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user: 3. 结果与讨论 3.1. 南极帝企鹅栖息地常见地物光谱曲线特征 南极帝企鹅栖息地常见地物包括花岗岩、砂岩、玄武岩、积雪和水体等(图6)，粪便光谱曲线来自Landsat-8数据波段1~7，其他地物光谱数据来自ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection)光谱数据库。水体整体反射率较低，积雪在可见光波段反射率明显高于其他地物，且随波长增加呈整体下降趋势。砂岩反射率波动较大，而花岗岩和玄武岩光谱曲线较为平缓，积雪反射率变化幅度较大。与其他地物相比，帝企鹅粪便具有典型的光谱特征，在绿色波段存在一个明显的波谷，近红外波段存在一个明显的波峰。采用指数阈值法提取帝企鹅栖息地，对原始Landsat-8真彩色影像进行目视解译，发现裸岩边缘像元易被误分为帝企鹅栖息地。 图6. 南极帝企鹅栖息地常见地物光谱曲线。其中，帝企鹅粪便光谱信息来自Landsat-8数据，其他光谱信息来自ASTER光谱数据库 3.2. 基于Landsat提取的裸岩和帝企鹅栖息地光谱特征分析 帝企鹅粪便样本光谱反射率值在各个波段存在较大差异，但总体具有相似的光谱特征(图7)。绿色波段反射率存在明显的波谷，谷值介于0.44~0.72，近红外波段反射率存在明显的波峰，峰值介于0.61~0.77。近红外波段与中红外波段之间反射率差值较大，存在一个陡坡，这是帝企鹅粪便有别于其他地物的典型光谱特征。对每个样本内混合像元反射率求均值最终得到裸岩-积雪混合像元光谱曲线。裸岩样本光谱曲线与帝企鹅粪便光谱曲线存在相似性，在近红外波段存在波峰，绿色波段存在一个波谷，近红外波段和中红外波段之间差值较大。 图7. 典型帝企鹅栖息地粪便(a)和裸岩(b)光谱曲线图及罗斯海地区裸岩光谱曲线图。其中，红色曲线为帝企鹅粪便样本均值光谱曲线 统计6个积雪–裸岩样本与企鹅粪便均值对应波段反射率差值，对于每个裸岩样本，每个波段至少有一个反射率差值小于0.1 (表1)。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(图8)。积雪–裸岩样本和帝企鹅粪便光谱相关性最高达到0.96。调整NDII值，当EI > 0且NDII介于0.4和0.8之间时，八个帝企鹅栖息地粪便阈值提取样本占粪便样本数的比例均达到50%，六个积雪–裸岩样本被误提取为粪便的像元分别占裸岩样本的比例分别为5%、2%、27%、6%、41%、41% (表2)。六个积雪–裸岩样本均有像元被误提取企鹅粪便，提取分析帝企鹅栖息地时，会存在积雪–裸岩样本的干扰。 Table 1 The difference between the mean value of penguin feces and six bare rock samples， the table is the value that mean value of penguin feces minus snow and bare rock mixed sample 名称 波段1 波段2 波段3 波段4 波段5 波段6 波段7 R1 0.10 0.12 0.15 0.17 0.25 0.03 0.01 R2 0.17 0.13 0.03 −0.08 −0.11 −0.45 −0.47 R3 0.11 0.09 0.04 −0.02 −0.01 −0.22 −0.25 R4 0.15 0.12 0.05 −0.04 −0.06 −0.38 −0.39 R5 0.14 0.13 0.12 0.12 0.18 −0.05 −0.07 R6 −0.02 −0.06 −0.13 −0.20 −0.21 −0.26 −0.26 表1. 企鹅粪便均值与6个积雪–裸岩样本对应波段差值，表中数值为粪便均值减去积雪–裸岩样本值 图8. 积雪–裸岩样本与帝企鹅粪便光谱相关性分析 Table 2 Classification results of habitat samples of emperor penguins and naked rock samples from the Ross sea are 名称 粪便像元(个) 裸岩像元(个) CI CW CR AC DL LC GB SI R1 R2 R3 R4 R5 R6 实际样本数量 58 61 68 41 93 51 39 30 906 606 635 632 707 662 提取样本数量 58 61 64 38 89 50 21 19 49 10 172 38 287 273 表2. 罗斯海地区帝企鹅栖息地样本和罗斯海地区裸岩样本分类结果 裸岩边缘与积雪的混合像元与帝企鹅粪便光谱曲线相似，这些像元容易被误分为帝企鹅粪便像元。为了说明积雪对裸岩光谱的影响，实验调整积雪和裸岩混合比例，拟合混合像元光谱曲线的变化。从ASTER光谱库中获取积雪和花岗岩，玄武岩，砂岩的光谱曲线，同时从选取的影像 LC08_L1GT_061113_20181014_20181030_01_T2中选择相对纯净的积雪像元和裸岩像元样本，绘制裸岩和积雪光谱曲线。