《Environmental Data Science》：Disentangling drivers of coastal change from satellite imagery to reveal atoll-scale sub-annual responses to the Indian Monsoon in the Maldives
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珊瑚礁岛屿以其显著的亚年和年际海岸变异性而著称。马尔代夫海岸线未得到系统或频繁监测，因此变异性模式和对气候强迫的形态响应尚未被充分认识和刻画。研究人员开发了一种数据处理流程，通过利用中分辨率卫星影像来揭示海岸变化的时空模式。该流程应用于马尔代夫Huvadhoo
珊瑚礁岛屿以其显著的亚年和年际海岸变异性而著称。马尔代夫海岸线未得到系统或频繁监测，因此变异性模式和对气候强迫的形态响应尚未被充分认识和刻画。研究人员开发了一种数据处理流程，通过利用中分辨率卫星影像来揭示海岸变化的时空模式。该流程应用于马尔代夫Huvadhoo环礁的岛屿，但也适用于其他小岛屿发展中国家（Small Island Developing States，SIDS）。研究人员使用图像分割算法，从Sentinel-2、Landsat-8和Landsat-9影像中逐月提取岸线位置。从岸线位置时间序列中分离出趋势和季节信号，以揭示短期和长期变异性模式。结果显示，岛屿尺度和环礁尺度的海岸变化空间模式均存在。该环礁28%的研究岛屿显示出可检测的振荡性岸线位置变化，表明亚年尺度的沿岸沉积物输运与印度季风相位及区域气象-海洋条件变化相一致。位于潟湖内的岛屿比位于环礁边缘的岛屿经历更大的变异性。季节性侵蚀和淤积期具有不对称性，并与印度季风相位的持续时间一致。季节信号受到气象-海洋条件年际变率（如印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD）事件）的调制。因此，为了预测气候变化对珊瑚礁岛屿平衡的影响，需要识别可能加剧海平面上升的驱动因素并量化其效应。这些结果可用于支持基于证据的环境政策、海岸规划和海洋基础设施建设。
珊瑚礁岛屿是低洼的、由珊瑚碎屑等未固结沉积物构成的地貌体，对海平面上升（sea level rise，SLR）和气候驱动的海洋条件变化极为脆弱。过去的研究强调SLR在多年尺度上的侵蚀作用，但近期证据表明珊瑚礁岛屿可通过垂直加积和侧向扩张表现出一定韧性；同时，亚年尺度的波浪、水位与环流变化也能强烈重塑岸线。马尔代夫是典型的小岛屿发展中国家（Small Island Developing States，SIDS），其超过1200个岛屿分布在中印度洋的双列环礁上，然而其海岸线缺乏系统性的高频监测，导致印度季风驱动的亚年岸线变化及其与年际气候模态（如印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD））的叠加效应长期未获量化。已有研究仅基于少数岛屿的现场测量，尚未在环礁尺度上评估季节性岸线摆动的空间模式。因此，研究人员利用中分辨率卫星影像，构建了一套可扩展的数据处理流程，以马尔代夫Huvadhoo环礁为案例，对162个自然岛屿进行了约9年（2013–2022）的月度岸线监测，旨在分离岸线时间序列中的趋势、季节与残差成分，识别季风相位和IOD事件在亚年尺度上的形态响应。该研究填补了环礁尺度高频海岸监测的空白，为SIDS的气候适应规划和基于证据的环境政策提供了重要工具；其结果显示约28%的研究岛屿存在可检测的季节性沿岸输运，且潟湖岛屿变率更高，凸显了短期气候强迫对岛礁平衡的控制作用。
在技术方法上，研究人员首先从Huvadhoo环礁241个礁体中筛选出162个岛屿作为样本，排除25个受严重人为扰动或无植被覆盖的岛屿。影像采用Sentinel-2（10 m分辨率）、Landsat-8/9（15 m分辨率）多光谱数据，经云掩膜、几何配准和必要的全色锐化后，计算归一化差值植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）与归一化差值水指数（Normalized Difference Water Index，NDWI）。水线提取采用基于多类Otsu阈值和核密度估计（Kernel Density Estimator，KDE）的图像分割算法，确定光谱阈值后用Marching Squares算法生成亚像素等值线，并融合近红外（Near-Infrared，NIR）、NDWI和NDVI三个波段的闭合多边形获得最优水线。随后沿参考岸线每5 m设置一条垂直断面，生成月度岸线位置时间序列。通过自相关函数（autocorrelation function，ACF）和快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）判断时间序列中的季节性，并区分为1型和2型季节性；对1型季节性时间序列分别采用STL（Seasonal-Trend decomposition using LOESS）和BEAST（Bayesian Estimator of Abrupt change, Seasonal change, and Trend）两种方法进行季节-趋势分解，再拟合阻尼偏斜正弦方程，以提取季节峰值、最小值和振幅，并将其对应到印度季风的四个相位。整体岸线位置的不确定性约为5 m。
