环礁典型地貌单元形态重构与分类方法研究

王 琦

山东建筑大学测绘与地理信息学院，山东 济南 250101

全球环境变化和人类活动的强烈扰动使珊瑚礁生态系统正面临着可持续发展的巨大压力。目前，利用以光学遥感为主的被动遥感技术对远海珊瑚礁地貌进行监测是研究珊瑚礁生态系统变化的主要技术手段。由于大气和海水对辐射信息的衰减作用，被动遥感技术还不足以记录水下复杂的珊瑚礁地貌信息。机载激光雷达、船载声学遥感等主动遥感技术的发展则为水下珊瑚礁大范围高精度地貌信息的获取提供了重要支持。基于珊瑚礁主动遥感地貌监测数据来获取复杂的珊瑚礁地貌特征参数，可以更为全面、准确地揭示珊瑚礁生态系统状态的变化。但目前关于珊瑚礁地貌主动遥感的研究还比较薄弱，尤其是在珊瑚礁地貌形态模拟与分类方法研究方面还比较少，还不足以为具有多尺度、多层级关系和强空间变异性等复杂特性的珊瑚礁地貌特征参数提取提供方法支持。

论文针对珊瑚礁的复杂特性，聚焦于南海主要珊瑚礁类型-环礁，以环礁典型地貌单元礁坪、泻湖为研究对象，基于主动遥感技术获取的研究区地貌监测数据，开展了环礁典型地貌单元形态重构与分类方法的研究。主要内容如下：

(1)高密度的环礁地貌主动遥感监测数据对于连续地貌形态表面建模造成不便，提出了一种顾及局部形态单元三维刻画完整性的地貌监测数据简化方法。通过建立环礁局部地貌形态复杂度模型量化数据点的重要性实现数据简化。在同等精度控制条件下该方法对地貌主动遥感监测数据的简化程度高于已有方法，并且在地貌形态特征信息保留方面优于已有方法，有利于降低地貌形态重构的精度损失。

(2)环礁地貌具有“宏观环状分带，微观异质破碎”的尺度分异特征，对常用表面建模方法在环礁地貌形态重构中的适应性进行了分析。分别从数值精度和属性精度的角度建立了形态精度评价指标体系。评价结果表明：在环礁地貌形态重构中普通克里金插值和径向基函数插值优于反距离加权插值和局部多项式插值；普通克里金插值更适应于环礁地貌形态表面重构，但对复杂的环礁地貌形态表面的空间变异估计还存在不足。

(3)针对普通克里金插值在环礁地貌形态重构中空间变异估计不足的问题，提出了一种修正普通克里金插值方法。通过转换全局分布参数来提高全局变异程度，同时通过局部残差修正来降低局部精度损失。试验结果表明：与已有修正方法相比，该方法能够更好地反映区域变量的空间结构特征，并且局部精度更高；该方法所重构环礁地貌形态精度优于普通克里金插值，可以作为一种更为可靠的建模方法用于珊瑚礁复杂地貌形态重构。

(4)针对具有多层级关系特征的珊瑚礁复合地貌形态类型划分的问题，提出了一种基于空间组成结构的地貌形态边界位置推断与分类方法。利用环礁各地貌形态类型之间的空间组成结构信息差异和空间拓扑关系，实现地貌形态类型的划分。试验结果显示：试验区地貌形态类型分类总体精度为94%，Kappa系数为0.91，可以获得较为理想的环礁地貌单元形态分类分布。