基于深度学习的西沙永乐群岛珊瑚礁遥感信息提取

珊瑚礁是海洋生态系统的重要组成部分,对保护海洋生物多样性以及维持海洋生态平衡具有重大意义。我国南海珊瑚岛礁自然资源丰富,准确、高效地提取珊瑚岛礁信息对南海岛礁监测、管理、规划与保护具有现实意义。本研究基于我国海洋一号C卫星（HY 1C）遥感数据,对西沙永乐群岛珊瑚礁信息进行了研究与分析,提出基于HY 1C遥感数据的珊瑚礁地貌分类体系。采用全卷积神经网络U Net模型,依次通过下采样、上采样操作提取西沙永乐环礁地貌特征,实现原始影像的像素级语义分割。结果表明：基于HY 1C数据建立的地貌分类体系对活珊瑚覆盖及珊瑚生长发育条件具有指示作用,提出的基于U Net模型的珊瑚岛礁地貌信息自动提取方法,能够为我国南海珊瑚岛礁生态系统的全自动、大范围监测和评价提供相应理论基础,在珊瑚礁生态管理与评价中发挥关键作用。精度验证结果表明：U Net模型可以有效提取珊瑚礁地貌信息,采用的地貌信息提取方法具备时空泛化能力,泛化精度高于80%。     

基于系统保护规划理论的广西海域优先保护格局分析

基于广西海域红树林、珊瑚礁、海草床等生境数据,在系统保护规划理论框架下,利用Marxan软件构建了广西海域优先保护格局以识别保护空缺。结果表明:广西海域优先保护区集中在三娘湾、合浦、涠洲岛海域,部分区域游离在现有保护体系外。与广西海洋生态红线对比,保护空缺主要分布在沿岸滩涂分布区、红树林分布区和涠洲岛珊瑚礁分布区。本研究首次基于系统保护规划理论,研究了广西海域优先保护格局,为广西海域的保护规划管理提供了科学性建议。     

印太交汇区海洋鱼类多样性格局与演化研究进展

印太交汇区不仅是热带物理海洋海气能量汇聚中心、地质板块活跃中心以及生物多样性中心,而且也是用于开展地球系统物质能量交换与全球气候变化以及海洋生物多样性起源研究的理想靶区,因此一直受到世界科学家们的广泛关注。作为全球34个生物多样性热点区域之一,印太交汇区的珊瑚礁三角区孕育了全球76%的造礁珊瑚、75%的红树林、50%的珊瑚礁鱼类和45%的海草物种数。鱼类是珊瑚礁生态系统中最重要的组成部分之一,在整个印度-太平洋海域中珊瑚礁群落的组成和维持中起到重要作用。过去,生物学家们围绕热带珊瑚礁鱼类多样性格局与演化做了大量工作,提出了许多生物地理学假说模型,如中心物种形成模型、汇聚中心模型、重叠中心模型和华莱氏线假说等,这些假说在一些珊瑚礁鱼类类群得到验证。但是,相对于印太交汇区的热带珊瑚礁鱼类多样性研究,深海的鱼类区系和生物多样性研究起步较晚,仍缺乏时间序列的观测数据和系统研究。目前对于印太交汇区深海与浅海生物多样性中心形成演化机制以及深浅海生物之间的源汇关系认知方面仍存在分歧。本文梳理了过去国内外学者在印太交汇区鱼类多样性方面的研究工作,综述了该地区浅海热带珊瑚礁和深海鱼类多样性格局演化研究最新进展,提出在深海极端环境和生命过程研究对策,以期为探讨印太交汇区海洋生物多样性中心形成演化过程及证实/证伪各种生物地理学假说提出科学论据,并为战略生物资源开发利用提供新视角。     

