本稳定后, 测量其反射率光谱^{[6, 7, 8]}。 采集条件为无云遮挡的晴朗天气^{[7, 8]}; 使用美国海洋光学光谱仪(USB2000+), 其波段范围200~850 nm, 分辨率1.34 nm, 步长0.6 nm, 视场角25° 。 测量光谱时, 样品放于养殖缸内的平台上, 简单过滤过的恒温~26 ℃海水持续缓缓注入, 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, 排除光线经过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; 养殖缸用黑色的尼龙布贴在四壁和底壁, 避免缸壁反射光影响实验结果^[7]。 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值的影响。 每个样品测量重复10次取平均值。 光源采用太阳光, 为了减少测量时间变化对光强度的影响, 每次测量前校正光谱仪^{[6, 7]}, 在保证所测数据质量的前提下, 尽可能地缩短每次测量所用的时间。 本实验获得每种健康造礁石珊瑚、 石莼和珊瑚碎石反射率光谱各50组, 其中所有造礁石珊瑚样品的反射率光谱取平均用以代表该海域健康造礁石珊瑚的反射率光谱。

由于电磁波谱中400~700 nm的可见光波段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可见光波段的反射率光谱进行分析。 通过求平均值的方式确定不同造礁石珊瑚礁底质反射率光谱特征。 通过反射率光谱求导数, 不仅能放大光谱间的差异^[8], 从混合的反射率光谱中分离出被覆盖住的弱的波峰, 同时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力等方面具有独特的优点^[8]。 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、 石莼和碎石光谱的敏感波段。

图2所示为健康造礁石珊瑚和石莼反射率光谱谱线对比, 造礁石珊瑚反射率光谱在(400~700 nm)范围内反射率光谱谱线较为平坦, 其值介于5%~15%之间。 518, 577.6, 605.4和652 nm处为波峰; 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。 石莼反射率光谱在400~500 nm之间略高于造礁石珊瑚, 500~700 nm之间石莼与造礁石珊瑚反射率光谱差异较大, 其值明显高于与造礁石珊瑚反射率光谱; 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处存在与造礁石珊瑚(669 nm)差异明显的波谷(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 珊瑚和石莼反射率光谱Fig.2 Reflectance spectra of scleractinian coral and ulva

图3所示为健康造礁石珊瑚和碎石反射率光谱谱线之间的对比, 二者差异非常明显, 碎石光谱反射率始终明显高于造礁石珊瑚光谱反射率, 不存在谱线交叉。 碎石反射率光谱由400 nm处的23.5%左右单调地升高至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; 669.4nm处存在一个不太显著的波谷, 与造礁石珊瑚的波谷基本对应。

图3

Fig.3

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	图3 造礁石珊瑚和碎石反射率光谱Fig.3 Reflectance spectra of scleractinian coral and coral rubble

图4所示为造礁石珊瑚、 石莼和碎石反射率光谱谱线之间的对比, 三者差异非常明显, 造礁石珊瑚反射率光谱整体相对较低, 起伏相对平缓; 石莼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; 碎石反射率光谱相对简单, 为一单调上升斜线, 波峰和波谷均不明显。 石莼和碎石光谱反射率始终高于造礁石珊瑚光谱反射率。 石莼反射率光谱部分波段高于碎石反射率光谱, 存在光谱交叉。 如图4所示, 可见光波段内(400~700 nm)造礁石珊瑚反射率整体上小于10%; 石莼反射率起伏剧烈, 由400 nm处的7%震荡升高至700 nm处的80%左右; 碎石反射率相对非常单调处于23.5%~56.5%之间。

图4

Fig.4

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	图4 造礁石珊瑚、 石莼和碎石反射率光谱Fig.4 Reflectance spectra of scleractinian coral, ulva and coral rubble

反射率光谱的一阶导数结果显示, 可见光范围内造礁石珊瑚反射率光谱导数与石莼反射率光谱的导数存在7个信号相反的波段, 即485~487, 505~510, 515~529, 559~578, 587~593, 598~603和667~670 nm波段, 造礁石珊瑚与石莼反射率光谱导数信号相反, 这能够将造礁石珊瑚和石莼很好地区分开; 其中以515~529和559~578 nm波段间隔较宽易于分辨。 其他波段, 一阶导数值符号相同, 不能用以识别造礁石珊瑚和石莼(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 珊瑚和石莼反射率光谱一阶导数Fig.5 First-order derivatives of scleractinian coral and ulva reflectances

可见光范围内造礁石珊瑚反射率光谱导数与碎石反射率光谱的导数存在7个信号相反的波段, 即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波段范围内, 造礁石珊瑚与碎石反射率光谱导数信号相反, 这能够将造礁石珊瑚和碎石很好地区分开; 其中较宽波段为400~413.7, 514.5~528.9, 576.9~587.6和602.7~653.4 nm。 其他的波段, 造礁石珊瑚和碎石一阶导数值符号相同, 不能识别区分(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 造礁石珊瑚和碎石反射率光谱一阶导数Fig.6 First-order derivatives of scleractinian coral and coral rubble reflectances

