輻射沙脊群海域地貌骨征線遙感解譯探討

張 潔，丁賢榮，葛小平，潘 進(jìn)

（1.河海大學(xué) 水文與水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

地貌骨征線是指能反映地貌單元骨架地形特征的線形標(biāo)志，是研究地貌空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的重要依據(jù)，它不僅體現(xiàn)了各個(gè)地貌單元的空間總體特征和動(dòng)力地貌屬性，還建立了地貌時(shí)空演變的參考系。輻射沙脊群的地貌骨征線包括正地貌的沙脊線和負(fù)地貌的溝槽線2類。

隨著遙感應(yīng)用研究的發(fā)展和深入，遙感技術(shù)應(yīng)用于輻射沙脊群研究，利用地貌骨征線進(jìn)行遙感演變分析也逐漸增多。丁賢榮等[1]利用二分水線演變來(lái)分析條子泥演變規(guī)律；康彥彥[2]利用遙感影像提取基本地貌特征線，確定潮水溝、分水灘脊線的二維平面位置，對(duì)潮水溝、分水灘脊線三維建模，利用三維信息插值模擬納潮盆地地形；陳君等[3-5]利用地貌特征線對(duì)輻射沙脊群東沙、條子泥潮溝系統(tǒng)穩(wěn)定性及輻射沙洲區(qū)域動(dòng)態(tài)變化展開(kāi)研究。傳統(tǒng)地貌骨征線是通過(guò)對(duì)遙感影像的處理和研究者專家知識(shí)的積累進(jìn)行提取，地貌特性的正確構(gòu)建存在困難，且缺乏理論上的依據(jù)，地貌骨征線的唯一性得不到保證。

本文主要利用遙感影像光譜值與實(shí)測(cè)地形的相關(guān)性選取敏感因子，提取輻射等值線，利用其反映的水下地形特征來(lái)提取地貌骨征線，并結(jié)合地貌規(guī)律和歷史地形地貌資料對(duì)骨征線進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

輻射沙脊群分布于江蘇中部海岸，自射陽(yáng)河口向南到長(zhǎng)江口的蒿枝港[6]，整個(gè)沙脊以弶港為頂點(diǎn)，呈褶扇狀向海輻射，脊槽相間分布[7]。該地區(qū)水動(dòng)力條件復(fù)雜，水下地形多變，潮汐通道眾多，水文資料匱乏。傳統(tǒng)的隨船定點(diǎn)調(diào)查的方式十分困難，且只能獲取在時(shí)間、空間分布上離散的少量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、快速、高效的對(duì)地觀測(cè)特點(diǎn)，借助其進(jìn)行解譯，快速提取水下地形信息，有助于研究輻射沙脊群動(dòng)力地貌過(guò)程，為開(kāi)發(fā)利用該區(qū)的土地資源、港口資源、風(fēng)電資源、特色旅游資源和其他資源等提供必要的技術(shù)支撐。

研究區(qū)選擇在廢黃河口以南至長(zhǎng)江口以北的江蘇海域，包含了整個(gè)輻射沙脊群海域。

1.2 數(shù) 據(jù)

遙感影像數(shù)據(jù)采用2012-04-26成像的HJ1_A星CCD2數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，成像時(shí)天氣晴朗，研究區(qū)無(wú)云層覆蓋，水流清晰，水體信息豐富且層次感強(qiáng)，沙脊和潮溝分界明顯。對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正、水陸分離等預(yù)處理得到需要的研究區(qū)影像。

地形資料包括歷史海圖和實(shí)測(cè)地形資料，實(shí)測(cè)地形資料為2009年輻射沙脊群部分的實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)，對(duì)地形資料進(jìn)行幾何校正和高程基準(zhǔn)統(tǒng)一處理。

