多时相海草百分比覆盖度制图：PlanetScope辐射协调与未协调影像及Sentinel-2影像的比较评估

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Multi-Temporal Seagrass Percentage Cover Mapping: A Comparative Assessment of Planetscope Harmonized and Non-Harmonized, and Sentinel-2 Imagery

　　

摘要–时间序列海草覆盖率监测的成功根本取决于卫星影像的辐射质量和时间一致性。尽管 PlanetScope 立方星星座以高分辨率（3 米 x 3 米）提供近乎每日的重访能力，但单个传感器之间的辐射不一致性仍然是一个持续存在的挑战。为解决这一问题，Planet 开发了 PlanetScope 标准化地表反射率 (PSH) 产品，该产品质量将 PlanetScope 观测值与 Sentinel-2 地表反射率对齐。然而，PSH 在连续海草覆盖率监测中的性能尚未得到系统评估。本研究评估了 PSH 相对于 PlanetScope 非标准化 (PSNH) 和 Sentinel-2 (10 米 x 10 米) 数据集在多时相映射印度尼西亚巴厘岛沙努尔（373.94 公顷）异质且季节性动态海草床百分比覆盖率 (PC) 方面的有效性，时间范围为 2024 年 8 月至 11 月每月一次。评估了支持向量机 (SVM) 和随机森林 (RF) 回归模型，并采用新开发的一致性/鲁棒性指数 (CRI) 框架来评估时间可转移性和映射稳定性。汇总的交叉验证结果表明，PSH 表现出最高的时间鲁棒性，全球平均 CRI 为 0.1333 ± 0.0433，而 PSNH 为 0.1063 ± 0.0475，Sentinel-2 为 0.0813 ± 0.0474。此外，PSH 减少了传感器间偏差，与 PSNH 基准相比，海草覆盖率与 Sentinel-2 的差异始终降低 1.0–1.2%。时空分析进一步表明，PSH 保持了强大的生态一致性，捕捉到了 9 月至 11 月海草冠层覆盖率的季节性下降，与 Sentinel-2 观测结果高度一致。然而，由于特定场景的辐射伪影人为低估了海草覆盖率值，两款 PlanetScope 产品均未能代表 8 月的生态基线条件。总体而言，结果表明 PSH 提高了时间序列海草制图的时间一致性。然而，单个 PlanetScope 场景仍易受辐射异常影响，这凸显了长期高分辨率海草监测的一个重要挑战。

引言
随着全球对沿海栖息地提供的关键生态系统服务的认识日益增长，海草制图变得越来越重要 (Duarte 等，2008; Nordlund 等，2016; Orth, 2006; UNEP, 2020)。健康的海草床提供了广泛的调节、供给、支持和文化服务，维系着沿海生态系统和人类生计 (Cullen-Unsworth 等，2014; Nordlund 等，2016; Unsworth 等，2019; Zhao 等，2024)。这些服务包括蓝碳封存、海岸线保护、沉积物稳定、营养循环、生物多样性支持以及渔业资源的维护 (Duarte 等，2025; Fourqurean 等，2012; Unsworth 等，2019)。由于其对缓解和适应气候变化的巨大贡献，海草生态系统被广泛认为是增强沿海韧性和可持续性的有效基于自然的解决方案 (NbS) (do Amaral Camara Lima 等，2023; Macreadie 等，2021; UNEP, 2020)。从经济角度来看，健康海草床提供的生态系统服务价值高达每公顷每年 19,004 美元 (Costanza 等，1997)，这凸显了其在新兴的海洋核算和自然资本评估框架中的重要性 (Costanza 等，2014; GOAP, 2025; Malerba 等，2023; 联合国，2024)。

尽管具有生态和经济意义，海草生态系统仍极易受到各种人为和环境压力的影响，包括沿海开发、不可持续的旅游活动、沉积增加和水质下降 (Coles 等，2012; Grech 等，2012; Hernawan 等，2021; Unsworth 等，2018)。这些压力导致全球许多沿海地区海草栖息地广泛退化和丧失 (Dunic 等，2021; Salinas 等，2020; UNEP, 2020; Waycott 等，2009)。因此，对海草分布和动态进行稳健和连续的监测对于支持基于证据的沿海管理、保护规划和生态系统恢复计划至关重要 (McKenzie 等，2020; Ruiz-Frau 等，2017; Short 等，2006; UNEP, 2020)。