假设积雪在混合像元中所占比例以10%为间隔进行变化。尽管相对纯净的裸岩和积雪光谱曲线与企鹅粪便光谱差异较大，但二者混合后的光谱曲线可能与企鹅粪便的光谱曲线相似(图9)。同时对比标准光谱库中的裸岩和积雪混合光谱曲线，三类岩石和积雪按不同比例混合时光谱曲线存在较大的差异性。以上结果分析表明，当特定裸岩与积雪形成混合像元时，其对于帝企鹅栖息地的精确识别干扰较大，这种干扰存在较大的不确定性。 图9. 基于ASTER数据库和Landsat-8影像提取的不同积雪和裸岩混合比例的光谱特征分析。其中红色曲线为帝企鹅粪便样本均值光谱曲线 3.3. 环南极裸岩对帝企鹅栖息地的影响 利用EI > 0和0.4 < NDII < 0.8的阈值参数，对环南极六个栖息地粪便和裸岩样本进行分类。Cape Crozier和Haswell Island两个栖息地没有像元被识别为粪便，分析样本发现EI值小于0，粪便像元可能混合有积雪和冰。利用同样的指数阈值对相应的6个裸岩样本进行分类，裸岩样本A、B、C、E、F均有裸岩样本被提取为粪便，比例分别为29%，80%，51%，0%，68%，2%，同时注意到裸岩样本D被提取为粪便的样本个数为0 (表3)。同一指数阈值，不同区域的裸岩样本被提取为粪便的个数存在显著的差异。 Table 3 The classification results of bare rock in 6 randomly selected habitats and adjacent area 名称 粪便像元(个) 裸岩像元(个) CC CR CW CI DB HI A B C D E F 实际样本数量 33 68 61 58 28 12 163 90 142 82 99 53 提取样本数量 0 64 61 58 10 0 47 72 73 0 67 1 表3. 随机选取的6个栖息地及邻近区域裸岩分类结果 本研究目视解译识别了环南极42个帝企鹅栖息地，与历史资料比较有12个帝企鹅栖息地未识别，6个栖息地附近存在大量裸岩(图10)。利用指数阈值法进行南极帝企鹅栖息地提取存在较大干扰，且考虑到栖息地面积相对较小，自动识别存在较大困难，需结合高分辨遥感数据进一步核实裸岩干扰严重区域的企鹅栖息地分布情况。 图10. 环南极帝企鹅栖息地分布图。绿色圆点代表帝企鹅栖息地，红色三角形色代表选取的裸岩样本所在区域，棕色代表南极裸岩分布状况 3.4. 裸岩对企鹅栖息地遥感信息提取的不确定性分析 与历史高分数据结果一致，本研究结果也发现部分帝企鹅栖息地位于冰架上，如Shackleton Ice Shelf [ 25 ]，存在一些帝企鹅栖息地由于影像分辨率等问题难以分辨，如Larsen Ice Shelf。在近期的遥感影像中发现，部分历史资料中提及的帝企鹅栖息地可能消失或无法找到，尽管这些帝企鹅栖息地受裸岩干扰较小，如Umbeashi Rock。随着全球气候变暖，冰架崩解形成的冰山可能阻碍帝企鹅进海觅食，严重会造成企鹅饿死或迁徙到别处，因而无法从遥感影像上提取这些帝企鹅栖息地。 采用Landsat-8数据获取裸岩和帝企鹅粪便样本，积雪的干扰难以避免。帝企鹅粪便的光谱曲线和纯净裸岩的光谱曲线均受积雪影响，存在误差。Cape Crozier和Haswell Island两个栖息地可能由于积雪和固定冰的影响表现出光谱差异(表3)。此外与帝企鹅粪便光谱特征相似的裸岩种类存在不确定性。结合罗斯海区域裸岩分类结果 [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]，南极裸岩种类多样，与企鹅粪便的光谱相似性存在差异，实际裸岩的性质需要进一步分析。下一步工作采用光谱仪实地测量更为精确的帝企鹅粪便光谱曲线 [ 29 ]，分析基于帝企鹅粪便光谱信息识别帝企鹅栖息地可能存在的问题及需要改进的地方。研究使用数据为2018年9~10月份，月份不同，年份不同，裸岩的裸露情况不同，帝企鹅栖息地附近裸岩的干扰情况也会发生改变，实验选择六个典型的裸岩干扰区域，实际上存在一些岛屿被积雪覆盖，特别是一些面积较小的裸岩区域，当积雪融化时，岛屿上裸岩对栖息地的影响有待进一步分析。 高分辨率卫星数据、航空数据、无人机数据等均被应用到南极企鹅栖息地面积识别及企鹅数量监测 [ 13 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 21 ]。南极夏季冰雪融化导致裸岩区域扩大，其对于高分辨率数据识别企鹅栖息地及企鹅数量的影响需要进一步研究。目前国内对南极企鹅开展的相关研究依然较少，国外已经完成了环南极帝企鹅和阿德利企鹅栖息地制图，并根据面积回归估算了环南极帝企鹅和阿德利企鹅数量 [ 5 ] [ 8 ] [ 10 ] [ 13 ]。帝企鹅栖息地识别研究目前集中在已有栖息地位置的更新和新栖息地的识别，已有栖息地位置的更新依据已经发现的历史栖息地点位信息，新栖息地的识别主要在南极沿岸固定冰边缘区域进行目视解译，新发现栖息地可以依据高分辨率数据进行确认。随着我国极地专题卫星的发射，本研究识别出的2018年环南极帝企鹅栖息地位置分布，将为我国开展南极企鹅相关研究提供参考数据。