2 研究方法

本文基于同相水深-輻射關(guān)系率定原理[8]，利用輻射等值線提取輻射沙脊群區(qū)域的地貌骨征線，旨在尋求地貌骨征線提取的理論依據(jù)。技術(shù)路線如圖1。

2.1 敏感因子選取

不同波段及波段組合對(duì)水下地形的敏感程度明顯不同。為了選取最佳的地形敏感因子，本文對(duì)實(shí)測(cè)地形（麻菜珩與外磕角之間海域的542個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)）與同時(shí)期影像各波段及波段組合進(jìn)行相關(guān)性分析。表1為各波段與地形的相關(guān)性分析結(jié)果。通過(guò)表1可以看出，Band1～Band4相關(guān)系數(shù)逐漸增大，Band4達(dá)到最大，相關(guān)性最好。

圖1 技術(shù)路線圖

表1 地形與HJ影像各波段相關(guān)性

對(duì)HJ星影像4個(gè)單波段進(jìn)行組合運(yùn)算，與實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。通過(guò)表2可以看出，B3+B4波段相關(guān)系數(shù)最高為0.698 6，其次是B1/B4、B1-B4和B2/B4，說(shuō)明它們與水下地形的相關(guān)性較好，對(duì)地形高程值的變化較敏感。

表2 地形與HJ影像各波段組合相關(guān)性

2.2 地形修正模型

由于本文研究的HJ星影像和實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)未進(jìn)行過(guò)同步或準(zhǔn)同步的水文泥沙測(cè)驗(yàn)，無(wú)法直接進(jìn)行相關(guān)性分析，因此直接引用MODIS影像選取的懸沙敏感因子，將波段組合B3-B2、B3/B2和(B3-B2)/ (B3+B2)作為基于HJ星影像的懸沙敏感因子[9]來(lái)建立地形修正模型：

式中，A表示地形敏感因子；B表示懸沙敏感因子標(biāo)準(zhǔn)化值；C表示修正后地形敏感因子；α為修正系數(shù)。設(shè)定修正系數(shù)α分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8和1，并將懸沙敏感因子進(jìn)行Min-Max標(biāo)準(zhǔn)化處理，將其轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱化的指標(biāo)測(cè)評(píng)值代入修正模型進(jìn)行計(jì)算（結(jié)果如表3），發(fā)現(xiàn)地形與修正后地形敏感因子的相關(guān)系數(shù)最大增幅為0.005 5，地形修正效果極不明顯，因而直接選相關(guān)系數(shù)最大的B3+B4作為最佳地形敏感因子。

表3 地形與修正后地形敏感因子相關(guān)性

2.3 輻射等值線

經(jīng)過(guò)研究區(qū)裁剪、水陸分離和地形敏感因子運(yùn)算后，遙感圖像的像元集中于一個(gè)很窄的光譜范圍內(nèi)，降低了人眼對(duì)光譜差異的分辨能力。因而，需要對(duì)敏感因子B3+B4進(jìn)行拉伸處理，增大圖像的水體光譜差異，增強(qiáng)不同深度水體的層次感。同時(shí)對(duì)影像進(jìn)行卷積增強(qiáng)處理，削弱噪聲對(duì)水深信息的干擾，突出圖像中的水深信息。增強(qiáng)處理后的影像水下地形的直觀性提高，水體輻射的等值分布得到改善，遙感影像呈現(xiàn)地形等高線的效果

增強(qiáng)處理后的影像反映水體輻射的等值差異，對(duì)處理后圖像進(jìn)行柵格矢量化，提取輻射等值線如圖2所示。

圖2 水下地形輻射等值線分布

由于研究區(qū)水動(dòng)力條件復(fù)雜多變，懸沙泥沙分布不均，受懸沙后向散射影響不一，傳感器成像時(shí)同物異譜和同譜異現(xiàn)象突出，懸沙高值區(qū)易被判讀為淺水區(qū)，沙洲附近靜水區(qū)易被判讀為深水區(qū)。圖像增強(qiáng)處理過(guò)程中，也削弱了部分水深信息，因而必須對(duì)輻射等值線進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)過(guò)程中依據(jù)等深線特點(diǎn)、地形地貌規(guī)律和多時(shí)相遙感影像對(duì)輻射等值線進(jìn)行制圖綜合，以恢復(fù)地形本相。

