综述：线截距样带法、水下照片样带、水下三维摄影、无人机与卫星影像在珊瑚礁调查中的比较

《Egyptian Journal of Aquatic Research》：Comparison of line intercept transect method, underwater photo transect, underwater 3D photo, drone, and satellite imagery in coral reef survey

　　

珊瑚礁的精确监测依赖于能够跨尺度捕获生态、结构与空间变异性的监测方法。本研究旨在对线截距样带法（Line Intercept Transect, LIT）、水下照片样带（Underwater Photo Transect, UPT）、水下三维摄影测量、无人机（Unmanned Aerial Vehicles, UAVs）以及 Sentinel-2 影像进行定量比较。研究人员在印度尼西亚吉利拉巴克岛（Gili Labak）和吉利根廷岛（Gili Genting）开展了野外调查。LIT 与 UPT 所估算的珊瑚覆盖度存在显著差异（p = 0.049）；其中，在吉利根廷岛，LIT 的估计范围为 13.31–64.9%，UPT 为 14.1–72.0%；在吉利拉巴克岛，LIT 为 46.0–72.3%，UPT 为 45.5–84.5%。水下三维摄影测量在生物量估算方面表现出较高预测精度（R² = 0.8869–0.9149；RMSE 17.7–23.9%）。基于 UAVs 的分类在极高空间分辨率（2.08 cm/pixel）下获得了较高可靠性（overall accuracy 83%；Kappa 0.79）。与此同时，由于分辨率较粗（10–20 m），Sentinel-2 分类表现为中等水平（overall accuracy 63%；Kappa 0.49），其珊瑚覆盖度估计为 20.5–27.6%。水下三维摄影测量在结构特征与生物量估算方面提供了最高精度，UAVs 在站点尺度制图中提供了最优空间分辨率；同时，尽管精度较低，卫星影像仍最适用于大尺度监测。本研究的新颖性在于对多尺度方法进行了定量集成，从而衔接了原位（in situ）调查数据与遥感数据。

Introduction

文章引言部分围绕珊瑚礁监测技术的比较框架展开。研究首先指出，珊瑚礁是海洋中生物多样性最高的生态系统之一，兼具渔业支持、海岸防护、旅游服务与蓝碳储存等多重生态系统服务功能。然而，在破坏性捕捞、海岸开发、污染以及海洋增温和酸化等气候变化胁迫下，珊瑚礁退化、生物多样性下降与生态系统恢复力减弱已成为全球性问题。因此，构建准确、可比且可扩展的珊瑚礁监测体系，是生态管理与保护规划的关键基础。

在监测目标层面，论文强调珊瑚礁调查不仅需要估计活珊瑚覆盖率，还需刻画底栖覆盖组成、栖息地空间分布及结构复杂度。活珊瑚覆盖度常作为礁体健康状况的核心指标，但仅依靠单一指标无法完整反映珊瑚礁生态状态，因此监测方法的选择必须兼顾空间尺度、分类精度、结构信息和时序可重复性。

随后，作者系统梳理了五类典型方法的技术背景与适用性。线截距样带法（Line Intercept Transect, LIT）因方法简单、成本较低、便于长期序列监测而被广泛采用，可直接沿样带记录底栖生物覆盖长度并识别至属或种水平；但其局限在于受观察者偏差影响较大、空间覆盖有限，且无法反映珊瑚礁三维结构。水下照片样带（Underwater Photo Transect, UPT）通过标准化拍摄与图像判读降低了主观性，提升了档案保存与重复分析能力，但仍受成像质量、水体透明度及图像处理工作量制约。水下三维摄影测量依托运动恢复结构（Structure-from-Motion, SfM）实现高分辨率三维重建，可量化表面复杂度、体积与生物量，但对水下光照、重叠度、透明度以及计算资源和专业技能要求较高。

在遥感方法方面，引言指出无人机（UAVs）可在浅水区提供厘米级空间分辨率，适合站点尺度珊瑚礁制图，并能与机器学习分类结合提高栖息地判别精度，但其效果仍受到水深、浪面反射、天气与水体光学条件影响。相较之下，Sentinel-2 等卫星遥感具有更强的大范围覆盖与多时相观测能力，适用于白化事件和长期退化趋势监测，但中等空间分辨率限制了其对细尺度珊瑚结构和属级分类的识别能力，必须辅以地面数据校验。

基于上述背景，论文明确提出研究目的：对 LIT、UPT、水下三维摄影测量、UAVs 与 Sentinel-2 影像进行综合比较，从数据类型、操作需求、时间成本、局限性、适用范围与重复性等维度评估其在珊瑚礁监测中的优势与不足，并探索连接原位调查与多尺度遥感的集成化框架。

Methods

方法部分说明了研究区、调查流程与统计分析框架。研究区域位于印度尼西亚东爪哇省苏门答腊县周边的吉利拉巴克岛和吉利根廷岛珊瑚礁生态系统。LIT、UPT 以及水下三维摄影测量的野外调查时间为 2023 年 10 月至 2024 年 8 月；UAVs 航测于 2025 年 9 月实施；Sentinel-2A 卫星影像获取日期为 2025 年 8 月 14 日。作者选择这五种方法，旨在覆盖从原位生态测量到高分辨率航空制图及区域尺度卫星监测的不同观测层级。

