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Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路

日期: 2026-06-15
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 Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路

研究背景:高分辨率监测的必要性与现实瓶颈

浅海生态系统是海岸防护、生物多样性维持和生态服务供给的重要基础。水深信息和底栖生境分布,是认识浅海生态格局、评估环境变化和制定保护策略的关键数据。过去,水深与底栖信息主要依靠实地勘测获取,该方式成本高、效率低,难以满足大范围、高频次和精细化监测需求。遥感技术为浅海制图提供了新路径:卫星多光谱影像覆盖广、连续性强,无人机高光谱影像则兼具厘米级空间细节和丰富光谱信息。尽管已有研究推动了卫星与无人机平台在浅海测绘中的融合应用,但一个核心问题仍待明确:在浅海水体监测中,空间分辨率与光谱分辨率究竟如何影响制图精度?

围绕这一问题,西班牙拉斯帕尔马斯大学海洋学与全球变化研究所的团队近日在《Scientific Reports》发表研究,系统比较了无人机高光谱、卫星多光谱和RGB影像在浅海水深反演与底栖生境制图中的表现。该研究为海岸带生态监测中的平台选择、数据配置和方法优化提供了重要参考。

 Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路

 图1.研究区域:(a) Las Canteras海滩位于西班牙加那利群岛拉斯帕尔马斯市内。(b) Las Canteras海滩的航拍照片。

 Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路

 

图2.本研究在Las Canteras海滩检测到的主要海洋植被:(a) 小片死亡的Cymodocea nodosa,(b) 须状Cymopolia barbata,(c) 伴生有须状Cymopolia barbata的死亡Cymodocea nodosa,(d) Dictyotales sp,(e) 丝状红藻,以及 (f) 包含各类植被的区域。

研究方法:控制变量下的系统比较

(1)研究区域:西班牙大加那利岛拉斯帕尔马斯市Las Canteras海滩,主要物种包括:Cymodocea nodosa, Cymopolia barbata, Dictyotales sp, 丝状红藻等;

(2)光谱数据来源:

无人机高光谱数据:Resonon Pika L高光谱成像仪(97波段,398–800 nm);

Resonon Pika L光谱参数:

光谱范围:400-1000 nm;

空间通道数:900;

光谱通道数:281;

光谱分辨率:2.7 nm;

卫星数据:WorldView-2(8波段,2 m分辨率);

RGB数据:GoPro Hero 10(3波段);

为了开展受控的空间—光谱分辨率实验,作者并没有简单地将无人机影像和卫星影像直接对比,而是以无人机高光谱影像作为统一数据源,模拟生成6组控制变量影像;

(3)实测数据来源:

水深参考数据:采用当地市政部门多波束测深仪实测数据;

底栖生境参考数据:2023年10月开展实地勘测,布设39个监测点;

(4)数据处理:整体技术流程分为影像预处理、水深与底栖生境测绘、精度评价三大模块,软件搭配:地理配准、出图使用ArcGIS Pro;大气校正采用Python编写的6S 大气模型;其余预处理、模型训练、精度计算基于MATLAB实现;

 Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路

 

图3.水深图:涉及多平台与多算法的研究,涵盖不同的空间分辨率(10 cm和2 m)及光谱分辨率(97、8和3个波段)。

表1.评估测深图:MAE、RMSE和经调整的R2。

 Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路 

 

图4.底栖生境图:涉及多平台与多算法的研究,涵盖不同的空间分辨率(10 cm和2 m)及光谱分辨率(97、8和3个波段)。

  Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路

图5.基于模型、空间分辨率及光谱分辨率,对海底类型制图中各类别平均准确率进行的比较研究。

表2.基于五种分类及10 cm空间分辨率影像的底栖生境图评估:准确度与Cohen’s Kappa系数。

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 Resonon | 无人机高光谱与卫星多光谱协同:浅海水深与底栖生境制图新思路 

图6.无人机飞行重叠区域的植被演变。

研究结果:浅海遥感制图精度对比

高光谱精度最高,适用于精细化生态调查、物种细分、科研级监测;

多光谱数据在精度与分辨率之间实现极佳平衡,适用于区域常态化海岸监测、大范围水深测绘;

RGB数据可基本满足水深反演需求,在复杂生境下的底栖分类结果可靠性较差;

空间分辨率主要影响图斑细节,对水深精度影响有限;

底栖生境分类更依赖光谱信息,RGB影像局限明显;

2016—2023年间研究区海洋植被呈下降趋势;

结语

研究表明,浅海生态遥感监测并非单纯追求更高分辨率,而是需要根据监测目标合理选择影像配置。高光谱适合精细识别,多光谱更利于区域化应用,RGB则可作为低成本快速调查手段。未来,随着无人机高光谱、卫星多光谱与机器学习方法的进一步融合,浅海监测有望实现更高频、更精细、更业务化的应用,为海洋植被退化识别、底栖生境保护和海岸带精细化管理提供更可靠的数据支撑。

发表期刊:scientific reports【影响因子:3.9】

研究单位:西班牙拉斯帕尔马斯大学海洋学与全球变化研究所

研究地点:西班牙大加那利岛拉斯帕尔马斯市Las Canteras海滩

使用设备:Resonon Pika L高光谱成像仪

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38166-7


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