珊瑚礁生态系统功能产生机制及评价方法

生态系统功能是指生态系统维持自身或其他生态系统健康,并直接或间接为人类提供产品和服务的能力。客观评价珊瑚礁生态系统功能对实现珊瑚礁资源有效保护和可持续利用有重要意义。本研究梳理归纳了生态系统功能的概念内涵,分析了珊瑚礁生态系统功能的产生机制;初步构建了基于珊瑚礁生态系统功能指数(coral reef ecosystem function index,CREFI)的珊瑚礁生态系统功能评价方法;并以徐闻国家级珊瑚礁自然保护区为例,利用2006年和2016年调查数据对珊瑚礁生态系统功能进行定量评价。结果显示,徐闻国家级珊瑚礁自然保护区2016年的CREFI高于2006年,主要是由于珊瑚礁的死亡率有所降低和食草性鱼类种数明显增加;CREFI具有清晰的应用目标和理论框架,评价结果能清晰地反映珊瑚礁生态系统功能的时空差异,较好地评价珊瑚礁生态系统的功能稳定性和健康状况,可作为一种珊瑚礁生态系统功能定量评价模型,为珊瑚礁生态系统管理和决策提供参考。     

基于竞争遗传算法的海洋云平台资源调度模型研究

高质量的海洋自然资源管理离不开数据和信息的支撑。鉴于海洋数据的特殊性，海洋数据处理常涉及长时间序列或大空间范围的处理工作，对于此类密集型计算为主的数据处理，通用型云平台存在效率不高的突出问题。文章在全面分析Hadoop平台原生资源调度算法的基础上，结合海洋数据处理密集型计算的特点，创新性地提出了基于竞争模型的遗传算法任务调度策略(CGA),有效地解决了遗传算法求解速度受初始化种群与种群进化测量影响较大的问题。此外，为加快收敛速度，引入竞争机制，构建基于种群竞争的自适应进化模型。通过实际验证和比对，证明改进后的算法在收敛速度及收敛结果的稳定性上都优于传统算法，有效地改进了海洋云平台资源调度的能力，提升了海洋数据的处理效率。     

应用海洋生态足迹评价三亚珊瑚礁资源的可持续利用

珊瑚礁源源小断地向人类社会提供多样的产品和服务,是宝贵的海洋资源,但珊瑚礁受自然环境变化和人类活动加剧的双重影响正处于严重退化之中.文章以三亚珊瑚礁为例,利用海洋生态足迹方法评价珊瑚礁资源的可持续利用状况.三亚源自珊瑚礁的海洋生态足迹主要来自于本地居民消费、外来旅游消费、贸易输出及其他方面.分析结果表明,近年来的海洋生态足迹已远远超出了珊瑚礁自身的生态承载力,并呈现不断增长趋势,打破了珊瑚礁资源利用的可持续性.迫切需要拓宽捕捞范围、调整渔业结构和发展生态旅游等来减少对珊瑚礁的破坏,并加强珊瑚礁的保护、管理和科学研究,以实现珊瑚礁生态资源的可持续利用.     

大黄鱼Pseudosciaena crocea(Richardson)种群结构的地理变异

鱼类的种群桔构是鱼类最基本属性之一,也是种群补充与死亡两个相互矛盾过程的结果。许多的研究表明,这一问题的深入研究直接关系到鱼类生活习性和种群数量预测与控制等问题的解决。然而,直到目前,对鱼类种群结构的系统研究仍然注意不够,某些学者,在探讨其规律性时也多从种间比较出发;对种内不同种群进行系统研究,仍然是一个较新的课题。 我们在"大黄鱼的种族"一文中,曾经对我国近海三个主要鱼群(浙江北部岱衢洋、福建北部官井洋和广东西部硇洲近海生殖鱼群)种群秸构的某几项指标,如长度、性比等组成进行了初步分析,但是,资料的系统性或地区的广泛性均不能达到研究种内规律和地理变异规律的要求。本文是在过去的基础上于1959-1960年又补充收集另三个生殖鱼群(江苏南部吕泗洋、浙江南部猫头洋和广东东部南澳近海生殖鱼群)以及三个非生殖盛期鱼群资料(浙江南部洞头详,福建南部厦门外海和广东东部汕尾外海鱼群)加以分析的结果(图1)。文内主要探讨了大黄鱼种群秸构的寿命和年龄粗成,以及性成熟等指标的种内与地理变异规律及其雌雄变异理律;并对影响各地理种群的种群数量的某些因素进行了初步探讨。 参加这项工作的资料收集和耳石制片及资料计算的还有滕文法和黄颂芳等同志。本报告承张孝威教授热情指导,此外,方宗熙、郑执中等教授和管秉贤、郑守仪等同志也提出许多宝贵意晃,作者在此瑾致以衷心感谢。     

