南黃海輻射沙洲海底地形可視化與定量分析

王百順，范代讀，顧君暉，許建雄

（1.國家海洋局東海信息中心，上海 200137；2.同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；3.同濟大學 長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海 200092）

海底地形是構造運動、海洋動力、泥沙輸移、生物活動以及近岸顯著人類活動等多種因素綜合作用的反映，其變化過程相當復雜.海底地形地貌信息是海洋科學研究的基礎資料，對海洋漁業(yè)、海底資源開發(fā)、海洋權益保障和軍事活動等具有重要意義.目前對海底地形的研究遠遠落后于陸地地形.

海洋測繪是以海圖等形式提供一個可以“看得見”的海底世界.水深數(shù)據(jù)可以通過單波束、多波束測深系統(tǒng)或海圖數(shù)字化等手段獲取，這些水深數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一定的后期數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)格化，生成海底數(shù)字高程模型，由此進行海底地形的可視化與各種統(tǒng)計分 析［1－7］.內(nèi)插生成格網(wǎng)數(shù)字高層模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)的方法較多，研究者往往根據(jù)研究區(qū)域大小、海底地形復雜性和水深數(shù)據(jù)獲取方式及其分辨率等的差異，采用不同的內(nèi)插值方法.任建武等［1］提出對比較離散的水深數(shù)據(jù)（單波束或海圖數(shù)字化獲取）分形內(nèi)插.針對多波束測深數(shù)據(jù)的特點，高金耀等［2］、馬建林等［5］和王海棟等［7］分別使用了分形布朗運動（fractional Brown motion，F(xiàn)BM）和張力樣條結合的插值算法、改進的距離反比權重法和多細節(jié)層次模型（level of detail，LOD）技術以及抗差最小二乘配置算法進行海底數(shù)字地形模型的構建，以達到相應的精度和效率.

海底地形的可視模型是通過一系列的圖表進行直觀表征.任建武等［1］通過水深分層設色和多方位分層設色法建立了南黃海輻射沙洲的立體可視、可比模型及各層水面積統(tǒng)計表等.楊剛等［4］提出利用最大梯度追蹤算法檢測正、負地形與平緩地形的分界線，并利用“三態(tài)值”算法識別正、負和平緩地形.隨著海洋測繪技術的發(fā)展，水深數(shù)據(jù)時／空分辨率和海域使用與開發(fā)程度逐步提高，可視模型也將更加多樣化.

2005—2010年期間，國家海洋局東海分局承擔多項“九O八”專項調(diào)查項目，共完成我國近海海域12個區(qū)塊的地形測量.本文選擇DX47區(qū)塊南部調(diào)查區(qū)，即對南黃海輻射沙洲北翼的單波束測深數(shù)據(jù)進行海底地形的可視模型分析，包括：利用殘差分析以確定適合的插值方法，利用地形各參數(shù)進行地形分割，對脊、槽相間的海底地形單元進行精細劃分和定量分析.研究結果為2009年6月10日國務院討論通過的《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》［8］的實施，尤其在沙脊實施高灘圈圍和沙脊間潮流主干通道建設萬噸級以上的深水航道提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

南黃海輻射沙洲分布在江蘇岸外，北起射陽河口，南至長江口北部的蒿枝港，南北長200km，東西寬140km，共有70多條沙脊及沙脊之間的潮流通道組成，面積達22470km2.規(guī)模巨大、形態(tài)獨特的輻射沙脊在全球實屬罕見，早已為我國海洋地質學家和海岸地貌學家所關注，自20世紀60年代以來，相繼開展了各種調(diào)查［9－12］.20世紀80年代任美鍔院士領導的“江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查”較清晰地揭示了輻射狀沙脊群的面貌［10］.1990—1995年由南京大學王穎院士主持的國家自然科學基金“八五”重點課題“黃海輻射沙洲形成演變研究”，聯(lián)合河海大學、同濟大學與中國科學院海洋研究所等，開展了輻射沙洲水動力、沉積地貌與演變、晚第四紀地層與沉積環(huán)境演變等的綜合研究［11］.

