《Coral Reefs》：Drone imaging can accurately assess coral cover, bleaching, and growth form for shallow coral reefs
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为应对珊瑚礁研究与监测需求在生物多样性热点地区的巨大缺口，研究人员利用无人机遥感技术，在第四次全球性珊瑚大规模白化事件期间，对比了无人机、公民科学（Reef Check）和科研级（照片样方）三种方法，评估了巴布亚新几内亚金贝湾不同礁型和深度下的硬珊瑚覆盖、白化与生长形态。研究发现，对于所有礁型的浅水礁冠，无人机可提供与水下方法同样准确的珊瑚覆盖、白化珊瑚覆盖及珊瑚生长形态数据，显著增强了在需求最迫切地区获取高质量珊瑚礁健康数据的可行性。
珊瑚礁是海洋中生物多样性最丰富的生态系统之一，但正面临全球气候变化和局部人为压力的严重威胁。及时的监测与管理对于珊瑚礁保护至关重要。然而，当前全球珊瑚礁研究与保护资源存在严重的地域失衡：像珊瑚三角区这样生物多样性最高、保护需求最迫切的地区，往往因地处偏远、经费不足而缺乏高质量的监测数据。传统的现场调查方法，如潜水样方，虽数据精确，但成本高昂、效率较低，难以在广阔且偏远的区域大范围、高频次开展。这导致管理者无法获取及时、高分辨率、特定地点的珊瑚礁健康信息，从而影响保护决策的时效性和有效性。在此背景下，寻求一种低成本、高效率、可扩展的监测方法，成为了解决这一矛盾的关键。
无人机，或称无人驾驶航空器(UAV)，作为一种新兴的遥感平台，因其部署灵活、成本相对较低、可快速获取高分辨率影像等优势，在环境监测领域展现出巨大潜力。但将其应用于珊瑚礁监测，尤其是生物多样性极高的偏远海域，其数据的准确性、以及对不同深度和礁型珊瑚群落的代表性，仍需通过系统性的实地对比研究来验证。为此，研究人员在巴布亚新几内亚的金贝湾开展了一项研究，旨在评估消费级无人机在珊瑚礁健康监测中的应用潜力与局限。
本研究发表在《Coral Reefs》期刊。研究人员在2023年至2024年第四次全球性珊瑚大规模白化事件期间，于金贝湾选取了近岸、岸礁和中架三种类型的9个珊瑚礁。他们在每个礁区的礁冠、5米、10米和15米四个深度，同步采用了三种方法进行数据采集：1）基于大疆Mini 2无人机的航拍影像；2）遵循Reef Check规程的点截线法(PIT)，这是一种常用的公民科学监测方法；3）科研级的照片样方法。通过采集的影像，研究人员利用Coral Point Count with Excel extensions (CPCe)软件对底栖生物进行分类，统计了硬珊瑚覆盖度、白化/苍白珊瑚覆盖度以及七种珊瑚生长形态（叶状、皮壳状、分支状、柱状、桌状、块状、菌状）的组成。研究运用了Beta回归模型(Beta GLMM)等统计方法，比较了不同方法在礁冠数据上的一致性，并分析了珊瑚群落参数随深度和礁型的变化规律。
比较无人机和水下方法
研究人员首先比较了三种方法在评估礁冠健康状况时的一致性。结果显示，在硬珊瑚总覆盖度和白化硬珊瑚覆盖度上，无人机方法与Reef Check点截线法、照片样方法均无显著差异，且变异系数相近。然而，在评估苍白珊瑚覆盖度时，无人机数据显著高于照片样方法，研究人员认为这可能是由于水下与空中光照条件差异导致的判读偏差。在评估珊瑚生长形态组成方面，无人机和照片样方法均能准确捕捉到不同礁型间生长形态构成的显著差异。例如，在礁冠处，近岸礁以块状珊瑚为主（占珊瑚覆盖的66.8%），岸礁以皮壳状珊瑚为主（52.2%），而中架礁则以分支状珊瑚为主（41.4%）。两种方法报告的这些差异模式是一致的。
评估不同深度间的变化
为了解无人机可观测的浅水区域是否能代表更深区域，研究人员利用照片样方法数据分析了珊瑚参数随深度（1.5米至15米）的变化。结果显示，硬珊瑚总覆盖度在不同深度间无显著差异。然而，珊瑚健康状况和群落结构则表现出明显的深度分带。白化和苍白珊瑚的覆盖度在礁冠处最为严重（分别占总珊瑚的11%和24%），并随深度增加显著下降，至15米深处已不足1%。相反，健康珊瑚的比例随深度增加而上升。珊瑚生长形态的组成也随深度和礁型发生显著变化。例如，叶状和皮壳状珊瑚的比例随深度增加呈上升趋势，而块状珊瑚的比例则下降。更重要的是，不同礁型间珊瑚群落结构（以生长形态衡量）的差异在礁冠处最为显著，并随深度增加而减小。
综合研究结果，本文得出了明确结论：在评估浅水珊瑚礁（特别是礁冠区域）的硬珊瑚覆盖度、白化珊瑚覆盖度及珊瑚生长形态组成方面，使用消费级无人机（大疆Mini 2）获取的数据与常规水下监测方法（Reef Check和照片样方）具有高度一致性和可比性。这表明无人机可以作为一种准确、可靠的工具，用于珊瑚礁关键健康指标的快速监测。此外，研究发现，尽管不同深度的总珊瑚覆盖度可能相似，但珊瑚白化的主要压力和群落结构的最大变化都集中在最浅的礁冠区域。这意味着无人机监测所聚焦的浅层区域，恰好是环境压力（如热胁迫导致的白化）效应和群落变化信号最强烈的区域，因此其数据对于及时预警和评估珊瑚礁所受冲击具有高度的代表性和重要性。
这项研究的讨论部分进一步强调了其重要意义。首先，在珊瑚三角区这样的生物多样性热点和监测薄弱区，无人机技术为大幅提高高质量珊瑚礁健康数据的可及性、时空覆盖范围和监测效率提供了可行方案。其低成本、易部署的特点，使得在偏远地区开展大范围、高频次的监测成为可能，有助于弥补全球珊瑚礁研究的地域不均衡。其次，研究揭示了在像金贝湾这样水动力较弱的区域，近岸礁可能因陆源输入（如沉积物和营养物质）承受更大压力，表现为更高的苍白珊瑚比例和更单一的群落结构（优势种为更耐受的块状或皮壳状珊瑚）。这凸显了结合本地化压力源信息进行管理的必要性。最后，面对日益频繁和严重的全球性珊瑚白化事件，本研究证实无人机能够有效捕捉白化的空间范围和严重程度，以及由此引发的群落结构变化趋势，为珊瑚礁管理者提供了及时、科学的数据支持，以制定更具针对性的保护与恢复策略。总之，该研究为利用低成本、可扩展的遥感技术加强全球珊瑚礁，特别是最需要保护地区的监测网络，提供了有力的实证依据和技术路径。
