遙感水邊線技術(shù)在潮間帶沖淤分析研究中的應(yīng)用

張明，蔣雪中，郝媛媛，孔憲衛(wèi)

（1. 交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456;2. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

遙感水邊線技術(shù)在潮間帶沖淤分析研究中的應(yīng)用

張明1，蔣雪中2，郝媛媛1，孔憲衛(wèi)1

（1. 交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456;2. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

以遼東灣盤錦灘為試驗(yàn)區(qū)，利用遙感水邊線方法研究了潮間帶的沖淤演變，結(jié)合遙感水邊線和海圖0 m線邊界建立了3個(gè)時(shí)段的潮灘數(shù)字高程模型，獲得了遼東灣盤錦灘不同時(shí)段近20 a來的沖淤空間變化，并用2008年實(shí)測(cè)地形資料對(duì)遙感水邊線和反演地形進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，從Landsat 5, 4, 2合成彩色影像上目視解譯的水邊線與實(shí)測(cè)地形走向相近；實(shí)測(cè)地形與反演地形之間的誤差集中在 -0.9 m ～ 0.8 m之間，平均誤差為 -0.16 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.40，誤差在±0.6 m之間的區(qū)域占總面積的81.1%。遙感技術(shù)作為一種補(bǔ)充手段，可用于潮間帶岸灘演變空間分析，其精度有待于進(jìn)一步提高。

遙感水邊線；潮間帶；沖淤分析

淤泥質(zhì)潮灘是由砂、粉砂、粘土和植物腐殖質(zhì)等細(xì)顆粒物質(zhì)組成的低平海岸地貌形態(tài)，一般位于沖積三角洲前緣。其作為一種動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的土地資源，受全球氣候變化、海平面上升及人類活動(dòng)的影響，具有復(fù)雜性、敏感性和多變性，是環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域之一。尤其是在近50 年來我國主要河流入海泥沙減少[1]、沿海濕地資源面臨侵蝕威脅的背景下，加強(qiáng)淤泥質(zhì)潮灘的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究十分必要。

在重點(diǎn)區(qū)域，有學(xué)者采用標(biāo)樁法定期監(jiān)測(cè)潮灘的沖淤變化[2]，或采用全球定位系統(tǒng) RTK不定期監(jiān)測(cè)潮灘地形[3]，或采用不同時(shí)段水準(zhǔn)詳測(cè)地形資料來進(jìn)行潮灘沖淤空間分析[4]。由于潮灘灘面泥濘、水淺灘平以及沖淤多變及觀測(cè)成本高等原因，近年來嘗試采用遙感方法進(jìn)行潮間帶岸灘的演變分析。主要有三種方式：第一種是獲取相近潮位的影像水邊線，通過觀察水邊線的水平位移來分析潮灘的平面沖淤變化[5]；第二種是利用顏色、紋理等來提取特征潮位線，通過比較平均大潮線來分析海岸線的變化情況[6]；第三種方式是根據(jù)鹽沼植被隨潮灘高程變化的敏感性，利用潮灘植被線的變化分析潮灘的沖淤情況[7]。以上遙感方法在確定水邊線（或平均大潮線、植被線）附近潮灘的沖淤性質(zhì)方面具有較好效果，但無法獲得潮灘沖淤變化的空間分布情況，因此可能掩蓋高潮帶和低潮帶發(fā)生的明顯淤長(zhǎng)或蝕退的變化趨向截然相反的動(dòng)態(tài)[8]。

本研究以遼東灣北部潮間帶淺灘盤錦灘為試驗(yàn)區(qū)，以多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用獲取的遙感水邊線，并結(jié)合海圖0 m線，嘗試采用遙感水邊線方法來分析潮間帶岸灘的空間沖淤變化。

1 研究區(qū)概況

盤錦灘位于遼東灣頂端，中居大遼河口與雙臺(tái)子河口間（如圖1）。灘地0 m線邊界（本文地形、水深高程基面均采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫┹^為平順，潮灘一般寬度為2.5 km，灘地高程一般低于3.4 m。潮灘沉積物主要以粘土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂為主。盤錦灘東、西兩側(cè)分別為大遼河口與雙臺(tái)子河口，其口門處分別分布著東、西灘和蓋州灘（蛤蜊崗子灘）灘群等攔門沙。