據(jù)實測地形資料分析，沙洲在不斷增長，年均增長面積80km2.其中，沙洲外圍的水下沙脊遭受沖刷，侵蝕的沉積物較粗部分被輸送到沙脊頂部，使沙脊不斷增高和變寬，出露水面，近陸一側不斷發(fā)生沙洲淤高合并；較細的物質則隨潮流懸浮輸送至潮間帶沉積，使沿岸灘涂不斷淤漲［11］.沙洲和潮灘不斷淤漲為江蘇省提供了極為寶貴的潛在土地資源，而潮流通道沖刷且穩(wěn)定為江蘇省平原海岸建設深水港提供了特殊、有利的條件，一些水深超過15m以上的大型潮流通道可建設10萬噸級以上深水航道［13］.這些有利條件一定程度上促使一省的發(fā)展規(guī)劃升格為國家戰(zhàn)略，隨著國務院于2009年6月10日討論并通過了《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，輻射沙洲的海底地形地貌及其演變趨勢和動力機制再次成為研究熱點［8，13－14］.根據(jù)規(guī)劃，到2020年將對在鹽城射陽河口至南通東灶港之間的大豐、東臺、如東、啟東海岸和弶港外的輻射沙洲等地進行圍墾，形成1800平方公里左右的墾區(qū)，遠期將在東沙、條子泥、腰沙等淺灘沙洲進行圍墾，可望形成4666.7km2土地后備資源.同時，擴大港口能力，推進大豐港區(qū)、洋口港區(qū)深水航道升級前期研究論證工作［8］.

2 水深數(shù)據(jù)來源與測量方法

測量資料來自國家海洋局東海信息中心.按照“九O八”專項任務設計，于2008年9月—2009年10月在南黃海輻射沙洲北翼實施了單波束水深測量.測量區(qū)域位于江蘇省大豐市、如東縣和射陽縣岸外近海海域（見圖1），距離海岸線6.14～20.83km，南北長134.02km，東西寬44.01～71.45km，面積6550km2，測點共5898個.主測線間距2.5km，檢測線平均間距12.5km.

測量儀器設備主要有：差分GPS導航定位儀，美國 Trimble／Ashtech 公司生產(chǎn)，型號DSM／BR2G，實時定位精度≤3m；精密測深儀，無錫海鷹加科生產(chǎn)，型號 HY1600，測深范圍0.3～300m，測深精度0.1%；自容式潮位儀，日本ALEC生產(chǎn)，型號ACTD－CMP，分辨率0.02m，精度±0.1%滿量程.

圖1 研究區(qū)位置及測量站點分布示意圖（站點抽稀）（單位：km）Fig.1 Sketch map of the study area and distribution of bathymetric surveying stations（unit：km）

潮位校對采用實測和預報相結合方法.距0m等深線20km以內(nèi)的水深訂正采用實測驗潮資料；在小洋口港設置有臨時驗潮站，同時，使用了周邊嵐山、連云港、燕尾、濱海、太陽沙等長期站潮位數(shù)據(jù).岸線20km以外采用國家海洋信息中心提供的預報潮位（理論深度基準面），根據(jù)實測和預報潮位將實測水深訂正到理論深度基準面.以往測量作業(yè)中的潮位改正、近海水深測量一般采用模擬法，沿岸一般采用直線分帶和三角分帶法.目前，無論近海還是沿岸水深測量一般都采用時差法進行潮位訂正，在某些難以布設驗潮站的海區(qū)，利用潮汐調(diào)和常數(shù)和預報法進行潮位改正，這也是DX47區(qū)塊采用的方法.實測潮位、定位和測深同步進行，測量數(shù)據(jù)包括測點位置和相應的水深.

3 最佳插值法篩選

地形數(shù)字高程分析及可視化需要對測點進行插值，根據(jù)測量數(shù)據(jù)特征和分析目的選擇插值方法.表現(xiàn)原始數(shù)據(jù)空間分布的插值方法主要包括反距離加權法、克里金法、最小曲率法、改進謝別德法、徑向基函數(shù)法和最近鄰點法等，各種方法還包含一系列的調(diào)整參數(shù).本次實驗運用殘差分析來選擇該批次水深數(shù)據(jù)的最佳插值方法.首先，用各種插值方法分別計算實際測量點上的插值；其次，計算各個站點測量值與插值的殘差，并對殘差進行統(tǒng)計分析；最后根據(jù)統(tǒng)計參數(shù)對比，選擇最合適的插值方法.