为了全面表征海草床的状况和动态，海草覆盖率图不仅需要表示特定时间点的生态系统状况，还需要捕捉时间变化和长期趋势 (Cowley 等，2025; Duarte 等，2025; Wicaksono 等，2025)。时间序列监测提供了一个宝贵的框架，用于识别海草退化和恢复的模式，以及评估保护和恢复计划的有效性 (Chowdhury 等，2024; Duarte 等，2025; Krause 等，2025; Montero-Hidalgo 等，2023)。在这方面，遥感提供了在大范围地理区域和较长时期内获取海草生态系统空间显式信息的最有效和客观手段 (Cowley 等，2025; Duffy 等，2026; Lyons 等，2015; Lyons 等，2013)。

海草监测的一个关键挑战是开发可靠的时间序列数据集，能够通过时间和空间捕捉生态系统动态 (Cowley 等，2025; Lyons 等，2013; Wicaksono 等，2025)。除了提供栖息地范围的静态快照外，季节性、年度和长期监测能够检测生态变化，评估干扰影响，并评估管理有效性 (Cowley 等，2025; Duarte 等，2025; Duffy 等，2026; McKenzie 等，2020)。这种需求尤为重要，因为许多海草床表现出明显的季节性变化，受光照可用性、温度、水动力学和营养供应等环境条件波动驱动 (Chen & Lin, 2022; McKenzie 等，2016; Sudo 等，2021; Zoffoli 等，2020)。这些动态可能导致生物量、冠层结构和空间覆盖范围出现巨大的时间变化，使得海草监测比相对稳定的沿海生态系统（如红树林或珊瑚礁栖息地）复杂得多 (Wicaksono 等，2025)。

无论采用何种分类或回归算法，时间序列海草制图的成功根本取决于影像的辐射质量和时间一致性 (Hedley 等，2018; Wicaksono 等，2025; Wicaksono 等，2022c)。各种卫星平台，包括 QuickBird、PlanetScope、WorldView-2、Landsat 和 Sentinel-2，已被用于监测海草随时间的动态 (Ha 等，2021; Hadi 等，2024; Leblanc 等，2021; Lyons 等，2011; Roelfsema 等，2014; Wicaksono 等，2025)。其中，PlanetScope 通过其立方星星座提供了独特优势，提供高分辨率（3 米 x 3 米）的近每日存档影像 (Roy 等，2021; Wicaksono 等，2022c)。这种前所未有的时间密度有望大幅改进海草动态和生态变化的监测。

尽管有此优势，PlanetScope 星座的特征是单个卫星之间辐射一致性有限 (Frazier & Hemingway, 2021; Houborg & McCabe, 2018; Roy 等，2021; Wicaksono 等，2022c)。传感器特性的变化可能引入辐射差异，这些差异作为噪声传播到定量时间序列分析中 (Wicaksono 等，2022c)，特别是在连续映射方法（如海草覆盖率 (PC) 估算）中，后者对地表反射率的细微变化高度敏感。这些挑战因环境和采集相关因素而进一步加剧，包括潮汐波动、水柱特性和清晰度变化、太阳眩光污染以及太阳和观测几何的变化 (Hedley 等，2012, 2016)。因此，在使用 PlanetScope 影像进行长期海草监测时，区分真正的生态变化与辐射伪影仍然是一个主要挑战。

为了解决这些局限性，Planet 开发了 PlanetScope 标准化地表反射率 (PSH) 产品，该产品应用辐射协调程序将 PlanetScope 观测值与 Sentinel-2 对齐，将后者作为辐射参考传感器 (Houborg & McCabe, 2018; Planet, 2024)。通过提高传感器间一致性，PSH 有望增强定量时间序列分析的可靠性，并支持更稳健的海草生态系统监测。然而，尽管其可用性和采用率日益增加，PSH 用于连续海草制图和监测海草床的有效性尚未得到系统评估。