大遼河口口門海域落潮平均流速0.41 m/s，漲潮平均流速0.44 m/s，漲潮平均流速大于落潮平均流速。大遼河口屬于中等潮汐河口，四道溝多年平均潮差2.74 m，最大潮差4.46m。本海區(qū)的波浪以風(fēng)浪為主，波高一般小于0.5 m，常浪向?yàn)镾SW向，其次為SW向1)張明, 孔憲衛(wèi), 郝媛媛. 工程海域岸灘演變特征及趨勢(shì)分析 [R]. 交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所, 2008, 8.。

圖1 1991年TM影像上的盤錦灘Fig. 1 Panjin tidal flat at TM image in 1991

2 遙感水邊線技術(shù)和遙感數(shù)據(jù)選擇

2.1 遙感水邊線技術(shù)

遙感水邊線是遙感影像上水陸的邊界線，它反映了某時(shí)刻水陸的瞬時(shí)狀態(tài)，通常認(rèn)為它與成像時(shí)刻水陸的交接線近似，并假定水陸的交接線為一條等高程線，其高程值一般由附近驗(yàn)潮站的潮位資料確定，在缺少實(shí)測(cè)資料時(shí)，采用驗(yàn)潮站的預(yù)報(bào)潮位值代替[9]。遙感水邊線方法是近年來研究潮灘動(dòng)態(tài)變化的一種常用方法，一般選擇潮情（潮高）相近的影像水邊線，根據(jù)水邊線的變動(dòng)來分析潮灘的水平?jīng)_淤速率。當(dāng)有多組時(shí)間相近的遙感水邊線時(shí)，可以通過數(shù)字高程模型技術(shù)建立潮灘數(shù)字高程地形（DEM，Digital Elevation Model），獲取潮灘的近似地形。對(duì)不同時(shí)期的潮灘DEM進(jìn)行疊加分析，很容易獲得潮灘在某一時(shí)段內(nèi)的沖淤空間分布情況。

2.2 遙感數(shù)據(jù)選擇

本文選擇了對(duì)水陸邊界描繪較好的TM、ETM、Spot等19個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（表1），結(jié)合岸灘在一定時(shí)期內(nèi)變化緩慢的特點(diǎn)，將其影像分成時(shí)間相近的3組（1993年組、2001年組和2005年組，1988年影像未歸類），見表1。每組時(shí)間間隔較近，可以認(rèn)為反映的是這一時(shí)期潮灘的近似地形。為更好地描繪潮灘地形，每組影像水邊線盡量均勻分布在低潮灘至高潮灘之間。

表1 遙感數(shù)據(jù)概況Tab.1 Overview of remote sensing data

3 潮灘近似地形反演

3.1 水邊線提取及水邊線高程點(diǎn)的獲得

對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何精校正，校正后的誤差控制在0.5個(gè)像元。然后根據(jù)遙感影像水陸邊界附近的顏色、紋理和走向等特征信息，勾繪出遙感水邊線。在計(jì)算影像成像時(shí)刻的瞬時(shí)潮位時(shí)，采用二次多項(xiàng)式對(duì)影像成像時(shí)刻前后共5 h的正點(diǎn)潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，二次多項(xiàng)式為y = ax2+ bx + c，其中a，b，c為待定系數(shù)，x為時(shí)間變量（自1開始），y為潮位。通過多項(xiàng)式擬合的結(jié)果能夠較好地體現(xiàn)潮位的變化特點(diǎn)，比采用線性插值更好。在求出影像成像時(shí)刻的瞬時(shí)潮位后，將該潮位賦值給對(duì)應(yīng)的水邊線，也就近似得到了潮灘的高程線。在ArcGIS 9.2平臺(tái)下用Divide工具將連續(xù)的高程線平均分割成高程線段，然后用Feature to Point 工具將水邊線線段轉(zhuǎn)化為水邊線高程點(diǎn)。

3.2 潮灘數(shù)字高程模型的構(gòu)建

通過水邊線的方式難以獲得潮灘0 m線邊界，鑒于海圖深度基準(zhǔn)面與潮汐基準(zhǔn)面一致，故可以采用同期海圖0 m線近似作為潮灘地形的0 m線邊界。盤錦灘1993年組和2001年組近似地形分別采用1990年和2000年該海區(qū)的水深圖0 m線邊界，2005年組近似地形采用的是2008年該海域的實(shí)測(cè)水深資料的0 m線邊界，同樣將高程值賦到點(diǎn)。忽略每組內(nèi)潮灘地形的變化，構(gòu)建3個(gè)時(shí)期的潮灘DEM（如圖2）。由于受成像時(shí)潮位的限制，各組潮灘DEM表示的高潮灘范圍并不一致，為使各組DEM有可比性，同時(shí)考慮到近岸潮灘受人類活動(dòng)影響較大，因此，在構(gòu)建數(shù)字高程模型后，去掉近岸地區(qū)，提取出潮間帶3.0 m高程以下的地區(qū)。