LIT 方法中，潜水员沿礁体平行布设 50–100 m 样带，直接记录各类底栖生物与样带线的截交长度，并据此计算各类群覆盖率。该方法能够产生标准化的底栖覆盖数据，必要时辅以水下视频以改善记录质量。UPT 方法则在 3–10 m 水深范围布设 50 m 样带，每隔 1 m 拍摄 1 张照片，共获得 50 张图像，每张图像对应约 58 × 44 cm² 的取样框。图像后续使用 Coral Point Count with Excel extensions（CPCe）软件进行随机点判读，以估算珊瑚及其他底质类型的比例覆盖度。作者特别指出，UPT 生成的是二维（2D）影像，因此不适于三维重建。

水下三维摄影测量采用 SfM 工作流，沿平行航迹采集具有 70–80% 纵横向重叠的多视角图像，并使用 Agisoft Metashape 软件生成稠密点云、数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）和纹理化三维网格。由此可提取表面复杂度、崎岖度与珊瑚群体体积等结构参数。该方法在两个尺度上实施：一是约 0.5 × 0.5 m 的小尺度样方，用于精细群体分析；二是约 2 × 10 m 的较大区域，用于栖息地尺度结构评估。

UAVs 监测采用搭载 RGB 传感器的多旋翼无人机，在距海平面 50–100 m 高度飞行，获取厘米级空间分辨率影像。飞行设计保证前向约 80%、旁向约 70% 的重叠率，之后使用 SfM 处理生成正射镶嵌图与数字表面模型。栖息地分类采用监督分类中的最大似然（Maximum Likelihood）算法，并结合现场验证点识别珊瑚、藻类、砂地、砾石等类型。

卫星遥感部分采用 Sentinel-2A 多光谱影像。预处理包括大气校正、水柱校正与太阳耀斑去除，然后通过遥感分类方法进行底栖栖息地识别。作者同时指出，虽然文中提及了面向对象影像分析（Object-Based Image Analysis, OBIA）、随机森林（Random Forest）及监督分类等常见方法，但本研究核心是利用 Sentinel-2 进行较大尺度栖息地覆盖制图，并通过现场数据与 UAVs 数据支持解释和验证。

为实现跨方法比较，作者将不同来源数据统一标准化为可比生态指标。LIT 和 UPT 统一转换为活珊瑚覆盖率，并尽可能在相同样带长度（50 m）与观测水深（3–10 m）条件下同步采样。二者差异采用双尾配对思路进行显著性检验，正态性与方差齐性分别通过 Shapiro–Wilk 检验与 Levene 检验评估。三维摄影测量结果则通过回归分析，与基于阿基米德排水法获得的参考体积和重量进行标定，评价指标包括决定系数 R² 与均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）。UAVs 和 Sentinel-2 分类结果则借助 GIS 与遥感技术处理，并利用总体精度（overall accuracy）、混淆矩阵与 Kappa 系数进行精度验证。

Results

结果表明，五种方法在活珊瑚覆盖度、结构复杂度及生态信息维度上表现出显著差异。LIT 调查显示，吉利根廷岛活珊瑚覆盖率为 13.31%–64.9%，空间异质性明显；吉利拉巴克岛为 46.0%–72.3%。UPT 得到的覆盖度通常略高于 LIT：吉利根廷岛为 14.1%–72.0%，吉利拉巴克岛为 45.5%–84.5%。按礁体健康指数（Reef Health Index, RHI）判断，多数站位可归入“良好”状态，但也存在低覆盖度站点，提示局部退化。

统计检验结果显示，两组数据均满足正态性和方差齐性假设，而 LIT 与 UPT 之间在珊瑚覆盖率估计上存在显著差异（p = 0.049）。这说明两者尽管揭示了相似的空间变化格局，但在具体数值估计上并不完全一致。作者将这种差异归因于采样方式差别、观察者偏差，以及 UPT 图像法具有更高空间解析能力。物种组成方面，两地均记录到较丰富的珊瑚类群，以鹿角珊瑚属（Acropora）、鸟巢珊瑚属（Pocillopora）、细枝珊瑚属（Seriatopora）和棘杯珊瑚属（Echinopora）等分枝型与亚块状类型为主。

水下三维摄影测量在体积与生物量估算上表现突出。珊瑚体积与重量的换算模型分别为 y = 0.532x + 208.6（n = 33, R² = 0.8869）和 y = 1.0638x ? 60.116（n = 43, R² = 0.9149），表明摄影测量值与参考测量值具有较强线性关系。对应的 RMSE 分别为 299.2 mL（23.9%）和 262.1 g（17.7%），显示该方法在生物量预测方面具有较高准确性。吉利拉巴克岛 0.5 × 0.5 m 样方的平均估算体积和重量分别为 1012.5 mL 和 747.2 g；吉利根廷岛分别为 1758.4 mL 和 1144.1 g。在 2 × 10 m² 的较大调查范围内，估算总体积达到 396,406 mL，对应重量约 800,565 g，即约 0.8 t。作者同时指出，该回归模型主要依据分枝型和亚块状珊瑚建立，对块状或被覆状生长型的适用性有限。