2.4 地貌骨征線提取

地貌骨征線的確定包括正地貌的沙脊線和負(fù)地貌的溝槽線的確定。傳統(tǒng)的地貌骨征線提取辦法是結(jié)合已有的地形資料和歷史海圖，在明確沙洲平面形態(tài)分布的基礎(chǔ)上，沿沙洲長(zhǎng)軸方向勾畫(huà)水道最低點(diǎn)、沙脊最高點(diǎn)和兩邊邊界點(diǎn)的連線，即為深槽線和沙脊線。

正地貌的沙脊線主要包括沙脊脊線和沙洲脊線，沙脊脊線也稱二分水線[10]，是潮流沙脊2側(cè)潮汐水道的交匯點(diǎn)的連線；沙洲脊線是長(zhǎng)軸方向地形最高點(diǎn)的連線。負(fù)地貌的深槽線主要是指潮汐水道深槽線，是潮汐水道內(nèi)部相對(duì)較深或最深處的連線。輻射等值線具有地形等高線的視覺(jué)效果，可以顯現(xiàn)出水下沙洲、沙脊、深槽的平面形態(tài)分布和相對(duì)水深差異。穿過(guò)輻射等值線最高值區(qū)長(zhǎng)軸方向的連線為沙洲脊線，如圖3所示。穿過(guò)輻射等值線最低值區(qū)或相對(duì)低值區(qū)長(zhǎng)軸方向的連線為深槽線。通過(guò)該方法提取整個(gè)研究區(qū)的地貌骨征線，如圖4所示。

圖3 基于輻射等值線的地貌骨征線提取

圖4 輻射沙脊群地貌骨征線

3 檢驗(yàn)與驗(yàn)證

3.1 合理性檢驗(yàn)

合理性檢驗(yàn)是根據(jù)地貌規(guī)律的檢驗(yàn)，主要是根據(jù)動(dòng)力地貌體系的完整性、地貌單元的連續(xù)性與完整性、地貌單元之間的空間合理性和地貌類型之間的邏輯合理性等進(jìn)行檢驗(yàn)，如2條脊線之間必有一條槽線，2條槽線之間必有一條脊線等。合理性檢驗(yàn)的基本原則是主要地貌特征合理，避免地貌骨征線提取結(jié)果出現(xiàn)某些原則性、概念性錯(cuò)誤。本文在提取輻射沙脊群地貌骨征線的過(guò)程中，充分兼顧地貌規(guī)律，邊提取邊檢驗(yàn)。經(jīng)多次檢驗(yàn)后認(rèn)為，地貌骨征線提取結(jié)果沒(méi)有明顯的原則性錯(cuò)誤，其分布規(guī)律是比較合理的。

3.2 對(duì)比驗(yàn)證

對(duì)比驗(yàn)證主要是依據(jù)同一研究區(qū)的地貌圖、地形圖、沉積圖和動(dòng)力圖等進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)地貌骨征線提取結(jié)果的局部細(xì)節(jié)性變化或錯(cuò)誤。輻射沙脊群水動(dòng)力條件復(fù)雜，沖淤多變，實(shí)測(cè)地形資料匱乏，因此本文主要依據(jù)歷史海圖和2009年實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)（高程數(shù)據(jù)）對(duì)利用輻射等值線提取的地貌骨征線進(jìn)行驗(yàn)證。但因輻射沙脊群沖淤多變，遙感影像與實(shí)測(cè)地形有一定時(shí)間間隔，局部地區(qū)不穩(wěn)定，沙脊、潮汐水道會(huì)發(fā)生不同程度的擺動(dòng)，地貌骨征線也會(huì)隨之發(fā)生變化。從地形角度驗(yàn)證沙脊線和潮汐水道深槽線提取結(jié)果基本上符合實(shí)測(cè)地形，如圖5所示。