圖2 盤錦灘近似地形Fig. 2 Approximate topography of Panjin tidal flat

4 潮間帶沖淤變化分析

4.1 水平?jīng)_淤變化

根據(jù)影像水邊線的潮情和水位特點(diǎn)，選擇兩組潮位相近的影像水邊線進(jìn)行比較，如1988-10-09日影像水邊線和2005-07-20日影像水邊線潮位分別為1.11 m和1.09 m，1994-04-01日影像水邊線和2001-05-30日影像水邊線潮位分別為2.5 m。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，1988年10月9日至2005年7月20日，遙感水邊線在目前盤錦灘地形1.0 m高程的位置絕大部分是向海域方向移動(dòng)的，說明潮灘在該位置是淤漲的；尤其是二界溝潮灘的東側(cè)淤漲明顯，平均淤長(zhǎng) 80 m；潮道西側(cè)除小部分后退較多外，總體向外淤漲，平均淤長(zhǎng)136 m；大遼河入?？诟浇庖坪秃笸瞬⒋?，但總體變化不大。自1994年4月1日至2001年5月30日間，在潮灘地形高程2.5 m附近，二界溝向西岸段盤錦灘快速向外淤長(zhǎng)，平均達(dá)452 m，二界溝東側(cè)往大遼河方向淤長(zhǎng)寬度逐漸變小，平均淤長(zhǎng)98 m；大遼河口附近有沖有淤，變化不大。

4.2 沖淤空間差異及過程分析

將遙感水邊線反演的1993年組、2001年組、2005年組近似地形進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，可得到各時(shí)段內(nèi)潮灘的空間沖淤變化情況，并以沖刷和淤積兩類顯示，如圖3所示。由圖3可以看出，1993－2001年（組），盤錦灘的大部分都在淤積，沖刷主要位于二界溝潮灘的兩側(cè)及大遼河入海口盤錦灘一側(cè)沙嘴處；2001－2005年（組）間，沖刷范圍逐步擴(kuò)大，盤錦灘靠近大遼河入?？诩岸鐪系奈鱾?cè)沖刷較多，二界溝東側(cè)淤積?？傮w來看，1993－2005年（組）間，盤錦灘的中高潮灘是淤積的，中低潮灘有部分沖刷，沖刷比較嚴(yán)重的主要位于二界溝潮道的0 m線附近，以及大遼河入?？诘纳匙旄浇?。從整個(gè)過程來看，前期淤積為主，后期侵蝕有擴(kuò)大的趨勢(shì)。

圖3 潮灘沖淤空間差異及過程Fig. 3 Spatial changes and processes of erosion and deposition in tidal flat

5 討 論

5.1 水邊線提取的精度和水平?jīng)_淤分析的可靠性

由于灘面表層高含水量、潮灘底質(zhì)、近岸水體的高含沙量及遙感光譜分辨率限制等原因，影像水邊線與水陸實(shí)際交接線存在隨機(jī)誤差[10]。另外，多光譜影像的不同波段所反映的影像水邊線也有差異。受潮灘地形和潮位的詳測(cè)資料不足限制，水邊線精度的評(píng)價(jià)常依據(jù)少數(shù)斷面資料進(jìn)行，反映并不全面。本研究以2008年8月盤錦灘詳測(cè)地形數(shù)據(jù)對(duì)提取的水邊線進(jìn)行驗(yàn)證，主要關(guān)注影像水邊線對(duì)地形的描繪能力。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，Landsat TM1 ～ TM7各波段對(duì)于本處的淤泥質(zhì)潮灘水體邊界的描繪均不理想。而利用目視解譯方法從5、4、2合成彩色影像上提取的水邊線與地形等高線大致平行，相同潮情下水邊線的偏移大致相同。因此，在潮情相似、在有較長(zhǎng)時(shí)間足夠引起潮灘地形變化時(shí)，利用水邊線技術(shù)進(jìn)行潮灘水平?jīng)_淤變化分析具有較高的可信度。