UAVs 调查在吉利拉巴克岛约 ±0.12 km² 范围内实现了高分辨率珊瑚礁栖息地制图，空间分辨率达 2.08 cm/pixel，可支持到属级的视觉识别。分类结果共涉及 10 个类别，其中包括 Acropora、Diploria、Mycedium、Porites、Stylopora 以及藻类、砾石、砂地、死珊瑚和深水。若归并为四大类，则珊瑚覆盖约 43.3%，砾石 19.9%，砂地 25.9%，死珊瑚 10.8%。基于地面控制点和现场验证的最大似然分类精度达到 overall accuracy 83%、Kappa 0.79，表明 UAVs 制图与实地数据具有较强一致性。

Sentinel-2A 影像则在大尺度底栖栖息地分布制图中发挥作用。分类后主要划分为珊瑚、死珊瑚、砾石和砂地四类。在吉利根廷岛，珊瑚面积为 229.0 ha（27.6%）；在吉利拉巴克岛，珊瑚面积为 17.7 ha（20.5%）。总体上，Sentinel-2 结果显示珊瑚覆盖估算范围约为 20.5%–27.6%。然而，受 10–20 m 空间分辨率限制，该方法无法进行属级识别，只能支持活珊瑚与死珊瑚等较粗类别区分。其分类精度为 overall accuracy 63%、Kappa 0.49，说明与现场验证数据的一致性为中等水平。

Discussion

讨论部分强调，没有任何单一方法能够完整刻画珊瑚礁生态系统的复杂性，各方法在空间尺度、测量维度和分析目标上具有明显互补性。LIT 作为传统方法，仍凭借操作简便、成本低、便于与长期监测资料接轨而具有重要价值，但其一维采样特征决定了其难以反映空间异质性与三维结构。UPT 通过图像档案和 CPCe 分析增强了结果重现性并降低主观性，但受水体透明度、图像质量和处理耗时影响，在大范围应用上效率有限。

相较之下，水下三维摄影测量显著拓展了监测维度，不仅能够重建珊瑚群体形态，还可进一步估算结构复杂度和生物量。高 R² 和较低 RMSE 支持了其作为精细生态分析工具的可靠性。但作者审慎指出，该方法对环境条件、图像重叠度和后处理能力高度敏感，而且其体积—重量转换模型依赖于特定形态珊瑚的标定样本，因此跨礁区、跨生长型推广仍需更充分校准。

在较大空间尺度上，UAVs 与卫星遥感提供了不可替代的补充能力。UAVs 可在浅水区快速获取超高分辨率影像，在站点尺度上兼顾空间覆盖与分类细节，是连接原位调查与区域遥感的重要桥梁。其不足在于仍受水深、海面反射和气象条件影响。Sentinel-2 则更适合开展区域尺度、多时相和长期动态监测，对白化、退化等大尺度过程具有现实应用价值，但其光谱信息受大气、水柱和浑浊度影响较大，且中等分辨率难以解析细尺度礁体结构，因此必须借助更高分辨率数据进行校正和解释。

作者进一步从方法学与运行层面对多方法集成进行了归纳。LIT 与 UPT 提供高分类分辨率的原位“真值”数据；三维摄影测量提供结构与生物量信息；UAVs 实现高精度空间制图；卫星影像支撑大范围时序监测。从成本与效率看，LIT 和 UPT 设备需求较低，但三维摄影测量和 UAVs 需要更高的设备、软件和人员技术投入；卫星数据虽然开放获取且适于大尺度应用，但处理与验证同样需要遥感专业能力。因此，珊瑚礁监测设计应在成本、精度、空间覆盖与生态解释力之间进行权衡。

此外，论文指出，尽管本研究已开展综合比较，不同方法之间真正意义上的跨尺度验证仍然有限。三维摄影测量产生的是细尺度结构数据，而卫星影像提供的是像元尺度分类结果，两者之间缺乏直接可比性。未来研究应发展标准化的跨尺度校准框架，建立连接 in situ、UAVs 与卫星数据的模型，以降低多源数据集成中的不确定性，并提高珊瑚礁监测结果的一致性和可推广性。

Conclusion

结论部分认为，五种方法在空间分辨率、测量维度和分析能力上的差异决定了其均无法单独完成对珊瑚礁生态系统的全面表征。LIT 与 UPT 适用于细尺度生态覆盖调查，水下三维摄影测量在结构复杂度和生物量估算方面表现最佳，UAVs 最适于高分辨率站点尺度制图，而 Sentinel-2 最适合大范围、多时相监测。LIT 与 UPT 之间存在显著统计差异，说明方法标准化对于跨研究比较至关重要。总体而言，本文提出的多方法集成框架为构建兼具精度、尺度扩展性与监测一致性的珊瑚礁监测体系提供了实证依据，也为在环境压力持续增强背景下开展数据驱动的保护决策与适应性管理奠定了方法基础。