Climate Change Research Letters 气候变化研究快报, 2024, 9(5), 434-445
Published Online September 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ccrl https://doi.org/10.12677/ccrl.2024.95047
裸岩对南极帝企鹅栖息地遥感信息提取的影响
张 淼，陈心桐，李香兰*
北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京
收稿日期：2024年8月19日；录用日期：2024年8月31日；发布日期：2024年9月7日
摘 要
南极企鹅被誉为南极气候变化的“生物指示剂”，基于遥感手段监测企鹅数量及其栖息地变迁不仅能够反映南极气候变化状况，而且可以为企鹅保护提供科学依据。受卫星资料分辨率的影响，企鹅栖息地的遥感识别尚存在较大的不确定性，特别是裸岩与积雪混合像元因相似的光谱特征可能影响企鹅栖息地提取精度。本文采用2024年Landsat-8影像结合目视解译识别了南极帝企鹅(Aptenodytes forsteri)栖息地，并评估了裸岩与积雪混合像元对环南极帝企鹅栖息地识别精度的影响。结果显示，裸岩与积雪混合形成的混合像元与帝企鹅粪便谱曲线特征高度相似，二者在绿色波段有一个波谷、近红外波段存在一个波峰以及在可见光和近红外波段趋势相近。以裸岩分布较为密集的罗斯海区域为统计对象，裸岩与帝企鹅粪便的光谱相关系数高达0.96，同时波段差值较小。结合帝企鹅栖息地历史分布资料，环南极42个帝企鹅栖息地中存在6个受裸岩干扰严重区域。裸岩与冰雪混合像元与企鹅粪便光谱特征的相似性是影响帝企鹅栖息地遥感信息提取精度的重要因素。
关键词
南极，帝企鹅，Landsat-8，栖息地，指数阈值，裸岩
Influence of Bare Rock on Remote Sensing Information Extraction of Antarctic Emperor Penguin Colony
Miao Zhang, Xintong Chen, Xianglan Li*
College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing
thstth
Received: Aug. 19, 2024; accepted: Aug. 31, 2024; published: Sep. 7, 2024
*
通讯作者。
文章引用: 张淼, 陈心桐, 李香兰. 裸岩对南极帝企鹅栖息地遥感信息提取的影响[J]. 气候变化研究快报, 2024, 9(5): 434-445. DOI: 10.12677/ccrl.2024.95047
张淼 等
Abstract
Antarctic penguins are known as “biological indicators” for climate change in the Antarctica. Mon-itoring the dynamics of the population of penguins and their colonies can reflect the climate change of the Antarctica and provide a scientific basis for penguin protection. Due to the influence of the resolution of satellite data, the remote sensing identification of penguin colony is still un-certain. In particular, the spectral characteristics of the mixed pixels of bare rocks and snow may affect the extraction accuracy of penguin colony. Choosing Emperor Penguin (Aptenodytes forsteri) as the research object, we used Landsat-8 image in 2024 combined with visual interpretation to analyze the feces area of the Emperor penguin. Results showed that the spectral curve of the mixed pixels of bare rock and snow was similar to that of the Emperor penguin feces. Two curves have a trough in the green band and a peak in the near-infrared band, and the trend is similar in the visible and near-infrared bands. This similarity is an important factor affecting the accuracy of the extraction of the Emperor penguin colony. A statistical analysis of six bare rock samples from the Ross Sea area showed that the spectral correlation coefficient between bare rock and Emperor penguin feces could reach 0.96 and the band difference is small. Combined with known emperor penguin colony, this study identified 42 colonies of Emperor penguin and 6 areas with severe in-terference from bare rock in the Antarctica. The similarity of spectral features between bare rock mixed with the snow is an important factor affecting the accuracy of remote sensing information extraction of Emperor penguins’ colony, which will provide important reference for improving the accuracy of remote sensing mapping of Antarctic penguins.