1985–2019年南海诸岛珊瑚礁区热压力时空变化研究分析

全球气候变暖引起的热压力增大是南海诸岛珊瑚礁面临的最主要威胁,基于热压力对珊瑚礁白化的评估有利于对其保护和管理。周热度（Degree Heating Week , DHW）可以衡量热压力的强度和持续时间,代表过去连续12周珊瑚礁区海表温度（SST）正异常的累积。本文基于美国国家海洋和大气管理珊瑚礁监测计划（National Oceanic and Atmospheric Administration-Coral Reef Watch, NOAA-CRW）海表温度数据集,逐像元对35个年最大周热度数值进行K-means聚类分析,将南海诸岛珊瑚礁区分为6个区域:南沙–1、南沙–2、南沙–3、东沙、西沙和中沙珊瑚礁区。分析南海诸岛珊瑚礁区1985–2019年热压力时空变化及其与El Ni?o的相关关系。结果表明:（1）南海诸岛珊瑚礁区最大DHW为0～12.9℃?周,纬度上由高到低呈现减小变化规律。（2）线性拟合法分析1985–2019年的年最大DHW,显示南海诸岛珊瑚礁区热压力强度呈现上升趋势,为0.013～0.174℃?周/a,南海诸岛珊瑚礁区最大DHW出现在1998年、2010年、2014年。（3）年最大DHW可能造成93.9%的珊瑚礁发生超过一次白化的风险,19.6%的珊瑚礁发生超过一次死亡的风险。（4）南海诸岛珊瑚礁区的月均DHW和ONI交叉小波分析显示两者存在多时段8～32个月共振周期的时频特征和时滞相关性,证实南海诸岛珊瑚礁热压力随着厄尔尼诺事件发生而显著增大;时滞相关分析表明,ONI与南海诸岛珊瑚礁区热压力呈正相关关系,后者滞后于前者7～9个月的时间。     

珊瑚礁生态系统健康评价方法的研究进展

简要介绍了珊瑚礁生态系统具有极高生产力和物种多样性,易受外界环境影响而衰退等特点.珊瑚礁生态系统的健康评价离不开对珊瑚礁的监测及数据的调查,全球珊瑚礁监测网络推荐的珊瑚礁监测包括生态监测以及经济监测两部分,监测方法应满足相应的要求,以保证所获数据可以进行相关比较.应用于生态系统评价的方法主要有指示物种法和指标体系法.珊瑚礁监测及评价中常用的指示物种的生物指标包括石珊瑚生物指标以及其它生物指标.造礁石珊瑚是珊瑚礁最重要的生物,目前对珊瑚礁的监测主要集中于存活硬珊瑚盖度以及生物多样性指数.一般而言,这是两个最重要的参数,但仍有不足.因此,珊瑚生长率(骨骼生长)的测量、钙化生产率、珊瑚生育力及补充、监测虫黄藻损失、珊瑚疾病及细菌暴发性增值、珊瑚骨骼的生物累积等指标也随之建立起来.为了对珊瑚礁原始生存结构生物提供一个早期亚致死压力预警,以便对珊瑚礁采取有效的保护管理措施,珊瑚礁鱼类、软体动物等其它生物及相关指标得到了应用和发展.与指示物种法相比,指标体系法不仅考虑了不同组织水平之间的相互作用以及同一组织水平上不同物种间的相互作用,而且还考虑了不同尺度转换时监测指标的变化,更能客观全面反映珊瑚礁的健康状况及变化趋势.HRHPI推荐从生态结构、生态功能、压力及社会经济几个特征属性方面对珊瑚礁健康进行评价,并给出每个特征属性包含的具体指标,以及各指标与珊瑚礁健康的相关性,指标选取标准,指标数据的获得方法以及基准值或目标值的设定等.尽管HRHPI给出了详细的评价指标体系,并探讨了指标评价标准("基准值"及"目标值")、健康指数、生态完整指数等概念,但评价模型或模式仍在探索中.随着新方法新技术的发展,高科技方法在珊瑚礁健康评估中得到了应用并迅速发展.由于尚无确定的评价珊瑚礁健康的模式,因此建立一个可以描述珊瑚礁群落健康状况的数量模型或者指标非常有必要.     

