基于Landsat系列卫星数据的珊瑚岛水深测绘：一致性评估与40年水下地形变化监测研究

研究人员针对Landsat系列卫星（TM/ETM+/OLI/OLI2）在珊瑚岛水深反演中因波段设置和信噪比差异导致的数据一致性问题，通过UMOPE优化模型对南海珊瑚岛开展水深反演一致性评估，发现10米以浅水深反演具有高度一致性（RMSE<4m），并成功监测南威岛40年水下地形变化（港口水深从2m增至10m，填海面积达101万m3），为珊瑚礁生态系统长期监测提供重要技术支撑。

　　

珊瑚礁被誉为海洋中的"热带雨林"，其水下地形的变化直接反映生态系统健康状况。南海分布着占全球5%的珊瑚礁，但受地震、火山活动和人类开发影响，珊瑚岛水下地形持续变化。传统水深测量依赖船载声呐等现场观测，难以实现大范围长期监测。虽然Landsat系列卫星具备近40年时间跨度和30米空间分辨率优势，但不同传感器（TM/ETM+/OLI/OLI2）的波段设置和信噪比(SNR)差异导致水深反演结果存在不确定性，严重制约长期变化监测的可靠性。

中国科学院南海海洋研究所的研究人员通过优化水深反演模型UMOPE（Unmixing-based Multispectral Optimization Process Exemplar），系统评估了Landsat系列数据在南海珊瑚岛水深测绘中的一致性。研究选取东沙岛、七连屿等典型珊瑚岛，结合ICESat-2激光测深和船载声呐数据，定量分析了不同传感器在0-30米水深范围内的反演精度差异。通过模拟数据集验证了信噪比和底质类型对反演精度的影响机制，并首次实现南威岛40年水下地形变化的定量监测。相关成果发表在《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》。

关键技术包括：（1）采用ACOLITE的DSF算法进行大气校正；（2）建立虚拟海岸波段（445nm）的线性转换模型；（3）基于UMOPE模型同步反演水深、水体光学参数和底质参数；（4）利用图像直方图匹配法进行潮位校正；（5）通过中值滤波和标准差计算量化体积变化误差。研究区域涵盖南海4个典型珊瑚岛，验证数据包括2013年船载声呐数据和2019-2021年ICESat-2测深数据。

【精度评估】12景影像验证显示：10米以浅水深反演在东沙岛RMSE<2m，七连屿RMSE<4m；10米以深区域OLI/OLI2精度显著高于TM/ETM+（图4-5）。模拟实验证实暗底质（珊瑚）区低信噪比是导致TM/ETM+在深水区误差增大的主因（图15）。

【一致性分析】传感器间比较表明：OLI/OLI2在礁坪和浅潟湖（水深<10m）标准差<1.5m，具有高度一致性；深潟湖和前沿礁（水深>10m）因低信噪比导致TM/ETM+与OLI/OLI2差异达4m以上（图7）。虚拟海岸波段验证显示其非主要误差来源（图16-17）。

【时间序列】东沙岛剖面显示：礁坪区40年水深变化标准差<1.5m，而深潟湖标准差>3m（图8-9）。七连屿浅潟湖OLI/OLI2能清晰识别礁斑，TM/ETM+噪声显著（图10-11）。

【变化检测】南威岛监测表明：2014-2020年间港口水深从2.00±0.21m增至10.00±0.89m，东北部填海区7.50m水深变为陆地，累计开挖沉积物58.4±22.9万m³，填海体积101.1±89.8万m³（图12-13）。

该研究首次系统论证了Landsat系列在珊瑚岛0-10米水深变化监测中的可靠性，为珊瑚礁生态系统评估提供了40年时间尺度的基础数据。创新性发现低信噪比是限制TM/ETM+在深水区（>10m）应用的关键因素，而虚拟波段技术可提升OLI/OLI2的反演精度。提出的潮位校正方法（RMSE=26.73cm）有效解决了历史数据缺失难题。未来需耦合Sentinel-2等多源数据，并优化大气校正算法以进一步提升监测精度。研究成果对南海珊瑚岛生态保护与可持续发展具有重要指导价值。