用六種插值方法對5898個測量點（n）進行殘差計算，統(tǒng)計參數(shù)見表1.除改進謝別德法外，其余五種插值方法殘差均值普遍較小，說明實際測量值與插值總體一致.殘差最大值與最小值相對于研究區(qū)水深而言偏大，原因在于局部存在地形陡變，由于測量點密度不夠，在地形陡變區(qū)域進行插值易生成較大殘差.可以采用多種參數(shù)對殘差進行評價，特別是標準誤差、平均偏差和標準偏差.克里金法、最小曲率法和最近鄰點法的標準誤差最小，為0.017～0.018，最近鄰點法殘差均值較大；最小曲率法的平均偏差較克里金法大一些.因此，就研究海域現(xiàn)有測量數(shù)據(jù)而言，最合適的插值方法是克里金法，其次是最小曲率法，改進謝別德法殘差最大，是最先應該舍棄的插值方法.

表1 六種插值方法殘差分析統(tǒng)計（n＝5898）Tab.1 Residual analysis on the interpolation results of six different methods

4 海底地形可視化與統(tǒng)計分析

4.1 水深分層設色表達法

由水深值進行分層設色是表達海底地形的最直觀簡潔方法，被廣泛應用于航海、海洋工程和公益領域.研究區(qū)最大水深為36.7m，平均水深為6.0m.地形總體向東北呈加深趨勢.

沙脊或潮流槽在水深圖上呈條帶狀相間分布，向外呈扇形展開（見圖2）.區(qū)內(nèi)分布六條大型海底沙脊，長度35～115km，寬度3～11km.

根據(jù)水深變化，研究區(qū)可以定性地劃分出四種地形單元：淺灘、沙脊、潮流槽和寬谷.沙脊和潮流槽分布最廣，顯示為明顯的正、負地形；淺灘位于輻射沙洲的根部，低潮時可出露，地勢平緩（圖2中大片白色相連區(qū)域）；寬谷分布在潮流槽的外側，地勢低緩，水深常大于15m，逐漸過渡到開闊的陸架.用水深劃分的地形單元之間呈過渡狀態(tài).

圖2 水深設色海底地形圖Fig.2 Bathymetric map using color bar

4.2 地形傾角表達法

傾角ST是重要的地形參數(shù)之一.在地形分析中，一般在剖面上對傾角進行分析，但剖面上的傾角不一定就是相應點的最大傾角，因為剖面方向不一定總是垂直地形最大傾斜方向，且剖面難以表示整個研究區(qū)的地形傾角.根據(jù)地形傾角公式（見公式（1））［15－16］，可以計算整體每個測量點或插值點與水平面之間的最大傾角，以度表示.

式中：x，y，z為大地坐標系的x，y，z軸，分別對應于經(jīng)度、緯度和高程，m.

計算結果表明，研究區(qū)最小傾角為0°，最大傾角31.8°，平均傾角5.3°.分布最廣的是傾角＜5°的地形區(qū)，傾角≥20°的地形區(qū)僅在局部分布（見圖3）.根據(jù)傾角大小可將研究區(qū)劃分成三個地形單元：0°～5°為水平－微傾斜地形區(qū)，包括地勢低緩的寬谷和淺灘，以及沙脊頂部與潮流槽的谷底，占總面積的60%；5°～10°為緩傾斜地形區(qū)，主要分布在沙脊的峰轉坡處或潮流槽的谷轉坡處，占26%；≥10°為傾斜地形區(qū)，分布在沙脊與潮流槽相接的斜坡處，占14%.

4.3 地形傾向

地形傾向AT也是基本的地形參數(shù)，有時伴隨著傾角一起描述.傾向是測點或插值點最大傾斜方向，采用公式（2）［15－16］計算每個插值點或測量點傾向，以度表示，向北傾向計為0°，順時針方向測算.地形傾向從0°～360°，主要傾向為45°～90°，其次為90°～150°，260°～360°，傾向0°～45°和150°～260°地形區(qū)欠發(fā)育（見圖4）.

