LTO科研進展

近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境實驗室（LTO）、熱帶海洋環境與島礁生態全國重點實驗室和廣東省海洋遙感與大數據重點實驗室（LORS）唐世林團隊在島礁淺水地形時序變化監測方面取得新進展。相關研究成果發表在國際期刊Giscience & Remote Sensing和International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation上，助理研究員劉永明為第一作者，研究員唐世林為通訊作者。

地震、火山爆發、波浪侵蝕和人類活動等因素均可引起島礁淺水地形發生變化。開展淺水地形時序變化監測可以為珊瑚礁的生物多樣性保護和生態平衡維護提供重要的基礎地理信息。Landsat系列（Landsat-5 Thematic Mapper (TM), Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), Landsat-8 Operational Land Imager (OLI), and Landsat-9 OLI2）具有近40年的觀測歷史和30米的空間分辨率，在長時序淺水地形變化監測中具有巨大潛力。然而，由于不同代的Landsat傳感器在波段設置和信噪比特性上存在差異，影響水深遙感反演結果的時序一致性，這為實現長達40年的光學淺水地形時序變化監測目標帶來了重大挑戰。

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進展1：實現TM和ETM+數據在6m以深的水深反演值精度的提升

研究團隊針對Landsat系列數據存在波段設置差異的問題，基于西沙島礁等地的光學淺水現場光譜數據開展分析，發現可以通過光譜重構技術從TM和ETM+的藍光波段推算出一個虛擬的近岸波段（~445 nm），從而實現Landsat-5/7/8/9可見光波段設置的統一。基于這個新的發現，研究團隊建立了VOBA（Virtual coastal band-driven Optimization-based Bathymetric Approach）模型。實測光譜數據、模擬光譜數據和衛星遙感影像數據的驗證結果表明，增加虛擬波段的TM和ETM+能夠顯著提升6 m以深的水深反演值精度。

圖 1 以全球12個區域的Landsat-5/7數據為例，增加虛擬近岸波段前（OBA）后（VOBA）的水深反演值和實測值的散點密度圖。其中S和M分別表示表示單個和多個水深初始值的反演策略。(詳細請查看原文Liu et al. 2025, GISci. Remote Sens.)

此項成果發表在期刊Giscience & Remote Sensing上，合作者還包括LTO的許占堂研究員、黃宇業博士后、鄭文迪助理研究員、華北水利水電大學的曹斌博士、廣東省科學院廣州地理研究所的劉旭攏研究員和東海實驗室的曾凱博士。

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進展2：實現0-10m光學淺水地形40年時序變化遙感監測

研究團隊在構建VOBA模型的基礎上，進一步以我國南海東沙島和七連嶼等島礁為例，定量評估水深優化反演模型從Landsat系列數據中所反演的水深值的一致性。結果表明，Landsat系列在礁坪和淺水潟湖（水深淺于10米）中的水深值表現出高度的一致性。然而，由于TM/ETM+的信噪比OLI/OLI2低，對于深水潟湖和礁前斜坡（水深超過10米且底質為低反射率的海草珊瑚等），OLI/OLI2與TM/ETM+所反演的水深值存在顯著差異，而且OLI/OLI2所反演出的水深值的精度優于TM/ETM+。隨后，研究團隊將Landsat系列數據用于監測我國南沙南威島的地形時序變化。時序結果表明南威島新港口的深度已從~2米增加到~10米，東北方向的新陸地原來屬于~7.5米深的水域。截至目前，南威島的新港口已被挖掘~584252.74±228884.43m3的沉積物，并有~1010657.21±897737.97m3水域被填海造地（此值不包括露出水面的沉積物體積）。

圖 2 以東沙島和七連嶼為例，評估Landsat-5/7/8/9水深反演值的一致性。(詳細請查看原文Liu et al. 2025, Int. J. Appl. Earth Obs.)

圖 3 基于Landsat-5/7/8/9的40年水深反演結果監測南沙南威島開發過程導致的淺水地形變化。(詳細請查看原文Liu et al. 2025, Int. J. Appl. Earth Obs.)

圖 4 基于Landsat-5/7/8/9的40年長時序水深反演結果評估南威島礁新增港口被發掘的沉積物體積和東北部填海造陸填埋的水體體積。(詳細請查看原文Liu et al. 2025, Int. J. Appl. Earth Obs.)

此項成果發表在期刊International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation上，合作者還包括LTO的王素芬副研究員和黃宇業博士后、自然資源部南海局的陳啟東博士和水利部珠江水利委員會的熊龍海博士。

經過以上研究，唐世林團隊具備了遙感監測南海及類似區域的島礁0-10 m光學淺水地形40年長時序變化的能力。

上述研究得到國家自然科學基金、海南省自然科學基金和廣州市自然科學基金等項目的資助。

相關論文信息：

Liu, Y., Tang, S.*, Cao, B., Xu, Z., Liu, X., Zeng, K., Huang, Y., & Zheng, W. (2025). A virtual coastal band-driven optimization-based bathymetric approach (VOBA) for optically shallow water with multispectral imagery. GISci. Remote Sens., 62, 2506191.

Liu, Y., Tang, S.*, Huang, Y., Chen, Q., Xiong, L., & Wang, S. (2025). Mapping the bathymetry of coral islands with the Landsat series: Quantitative evaluation of the consistency and temporal change detection. Int. J. Appl. Earth Obs., 142, 104721.

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15481603.2025.2506191

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1569843225003681

• 信息來源：中國科學院南海所。

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