研究结果如下。
### 3.1 Comparing coastlines obtained by satellite imagery with in-situ data in South Maalhosmadulu Atoll（与South Maalhosmadulu Atoll的卫星岸线及实测数据对比）
研究人员将卫星提取的岸线与Kench and Brander (2006)在South Maalhosmadulu Atoll的Hulhudhoo和Dhakandhoo岛的GPS实测岸线对比，两者在季节峰值、振幅和沉积物输运方向上一致。Hulhudhoo岛的季节振幅最大为38 ± 4 m，与实测的34 m接近；趋势分量中的断点对应2019–2021年极端正IOD事件和2016年负IOD事件，验证了方法的可靠性。
### 3.2 Spatiotemporal patterns of change at the atoll scale in Huvadhoo Atoll（Huvadhoo环礁尺度的时空变化模式）
在全部32,772条断面中，34.8%满足1型季节性标准，15.8%的季节振幅大于10 m。据此，46个岛屿（约28%）被识别为发生季节性形态响应。环礁尺度结果显示，潟湖内岛屿的季节性沿岸输运明显，而环礁边缘岛屿大多在季节尺度上保持稳定。
#### 3.2.1 Inside the lagoon（潟湖内）
潟湖内岛屿的季节振幅较大，其中南部潟湖岛屿变率最高，可能因其更接近进入潟湖的高能大洋涌浪。在西南季风期及向东北季风转换期，沉积物在岛屿东北侧形成堆积舌；东北季风期则向西北、东南或南部重新分布。Kunata岛和Vaireyaadhoo岛的实例展示了沉积物绕岛输运的典型格局。
#### 3.2.2 On the atoll rim（环礁边缘）
环礁边缘岛屿大部分无显著季节性形态响应，仅少数位于横向桶状礁结构或线性环礁边缘的岛屿例外。在西南季风期，沉积物在岛屿东南侧或潟湖侧堆积，东北季风期再向西南输运；季节振幅小于潟湖内岛屿。Vodamulaa岛的实例显示其东北端和潟湖侧存在可检测的岸线振荡。
讨论部分指出，该研究建立了一个将驱动因子与岸线响应联系起来的框架，可从卫星时间序列中分离季节、趋势和残差，并将季节变化归因于印度季风、IOD及人为干预。季节响应的不对称性与印度季风两个相位的长度和波能差异有关，且受年际模态调制。空间上，岸线响应受波浪暴露和岛屿在环礁中位置的控制；潟湖岛屿因位于独立礁坪且具有更狭窄、更深的礁前地形及更大的移动自由度，表现出更高的时空变率。气候变化可能改变季风持续时间、波向和极端IOD频率，从而影响岛屿核心稳定性。该框架对海岸开发政策有直接启示，可为岛屿脆弱性评估提供季节尺度的现场数据；尽管中分辨率影像限制了对小振幅信号的解释，但对比实测数据表明监测结果可靠，月度分辨率足以捕捉环礁尺度的季节动态。
研究结论部分可翻译为：本研究利用中分辨率卫星影像（约10–30 m）对海岸变化和季节性岛屿形态动力学进行长期监测。使用Sentinel-2、Landsat-8和Landsat-9数据，稳健的分割算法可在约9年期间自动提取水线，为马尔代夫Huvadhoo环礁的162个岛屿生成月度岸线时间序列。时间序列分解揭示了与印度季风相位相关的统计显著的亚年信号，包括时间不对称性和与印度洋偶极子事件一致的年际趋势。岛屿尺度的结果随岛屿形状和方位而变化；Huvadhoo环礁中46个岛屿（约占研究岛屿的28%）表现出可检测的、由气象-海洋条件季节性变化控制的振荡性沿岸沉积物输运。环礁尺度分析显示，位于独立礁坪上的潟湖岛屿具有最高的时空变率，并在整个环礁上表现出空间依赖性。该研究强调了气象-海洋条件在塑造岸线响应中的作用，并提供了一种可转移的方法来评估小岛屿发展中国家（SIDS）的变化驱动因素，包括那些与海平面上升叠加的因素。研究结果可为环境政策和海岸发展战略提供信息，支持在气候变化和广泛人类活动背景下评估珊瑚礁岛屿稳定性。该方法适用于马尔代夫其他环礁及类似环境，为SIDS的未来提供了稳健的工具。