本研究的目的是评估 PlanetScope 标准化地表反射率 (PSH) 数据集映射时间序列海草覆盖率 (PC) 的能力，并与非标准化 PlanetScope 数据集 (PSNH) 进行比较。采用从 Sentinel-2 时间序列影像得出的季节海草动态作为参考基准，因为 PSH 产品是专门设计为与 Sentinel-2 观测值实现辐射一致性的 (Houborg & McCabe, 2018; Planet, 2024)。海草覆盖率信息非常重要，因为它作为海草生态系统健康的全球替代变量和海洋基本变量 (EOVs) 之一 (Duffy 等，2026)。选择印度尼西亚巴厘岛沙努尔的海草床作为研究区域，是因为其广阔的空间覆盖范围、高物种多样性、异质性的海草床结构以及明显的季节性变化。连续型和斑块型海草栖息地的共存为评估 PSH 在不同生态条件下的时间稳定性和映射性能提供了稳健的测试平台。研究结果有助于评估辐射协调是否增强了 PlanetScope 影像捕捉季节海草动态的能力，同时保持与 Sentinel-2 观测结果的一致性并提供更大的空间细节。

研究区域
本研究在印度尼西亚巴厘岛东南沿海的沙努尔沿海水域进行（图 1），因为该浅礁坪上有多种海草组成和丰度。该地区庇护着高海洋生物多样性，并支持广阔且高产的海草床。研究地点的地质地貌设置为浅礁坪，边缘由珊瑚礁脊界定，庇护着连续型和斑块型海草床。基于

实地数据分析
实地调查于 2024 年 8 月 21-24 日、9 月 23-24 日、10 月 18-24 日和 11 月 11-22 日进行，以收集地理参考海草和底栖摄影数据。总体而言，像元集成实地数据集表现出高度一致的时间模式。四个调查期间的像元集成实地数据集的描述性统计见表 2，并在图 3 中说明。聚合到 PlanetScope 像元的平均原位海草覆盖率与该值密切对应。

通用
使用遥感进行时间序列海草制图和监测的一个关键挑战是辐射一致的高时间分辨率影像的可用性 (Lyons 等，2015; Lyons 等，2013; Wicaksono 等，2025)。在这里，我们成功评估了 PSH 产品是否在捕捉海草覆盖率的季节变化方面优于 PSNH 产品，同时保持与 Sentinel-2 观测结果的一致性并提供增强的空间细节。我们发现

结论
本研究的结果表明，PlanetScope 标准化地表反射率 (PSH) 数据集能够以与 Sentinel-2 观测结果一致的方式代表沙努尔海草床的季节物候。PSH 表现出最高的一致性/鲁棒性指数 (CRI) 值，表明与 PlanetScope 非标准化地表反射率相比，在 2024 年 8 月至 11 月期间具有更优的时间稳定性以及关于 R2 和 RMSE 的更一致模型性能。

涉及人类和/或动物的研究声明
作者声明，本研究不包含任何涉及人类参与者或动物主题的实验。本研究中使用的所有方法仅限于卫星遥感数据分析和海草及底栖栖息地的生态实地调查。因此，本研究不需要伦理批准和知情同意。

CRediT 作者贡献声明
Pramaditya Wicaksono：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据整理，概念化。Menliman Joyfal Gulo：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，软件，方法论，正式分析，数据整理。Totok Wahyu Wibowo：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证。Akbar Reza：写作 – 审阅与编辑，验证。

未引用参考文献
Chen and Lin, 2022; do et al., 2023; Ruiz-Frau et al., 2017; Traganos et al., 2022.

利益冲突声明
? 作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本报告中所述的工作。

致谢
本研究由印尼教育基金 (LPDP) 代表印度尼西亚高等教育、科学和技术部资助，并在 EQUITY 项目下管理（合同编号：4301/B3/DT.03.08/2025 和 10107/UN1.P/Dit-Keu/HK.08.00/2025）。作者衷心感谢印度尼西亚乌达雅大学海洋科学与渔业学院海洋科学系的 I Wayan Gede Astawa Karang 教授及其调查团队，感谢他们

Pramaditya Wicaksono|Menliman Joyfal Gulo|Kevin Oit Benyamin|Hanny Maurize Suei|Setiawan Djody Harahap|Totok Wahyu Wibowo|Akbar Reza|Chris Roelfsema
印度尼西亚加查马达大学地理学院地理信息系