系统保护规划方法对我国构建海洋保护地选划布局体系的启示

海洋保护地是保护海洋生态系统和生物资源的重要措施，在我国海洋保护体系中具有重要作用。近年来，我国积极深化海洋保护体系的改革和完善，海洋保护工作进入全面深化改革的新阶段，对我国海洋保护地的科学选划和合理布局提出迫切需求。文章系统分析当前我国海洋保护地在选划布局过程中面临的一系列挑战，主要包括缺乏顶层设计和系统规划、对海洋生态系统连通性考虑不足、选划依据滞后于海洋保护理论的研究和发展以及缺乏可靠的技术手段和明确的量化指标以权衡保护与开发的关系；在建设分类科学、布局合理、保护有力和管理有效的，以国家公园为主体的自然保护地体系的新形势下，介绍国际海洋保护地选划布局的主流方法即系统保护规划，并对其技术路线进行解读；对采用该方法促进我国海洋保护地的科学选划与管理提出6项建议，即明确保护目标和保护对象、筛选保护空缺和优先保护区域、平衡保护与开发的关系、加强海洋保护地的完整性和连通性、加强海洋保护地选划的多方参与和论证以及开展适应性管理。     

Relative and combined effects of habitat and fishing on reef fish communities across a limited fishing gradient at Ningaloo

Habitat degradation and fishing are major drivers of temporal and spatial changes in fish communities. The independent effects of these drivers are well documented, but the relative importance and interaction between fishing and habitat shifts is poorly understood, particularly in complex systems such as coral reefs. To assess the combined and relative effects of fishing and habitat we examined the composition of fish communities on patch reefs across a gradient of high to low structural complexity in fished and unfished areas of the Ningaloo Marine Park, Western Australia. Biomass and species richness of fish were positively correlated with structural complexity of reefs and negatively related to macroalgal cover. Total abundance of fish was also positively related to structural complexity, however this relationship was stronger on fished reefs than those where fishing is prohibited. The interaction between habitat condition and fishing pressure is primarily due to the high abundance of small bodied planktivorous fish on fished reefs. However, the influence of management zones on the abundance and biomass of predators and target species is small, implying spatial differences in fishing pressure are low and unlikely to be driving this interaction. Our results emphasise the importance of habitat in structuring reef fish communities on coral reefs especially when gradients in fishing pressure are low. The influence of fishing effort on this relationship may however become more important as fishing pressure increases.     

The effects of trophic interactions and spatial competition on algal community composition on Hawaiian coral reefs

Much of coral reef ecology has focused on how human impacts change coral reefs to macroalgal reefs. However, macroalgae may not always be a good indicator of reef decline, especially on reefs with significant sea urchin populations, as found in Kenya and Hawaii. This study tests the effects of trophic interactions (i.e. herbivory by fishes and sea urchins) and spatial competition (between algae and coral) on algal community structure of reefs surrounding two Hawaiian Islands that vary in their level of human impacts. Reef‐building organisms (corals and crustose coralline algae) were less abundant and turf algae were more abundant on Maui as compared to Lanai, where human impacts are lower. In contrast to previous studies, we found no evidence that macroalgae increased with human impacts. Instead, low turf and macroalgal abundance were best explained by the interactive effects of coral cover and sea urchin abundance. Fishing sea urchin predators appeared to have cascading effects on the benthic community. The absence of sea urchin predators and high sea urchin densities correspond to a disproportionately high abundance of turf and crustose coralline algae. We propose that high turf algal abundance is a better indicator of reef decline in Hawaii than high macroalgal abundance because turf abundance was highest on reefs with low coral cover and few fish. The results of this study emphasize that understanding changes in community composition are context‐dependent and that not all degraded reefs look the same.     