反射率光谱二阶导数分析结果表明: (400~700 nm)范围内造礁石珊瑚与石莼主要可区分波段为, 401.6~404.9, 414.4~418.7, 423.8~428, 439~442.6, 444.7~452.3, 462~469.8, 479.8~484, 494.4~505.7, 510.3~513.5, 515.6~521.7, 524~534.5, 536.3~541.5, 543.6~561.4, 567.2~579.7, 607.4~610.8, 625.1~634.2, 642.7~650.4和655~659.4 nm等, 在这些波段内造礁石珊瑚与石莼反射率光谱信号相反, 能够很好地区分造礁石珊瑚与石莼; 其中以494.4~505.7, 524~534.5, 543.6~561.4和567.2~579.7 nm波段较宽。 其它波段范围内, 造礁石珊瑚与石莼反射率光谱二阶导数值符号相同, 难以区分(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 珊瑚和石莼反射率光谱二阶导数Fig.7 Second-order derivatives of scleractinian coral and ulva reflectnaces

可见光范围内造礁石珊瑚与碎石反射率光谱二阶导数可区分波段主要是: 414~418.7, 419.8~428.9, 432.5~436.8, 446.5~450.1, 451.6~461.6, 464.1~467.7, 470.9~479.8, 491.6~493.3, 494.4~496.5, 500.4~503.6, 521.6~526.8, 529.3~536.6, 539.4~544.3, 547.6~550.9, 564.5~570.7, 559.3~561.4, 576.9~579.3, 580~583.5, 587.9~591.4, 599.2~602.3, 611.9~614.9, 617~620.3, 621.4~624.8, 625.8~628.8, 632.9~634.2, 636.6~639.6, 640~643, 643.3~646, 657.8~661.4, 668.4~670.8, 677~685和688~690 nm等波段, 造礁石珊瑚与碎石反射率光谱信号相反, 能够很好地区分; 其中较宽波段为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。 其他波段范围内, 造礁石珊瑚与碎石反射率光谱二阶导数符号相同, 难以区分(图8)。

图8

Fig.8

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	图8 造礁石珊瑚和碎石反射率二阶导数Fig.8 Second-order derivatives of scleractinian coral and coral rubble reflectances

反射率光谱四阶导数结果表明, 在401.3~403.1, 415.8~430, 431.4~442.9, 447.3~550.9, 457.7~468, 475.9~480.2, 484.8~486.9, 490.1~495.8, 501.5~506.4, 511.4~516.6, 520.8~522.6, 524.4~527.9, 530.7~533.5, 540.8~546, 561~563.8, 567.6~575.5, 577.9~581.7, 621~627.1, 628.8~635.6, 639.3~645, 661.8~669.8和678.4~682.4 nm等波段范围内, 造礁石珊瑚与石莼反射率光谱四阶导数信号相反, 能够很好地区分造礁石珊瑚与石莼; 其中以515.8~430, 621~627.1, 628.8~635.6, 639.3~645, 661.8~669.8和678.4~682.4 nm等波段较宽。 其他波段, 造礁石珊瑚与石莼反射率光谱四阶导数值符号相同, 不能区分(图9)。

图9

Fig.9

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	图9 造礁石珊瑚和石莼反射率光谱四阶导数Fig.9 Fourth-order derivatives of scleractinian coral and ulva reflectances

四阶导数分析结果表明, 在401.6~404.6, 412.6~425.3, 425.6~428.9, 430.3~433.2, 446.2~450.5, 451.2~458, 459.8~467, 467.7~470.6, 470.9~478, 486.9~489.4, 490.5~493, 517~519.1, 520.9~523, 524.4~526.1, 527.5~530, 530.7~534.2, 535.6~540.8, 560.3~564.1, 564.8~568.3, 576.2~579.3, 583.8~591.4, 595.5~603.3, 608.1~611.5, 617~620.7, 621.7~624.8, 632.9~635.2, 535.9~638, 640~642.3, 654.4~659.8, 670.8~680, 684.7~686.4和687~688.7 nm等波段范围内, 造礁石珊瑚与石莼反射率光谱四阶导数信号相反, 能够很好地区分造礁石珊瑚与石莼; 其中以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等波段较宽。 其他波段, 造礁石珊瑚与碎石反射率光谱四阶导数值符号相同, 难以进行区分(图10)。

图10

Fig.10

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	图10 造礁石珊瑚和碎石反射率光谱四阶导数Fig.10 Fourth-order derivatives of scleractinian coral and coral rubble reflectances