圖5 地貌骨征線的地形驗(yàn)證

4 結(jié) 語(yǔ)

地貌骨征線遙感演變分析法是對(duì)遙感疊置分析法的深化，利用地貌骨征線構(gòu)建實(shí)際地物中穩(wěn)定、能代表地物標(biāo)識(shí)的相對(duì)固定的特征點(diǎn)與遙感影像之間的橋梁，增加遙感方法的可信度。利用輻射等值線提取地貌骨征線，建立了輻射沙脊群地貌骨征線與遙感影像的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使地貌骨征線以特別的方式在遙感影像上形象化、直觀化。該方法使地貌骨征線的提取具有理論上的合理性與可視化的操作性，克服了傳統(tǒng)意義上依靠歷史地形資料勾畫(huà)地貌骨征線的局限性和依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)勾畫(huà)地貌骨征線的不確定性，對(duì)于缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的海區(qū)，也可以準(zhǔn)確、快速、有效地提取地貌骨征線。

利用輻射等值線提取地貌骨征線在操作過(guò)程中對(duì)遙感影像質(zhì)量要求較高（無(wú)云、低潮、息流、水體信息豐富且層次感較強(qiáng)的影像才能夠提取能反映水下地形特征的輻射等值線）。對(duì)于受懸沙影響較大的海域，傳感器成像時(shí)同物異譜和同譜異物現(xiàn)象突出，需要對(duì)輻射等值線進(jìn)行合理性檢驗(yàn)和制圖綜合。

[1]丁賢榮,康彥彥.輻射沙脊群條子泥動(dòng)力地貌演變遙感分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(2):231-236

[2]康彥彥.基于納潮盆地地貌特征線的潮灘地形模擬研究[D].南京：河海大學(xué),2011

[3]陳君,王義剛.江蘇岸外輻射沙脊群東沙穩(wěn)定性研究[J].海洋工程,2007,25(1):102-110

[4]陳君,馮衛(wèi)兵,張忍順.蘇北岸外條子泥沙洲潮溝系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究[J].地理科學(xué), 2004, 24(1): 94-100

[5]陳君,張忍順.江蘇岸外輻射沙洲區(qū)域動(dòng)態(tài)變化的遙感研究進(jìn)展[J].海洋科學(xué),2004,28(2):77-80

[6]張長(zhǎng)寬.江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)總報(bào)告[M].北京：科學(xué)出版社, 2012

[7]王穎.黃海陸架輻射沙脊群[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002

[8]丁賢榮, 張鷹, 王文.同相水深—輻射關(guān)系率定[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 26(6):73-76

[9]潘進(jìn),丁賢榮,康彥彥.輻射沙脊群海域懸沙場(chǎng)遙感反演方法[J].地理空間信息， 2013,11(2):82-88

[10]張忍順,陳才俊.江蘇岸外沙洲演變與條子泥并陸前景研究[M].北京:海洋出版社,1992

[11]宋召軍, 黃海軍, 王珍巖.蘇北潮灘的近期變化分析[J].海洋科學(xué), 2008(6): 25-29

[12]王珍巖.淤泥質(zhì)潮灘地貌的遙感研究——以蘇北輻射沙洲海岸為例[D].北京：中國(guó)科學(xué)院,2006

[13]朱大奎.江蘇岸外沙脊群西洋水道的穩(wěn)定性研究[J].海洋通報(bào),1994,13(5):36-43

[14]尤坤元,朱大奎,王雪瑜，等.蘇北岸外輻射沙洲王港西洋潮流通道穩(wěn)定性研究[J].地理研究,1998,17(3):10-16