Why do certain species dominate? What we can learn from a rare case of Microdictyon dominance on a Caribbean reef

Many Caribbean reefs have shifted from coral dominance to macroalgal dominance, often by brown algae such as Dictyota and Lobophora. However, the north side of Cayman Brac in the Cayman Islands is dominated seasonally by the green macroalga Microdictyon (percent cover of Microdictyon is 4% in the winter and ~40% of the reef in the summer), although it is absent from the south side of the island and the remainder of the country. Indeed, Microdictyon is rare in much of the Caribbean, so this situation on Cayman Brac provides an opportunity to investigate the conditions that facilitate its distribution and dominance. The impact of herbivory, competition, nutrient input and other abiotic conditions were examined as factors that could influence the distribution and dominance of Microdictyon. While herbivory or nutrient input are frequently found to be key drivers of benthic community composition on coral reefs, here consumption of Microdictyon by herbivores was low, and thus, the alga was not subject to strong top-down control by herbivory. So, in this case, neither herbivore abundance nor feeding preference appeared to influence the distribution of Microdictyon. Nutrient input was also similar to both sides of the island suggesting nutrients played little role in differential distribution. But, in a controlled transplant experiment where Microdictyon was protected from herbivory and competition, it experienced almost complete mortality (93.3%) when transplanted to the south side, compared to only 11.8% mortality on the north. The south side was exposed to the strongest wave action 92% of the days in our study and was on average a slight, but significant 0.2°C warmer. Thus, these data suggest physical forcing (i.e. wave exposure) is the most likely factor dictating Microdictyon distribution. Conversely, a combination of reduced herbivory and increased competitive strength may explain the seasonal dominance of Microdictyon on the north side of Cayman Brac. Microdictyon was a competitive inferior to the other common algae in winter but increased in competitive strength to equal other species in summer. These results add to the literature on Microdictyon and on the forces impacting benthic community structure of coral reefs.     

珊瑚礁生态系统修复研究进展

健康的珊瑚礁生态系统具有造礁、护礁、固礁、防浪护岸、防止国土流失的功能。同时, 珊瑚礁生态系统生物多样性极高, 被称为海洋中的“热带雨林”。我国南海拥有200多个珊瑚岛、礁与沙洲, 是世界海洋珊瑚礁最丰富的区域之一。近年来, 由于全球气候变化和围填海等人类活动的影响, 珊瑚礁生态系统受到了不同程度的影响或破坏, 危及海洋生态与岛礁安全, 珊瑚礁生态系统的修复至关重要。本文对珊瑚礁生态系统的现状、修复方法及存在的问题进行了总结, 并在此基础上创新性地提出了基于系统的珊瑚礁多维生态系统修复模式并付诸实践, 以期提供更有效的珊瑚礁生态系统修复新方法。     

南海珊瑚岛礁遥感分类体系和解译标志

南海珊瑚岛礁远离大陆且面积较小,高分辨率遥感技术已成为大范围进行珊瑚岛礁监测的重要手段,而建立适用的遥感分类体系和解译标志是进行珊瑚岛礁遥感监测的基础。本文综合考虑珊瑚岛礁的形成机制、珊瑚礁形态和高分辨率遥感影像上珊瑚岛礁图斑的可解译程度等因素,制定应用于珊瑚岛礁高分遥感监测的分类体系,将珊瑚岛礁分为珊瑚岛、沙洲、干出珊瑚礁、珊瑚暗礁、珊瑚暗沙和珊瑚暗滩6个一级类型;并在现场调查数据的辅助下,从遥感影像上的色、形、位等特征方面建立珊瑚岛礁不同类型的遥感解译标志,结果可服务于南海珊瑚岛礁的动态监测,进而为珊瑚岛礁的保护、可持续利用和安全管理提供数据支撑。     

基于QuickBird影像上珊瑚礁发育状况监测实验研究

珊瑚礁生态系统具有很高的生物多样性和重要的生态功能。20世纪80年代以后全球范围内珊瑚礁的大面积退化引起了人们广泛的关注。利用高分辨多光谱QuickBird影像,基于珊瑚礁几何参数与发育指数对南沙典型岛礁发育进行遥感监测,在珊瑚礁体迎风面水域由破波形成的纹理特征表明了海面粗糙度与水下礁坪的发育特性。结果表明,南沙岛礁受地质与气候的影响发育程度不一,半月礁发育较好,发育指数为0.38,仙娥礁发育指数为0.27。建立几何参数等指标能够监测南沙珊瑚礁的发育状况,可对珊瑚礁的保护提供科学依据。     