Keywords
Antarctica, Emperor Penguin, Landsat-8, Colony, Index Threshold, Bare Rock
Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
南极地区因其独特的地理位置，受人类活动的影响较小、生态结构简单，是对全球气候变化极为敏感的区域[1]。海鸟对多种陆地和海洋环境因素响应敏感，是可靠的环境变化指标[2]。企鹅作为南极明星物种，被认为是南极气候变化的“生物指示剂”[3] [4] [5] [6]。帝企鹅(Aptenodytes forsteri)呈现环南极分布，研究南极帝企鹅种群数量变化及其栖息地变迁，将为揭示南极生态系统对气候变化的反馈机制提供重要理论参考。
随着遥感技术的发展，利用遥感影像资料识别南极企鹅栖息地及数量成为可能。以往研究大都采用中分辨率卫星数据Landsat提取南极不同种群的企鹅栖息地[5] [7] [8] [9]。Fretwell等[5]利用Landsat-7 ETM+数据绘制了环南极帝企鹅栖息地分布图，共识别出38个帝企鹅栖息地。沈校熠等[9]通过构建指数阈值结合影像分割方法，利用Landsat-7 ETM+数据实现了环南极帝企鹅栖息地的识别。高分辨率卫星数据在识别企鹅栖息地和企鹅数量提供了重要的保障[10]-[15]。Fretwell等[10]利用高分影像识别帝企鹅栖息地面积，并与帝企鹅数量建立回归关系，首次实现了遥感数据对环南极帝企鹅数量的估计，约为23.8万对帝企鹅。近年来无人机的使用为精确灵活观测南极企鹅提供了更多可能性[16] [17] [18] [19] [20]。
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Kooyman等[21]利用航空数据分析了2000~2012年间罗斯海区域帝企鹅栖息地与种群数量变化，发现罗斯海区域帝企鹅数量年际波动较大。南极帝企鹅栖息地遥感识别存在较大的不确定性，分析不同地物干扰对栖息地识别的影响，将有利于提高南极企鹅遥感制图的精确度。
裸岩是南极企鹅栖息地附近的典型地物，是影响企鹅栖息地和数量提取精度的重要影响因素。Fretwell等[5]在利用LandsatETM+提取帝企鹅栖息地时指出，与帝企鹅粪便区域一样，裸岩红色波段减去蓝色波段同样大于0，可能影响企鹅粪便的遥感识别。沈校熠等[9]利用指数阈值法结合影像分割对帝企鹅栖息地进行识别时，考虑了ASTER标准光谱库中岩石光谱特征，尚未研究裸岩对帝企鹅粪便区的光谱干扰。南极裸岩范围较大，达到21,745 km2，目前主要是构建裸岩指数阈值对南极裸岩进行遥感识别[22] [23]。南极裸岩与帝企鹅栖息地光谱特征的差异及其对企鹅栖息地遥感识别的影响尚需进一步研究。
本研究采用中分辨率遥感卫星Landsat-8数据，分析了裸岩–积雪混合像元与帝企鹅栖息地的光谱特征，结合环南极帝企鹅分布的历史资料评估了受裸岩干扰严重的帝企鹅栖息地，识别出2024年环南极帝企鹅栖息地位置信息，为提高南极帝企鹅栖息地遥感制图精度提供理论基础。
2. 数据与方法
2.1. 数据来源
卫星数据采用Landsat-8中分辨率数据，下载自美国地质调查局(USGS)官网
(https://earthexplorer.usgs.gov/)，产品级别为一级，重访周期为16天，分辨率为30 m × 30 m，数据时间为 2024年9~10月，属于帝企鹅繁殖期。为分析积雪与裸岩混合像元光谱特征，选择影像名称为LC08_L1GT_061113_20241014_20241030_01_T2的Landsat-8影像，影像覆盖区域为罗斯海区域。由于缺少南极典型地物的光谱信息，为区分帝企鹅粪便与南极其它地物，选择星载热发射和反射辐射计(ASTER)波谱数据库中积雪，水体和岩石光谱数据作为参考。水体、花岗岩、玄武岩、砂岩波谱范围0.4~2.5008，有1141条数据，而积雪波谱范围为0.4~2.5，有402条数据。
2.2. 分析方法
Landsat-8一级卫星数据产品，已经进行了几何校正和地形校正，数据因获取时间不同而存在成像时的日地距离、太阳高度角等参数不同而造成差异，将像元亮度值(DN)转换为大气表观反射率(TOA)，可以有效消除这些因素在数据分析时所引起的误差，使得各数据之间保持较好的可比性。