4.4 地形剖面曲率

在地形分析時，一般只研究三個基本參數(shù)：深（高）度、角度、傾向.可用多種方式表達深（高）度參數(shù)在空間上的分布，如平面等值線圖、影像圖、渲染圖、線框圖、三維表面圖等，角度參數(shù)多以剖面表達，傾向參數(shù)一般不做專門分析.很少有學者分析其他地形參數(shù)，如地形曲率等，至于更高級的地形分析則僅在理論教學探討中進行.事實上，各種地形曲率和高級地形分析對于地形分區(qū)、地形重要界線確定、地形成因等研究具有重要意義.

地形剖面曲KP率表示沿最大梯度方向傾斜的變化率.當?shù)匦纹拭媲蕿檎禃r，表示地形上凸，為負值時，表示地形下凹.脊是一種上凸地形單元，而槽是一種下凹地形單元，對于任一個測點或插值點，可以公式（3）［15－16］求其曲率.當曲率為正則表明該點位于上凸曲面上，即位于沙脊之上.當曲率為負值則表明該點位于下凹曲面之上，即位于潮流槽中.當曲率為零則表明該點處于曲面凸凹銜接處，即脊、槽的分界線上.由此，可以明確界定出脊、槽地形單元的界線（見圖5）.

圖5 地形剖面曲率劃分的槽與脊Fig.5 Topographic divisions of ridges and channels based on the profile curvature

剖面曲率不僅可以將原水深地形圖上的根部細微地形單元劃分開來，而且將次級的脊、槽也劃分開來.由此發(fā)現(xiàn)，沙脊上普遍發(fā)育“次級槽”，而潮流槽中多有發(fā)育“次級脊”，形態(tài)各異，關系復雜，可見脊、槽體系水動力環(huán)境的復雜多變.

根據(jù)剖面曲率，研究區(qū)地形單元可分為三大類：①沙脊，形態(tài)各異，總體呈條帶狀，面積2721km2；②潮流槽，分布于沙脊之間，向外有次級分汊現(xiàn)象，面積2930km2；③寬谷，面積899km2.以上三種地形單元分別占總面積的41.6%，44.7%和13.7%.與水深數(shù)據(jù)劃分的地形單元相比，缺少根部的淺灘.

4.5 地形平面曲率與切線曲率分析

等值線的彎曲程度可以用地形平面曲率KH來測量，用水平方向上地形方位角的變化率來表示，見公式（4）.地形切線曲率KT是測量垂直于梯度方向的垂直面走向的變化率，或等值線切線方向的變化率，見公式（5）［15－16］.

研究區(qū)地形平面曲率為－20×10－6～23475×10－6，平均891×10－6.圖6為地形平面曲率與地形水深疊加圖，可見地形比較復雜；正值區(qū)占49.5%，負值區(qū)占50.5%.地形平面曲率與水深、傾角為依據(jù)劃分的地形單元相關性低，這表明沙脊和潮流槽的地形復雜程度相似.研究區(qū)切線曲率與平面曲率分布特征相似，僅在數(shù)值和局部存在細微差異.這兩個參數(shù)反映了相似的海洋學涵義，即負值區(qū)位于輻40射沙洲的內(nèi)側，水深較淺，輻聚流場較強；正值區(qū)位于輻射洲的外側，水深較大，流場較弱.

圖6 地形平面曲率分布Fig.6 Distribution pattern of plan curvature

5 結論

南黃海輻射沙洲海底地形較復雜，采用多種地形參數(shù)可以從不同角度更好地表達地形特征與變化，并進行定量分析.殘差分析表明，克里金法是研究區(qū)現(xiàn)有水深數(shù)據(jù)的最佳插值法.通過水深分層設色法可以定性地區(qū)分出輻射沙洲的四種地形單元：淺灘、沙脊、潮流槽和寬谷.不同地形單元或同一地形單元的不同部位可以有明顯不同的坡度和傾向，其中以水平－微傾斜地形（傾角＜5°）為主，占整個沙洲面積的60%，分布在寬谷、淺灘、沙脊頂部和潮流槽的谷底等.地形剖面曲率分層設色可以更細致地刻畫脊、槽地形單元的微地貌，包括沙脊上發(fā)育的次級槽和潮流槽中的次級脊等，并且可以定量分析不同地形單元面積及其所占比例，但該方法未能識別出淺灘地形單元.研究區(qū)切線曲率與平面曲率分布特征非常相似，兩者可能反映了相似的海洋動力特征，即正（負）值表示輻射沙洲外（內(nèi)）側較弱（強）的流場.

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