在具體分析的時(shí)候，潮情對(duì)水邊線的解譯結(jié)果具有一定影響，影響大時(shí)會(huì)引起誤判，尤其是在地形比較平緩的地段，常造成判斷錯(cuò)誤。為降低這種影響，需要結(jié)合當(dāng)時(shí)潮情，當(dāng)潮位相近時(shí)，如果落潮時(shí)刻水邊線比漲潮時(shí)刻水邊線更偏向海域，說明該處潮灘蝕退的可能性更大；同時(shí)，可通過驗(yàn)證不同潮高下水邊線的分布情況，來提高判斷的準(zhǔn)確性。

5.2 數(shù)字高程模型的精度及空間沖淤分析的可靠性

高程模型的精度是潮灘地形反演和沖淤空間分析的基礎(chǔ)。本研究利用2008年8月盤錦灘詳測(cè)水深與2005年組遙感水邊線反演的高程地形進(jìn)行差值運(yùn)算來進(jìn)行高程模型精度的評(píng)價(jià)。

如圖4，遙感反演地形與實(shí)測(cè)地形之間的誤差主要集中在 -0.9 ～ 0.8 m之間，平均誤差為 -0.16 m，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.40。其中，誤差在±0.2 m之間的區(qū)域占總面積的37.8%，誤差在±0.4 m之間的區(qū)域占總面積的60.4%，誤差在±0.6 m之間的區(qū)域占總面積的81.1%，誤差在-0.9 ～ 0.8 m之間的區(qū)域占總面積的97.92%。在區(qū)域的邊界、水邊線間隔較大的地方以及坡度較陡的部位反演地形與實(shí)測(cè)地形間的誤差較大。誤差產(chǎn)生的原因主要有水邊線高程點(diǎn)的準(zhǔn)確性、水邊線獲取時(shí)段與實(shí)測(cè)地形這段時(shí)間內(nèi)潮灘地形的沖淤變化[11]，以及插值方式等。為減小誤差，提高反演的現(xiàn)實(shí)性，盡量采用時(shí)間相近、風(fēng)浪較小時(shí)的影像，水邊線要盡可能均勻分布在低潮灘至高潮灘之間的區(qū)域。

圖4 遙感反演地形與實(shí)測(cè)地形間的誤差統(tǒng)計(jì)Fig. 4 Statistic analysis between remote sensing retrieval topography and in situ data

在采用的遙感影像類型不變的條件下，利用遙感水邊線方法進(jìn)行潮間帶空間沖淤變化分析的精度主要取決于提取的遙感水邊線精度、海圖0 m線的精度、遙感水邊線的疏密和分布情況、以及潮灘數(shù)字高程模型的精度等因素。受資料和技術(shù)條件的限制，不同時(shí)段潮灘空間沖淤變化分析的可靠性驗(yàn)證較為困難。本文從遼河流域水沙環(huán)境方面對(duì)盤錦灘的沖淤變化情況進(jìn)行解釋，從而對(duì)用遙感水邊線方法分析潮灘空間沖淤變化的可靠性進(jìn)行間接論證。

5.3 近20 a來盤錦灘沖淤變化的原因分析

盤錦灘地處于遼河三角洲前緣，灘地主要用于蝦、蟹等水產(chǎn)品的養(yǎng)殖，岸線逐步向海推進(jìn)，其演變部分受人類活動(dòng)的影響，但與流域來水來沙變化關(guān)系密切。從目前遼河干流六間房水文站來水來沙來看（圖5），1987－1999年間，遼河來水來沙相對(duì)豐富，而2000－2006年間，來水來沙迅速減少。由于流域來沙減少，導(dǎo)致遼河三角洲前緣的岸灘盤錦灘由淤積向侵蝕發(fā)展，侵蝕的范圍逐步擴(kuò)大。但從總體來看，在1993－2005年間，由于前期岸灘淤積較多，雖后半期岸灘淤積減少或略有沖刷，但岸灘目前總體是淤積的。這種沖淤變化在一定程度上是遼河口前緣岸灘對(duì)流域來沙減少的響應(yīng)。

圖5 遼河干流六間房水文站 1987－2006水沙變化Fig. 5 Variation of flow and sediment at Liujianfang station from 1987 to 2006