Explaining island‐wide geographical patterns of Caribbean fish diversity: A multi‐scale seascape ecology approach

Geographical patterning of fish diversity across coral reef seascapes is driven by many interacting environmental variables operating at multiple spatial scales. Identifying suites of variables that explain spatial patterns of fish diversity is central to ecology and informs prioritization in marine conservation, particularly where protection of the highest biodiversity coral reefs is a primary goal. However, the relative importance of conventional within‐patch variables versus the spatial patterning of the surrounding seascape is still unclear in the ecology of fishes on coral reefs. A multi‐scale seascape approach derived from landscape ecology was applied to quantify and examine the explanatory roles of a wide range of variables at different spatial scales including: (i) within‐patch structural attributes from field data (5 × 1 m² sample unit area); (ii) geometry of the seascape from sea‐floor maps (10–50 m radius seascape units); and wave exposure from a hydrodynamic model (240 m resolution) for 251 coral reef survey sites in the US Virgin Islands. Non‐parametric statistical learning techniques using single classification and regression trees (CART) and ensembles of boosted regression trees (TreeNet) were used to: (i) model interactions; and (ii) identify the most influential environmental predictors from multiple data types (diver surveys, terrain models, habitat maps) across multiple spatial scales (1–196,350 m²). Classifying the continuous response variables into a binary category and instead predicting the presence and absence of fish species richness hotspots (top 10% richness) increased the predictive performance of the models. The best CART model predicted fish richness hotspots with 80% accuracy. The statistical interaction between abundance of living scleractinian corals measured by SCUBA divers within 1 m² quadrats and the topographical complexity of the surrounding sea‐floor terrain (150 m radius seascape unit) measured from a high‐resolution terrain model best explained geographical patterns in fish richness hotspots. The comparatively poor performance of models predicting continuous variability in fish diversity across the seascape could be a result of a decoupling of the diversity‐environment relationship owing to structural degradation leading to a widespread homogenization of coral reef structure.     

基于WorldView-2和GF-2遥感影像的赵述岛礁坪底质变化研究

以西沙群岛海域赵述岛礁坪为研究区域,应用2010年的WorldView-2和2015年的GF-2两期高分辨率卫星遥感影像数据,结合现场水下珊瑚礁照片和视频资料,建立了赵述岛礁坪底质类型遥感分类体系,分别构建了针对WorldView-2遥感影像和GF-2遥感影像的珊瑚礁底质分类决策树模型,并通过对两期遥感影像的底质类型提取结果的变化分析,完成了赵述岛礁坪退化区域的提取。结果表明:(1)WorldView-2影像的分类决策树具有91%的总体分类精度和0.89的Kappa系数,GF-2影像的分类决策树具有更高的分类精度;(2)6年期间研究区大约1/4的珊瑚礁分布区发生了退化;(3)最突出的自然变化是礁前区大面积的珊瑚丛生区转变成藻脊,结合相关资料认为东北季风、热带气旋和温度上升的综合影响是驱动因素;(4)赵述岛西侧的藻脊、珊瑚沉积区大面积转化为珊瑚砂和深水区域,原因是航道和码头的开发活动。研究分析了6年间赵述岛礁坪底质的退化状况,并分析原因,为珊瑚礁底质分类提供方法,并为西沙群岛的珊瑚礁监测和保护提供了有效资料和手段。     

南海珊瑚礁地貌模型研究

近200a前Darwin于1832-1836年间环球考察热带海洋珊瑚礁后,首次建立了珊瑚礁地貌模型并论述其形成机制,该模型总体形态呈全部或部分被上截了顶部的锥形,本文简称为"上截锥型"。此后历经几代学者的研究,都继承了他的珊瑚礁地貌模型。对南海珊瑚礁地貌模型的研究,近年有研究描绘为另外一种模型,该模型的特点是礁外坡为内凹形,礁体形态呈蘑菇状,本文称为"蘑菇型"。本文根据许多南海珊瑚礁地形实测资料和地貌学研究文献,确认南海珊瑚礁地貌模型应为上截锥型,"蘑菇型"珊瑚礁地貌模型并不符合珊瑚礁形成演化规律,在自然界内不存在。