南极帝企鹅在3月或4月返回到栖息地，在11月或12月繁殖结束后离开栖息地，长达数月的繁殖期在栖息地累积大量的企鹅粪便，依据帝企鹅粪便的位置即可以识别对应的帝企鹅栖息地位置。采用指数阈值法[9]进行帝企鹅栖息地的分析，用式(1)的差值指数(EI)可用于区分帝企鹅粪便和积雪，帝企鹅粪便光谱曲线表明，近红外与蓝色差值较大，调整原红色波段为近红外波段；式(2)的比值指数(NDII)用于区分裸岩和帝企鹅粪便。
=EINIR?B (1)
NDII=(NIR?SWIR) (2)
NIR+SWIR()其中，R为红色波段，B为蓝色波段(波段2)，NIR为近红外，SWIR为中红外(波段6)。
从环南极范围内选取8个典型帝企鹅栖息地作为样本，帝企鹅栖息地粪便样本位于帝企鹅栖息地中间区域，以减少边缘积雪和固定冰的影响，获得纯净的粪便像元，统计帝企鹅粪便光谱曲线特征(图1和图2)，包括阿斯特里德海岸(Astrid Coast)、罗杰特角(Cape Roget)、华盛顿角(Cape Washington)、库尔曼岛(Coulman Island)、道森(Dawson)、古尔德湾(Gould Bay)、路特波德海岸(Luitpold Coast)和斯迈利岛
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(Smyley Island)分别记为AC、CR、CW、CI、DL、GB、LC、SI (图2)。华盛顿角和库尔曼岛两个帝企鹅栖息地受山体阴影影响，选择企鹅粪便样本避开山体阴影。
Figure 1. Typical Emperor penguin habitats in Antarctica 图1. 南极典型帝企鹅栖息地位置
Figure 2. Cropped Landsat-8 image of a typical Antarctic emperor penguin habitat (The image is a true color image, which is synthesized from 2, 3, 4 bands of landsat-8) (a) Astrid Coast, (b) Cape Roget, (c) Cape Washington, (d) Coulman Island, (e) Dawson, (f) Gould Bay, (g) Luitpold Coast and (h) Smyley Island
图2. 南极典型帝企鹅栖息地的Landsat-8影像裁剪图(影像为真彩色影像，由Landsat-8的2，3，4三个波段合成) (a) 阿斯特里德海岸、(b) 罗杰特角、(c) 华盛顿角、(d) 库尔曼岛、(e) 道森、(f) 古尔德湾、(g) 路特波德海岸和(h) 斯迈利岛
为了分析积雪–裸岩混合像元对企鹅粪便像元光谱的相似性，从
LC08_L1GT_061113_20241014_20241030_01_T2影像中选择6个不同位置的积雪–裸岩样本，样本均位于罗斯海区域，分别记为R1~R6 (图3)。积雪–裸岩样本由积雪与裸岩混合像元构成，混合像元样本光谱特征介于裸岩像元和积雪像元之间(图4)，为进一步说明裸岩和帝企鹅粪便光谱特征的相似性，统计6
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个积雪–裸岩样本与企鹅粪便均值对应波段反射率差值，同时对6个积雪–裸岩样本和帝企鹅粪便光谱相关性分别进行统计分析。
Figure 3. Location of rock samples in Ross sea area in Antarctica such as R1 - R6, the base image is a true color image synthesized from 2, 3, 4 bands of Landsat-8
图3. 南极罗斯海地区R1~R6六个积雪–裸岩样本位置，底图由Landsat-8的2，3，4三个波段合成的真彩色影像
Figure 4. Rock samples covered by snow in the Ross sea region R5 (a) and zoomed-in view of naked rock (b), the images were synthesized from Landsat-8’s 2, 5,6 bands
图4. 罗斯海区域积雪覆盖的积雪–裸岩样本R5 (a)和及积雪–裸岩样本放大图(b)，影像由Landsat-8的2，5，6三个波段合成
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