6 結(jié) 論

水邊線技術(shù)是目前利用遙感方法研究淤泥質(zhì)海岸帶沖淤變化的有效手段。本文以盤錦灘為試驗(yàn)區(qū)，利用遙感水邊線方法研究了近20 a來該潮灘岸線的變化和沖淤空間分布。

a) 賦予水邊線的高程值雖與潮灘實(shí)測(cè)地形存在一定差距，但在相似潮情下得到的沖淤分布變化大致相同，表明，在能引起潮灘地形變化的足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，利用遙感水邊線方法分析潮灘在某個(gè)位置附近的水平?jīng)_淤變化是可信的；

b) 采用水邊線技術(shù)結(jié)合海圖0 m線構(gòu)建的潮灘地形，與實(shí)測(cè)潮灘地形存在一定誤差，但在缺少實(shí)測(cè)地形資料情況下，仍不失是一種有效途徑；

c) 本研究成果已運(yùn)用于當(dāng)?shù)貒Ｔ斓毓こ?，?duì)同類問題具有顯著的借鑒意義，但各組遙感影像的時(shí)間間隔可能要進(jìn)一步縮短。

致謝：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院左書華博士對(duì)本文提出了修改建議，以致謝忱。

[1] 戴仕寶, 楊世倫, 郜昂. 近50年來中國主要河流入海泥沙變化 [J]. 泥沙研究, 2007, (2)： 49-58.

[2] Yang Shi-lun, Ding Ping-xing, Chen Shen-liang. Changes in progradation rate of the tidal flats at the mouth of the Changjiang (Yangtze) River, China[J]. Geomorphology, 2001, (38)： 167-180.

[3] 何茂兵. 基于3S技術(shù)的九段沙濕地DEM構(gòu)建及動(dòng)態(tài)變化研究 [D]. 華東師范大學(xué)2008屆博士論文.

[4] 李恒鵬, 楊桂山. 基于GIS的淤泥質(zhì)潮灘侵蝕堆積空間分析 [J]. 地理學(xué)報(bào), 2001, 56(3)： 278-286.

[5] 韓震, 惲才興. 伶仃洋大鏟灣潮灘沖淤遙感反演研究[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2003, 25(5)： 58-64.

[6] 常軍, 劉高煥, 劉慶生. 黃河三角洲海岸線遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) [J]. 地理信息科學(xué), 2004, 6(1)： 94-98.

[7] 田波, 周云軒, 鄭宗生, 等. 面向?qū)ο蟮暮涌跒┩繘_淤變化遙感分析 [J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2008, 17(3)： 419-423

[8] 王艷紅, 張忍順, 吳德安, 等. 淤泥質(zhì)海岸形態(tài)的演變及形成機(jī)制 [D]. 海洋工程, 2003, 21(2)： 65-70.

[9] Mason D C, Davenport I J, Robinson G J, et al. Construction of an Inter-Tidal Digital Elevation Model by the Water-Line Method [J]. Geophys Res Lett,1995, 22, 3187-3190.

[10] Joo-Hyung Ryu, Joong-Sun Won, Kyung Duck Min. Waterline extraction from Landsat TM data in a tidal flat： a case study in Gomso Bay, Korea [J].Remote Sensing of Environment, 2002, 83(3)： 442-456.

[11] 沈芳, 郜昂, 吳建平等. 淤泥質(zhì)潮灘水邊線提取的遙感研究及DEM構(gòu)建 [J], 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2008, 37(1)： 102-107.

Application of remote sensing waterline technique to analyze the changes of erosion and deposition in intertidal flat

ZHANG Ming1, JIANG Xue-zhong2, HAO Yuan-yuan1, KONG Xian-wei1

(1. Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering, Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Communication Tianjin 300456,China; 2. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

This paper explores the waterline method to study the state of erosion and deposition in intertidal flat.Taking Panjin flat as an experiment area, three period DEMs (Digital Elevation Models) have been constructed based on the waterlines and the chart of 0m lines. As a result, the spatial variation in recent 20 years has been achieved. The results are evaluated by the survey data. The result suggests that： (1) The Landsat 5, 4 and 2 composited color image is suitable to extract the waterlines; (2) Compared with the results of the bathymetric chart, relative error was less than 0.6m in most regions, and the mean error is -0.16m. The remote sensing waterline method is useful to analyze the tidal flat change, but the precision needs to be further enhanced.

remote sensing waterline; tidal flat; the analysis of erosion and deposition

P229; P737.1

A

1001-6932(2010)02-0176-06

2009-04-28；

2009-08-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40601071）

張明（1981－），男，河南信陽人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事海岸帶遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用工作。電子郵箱：kfzhangming@163.com