基于高分辨率遙感影像的荊江河段南部洪道崩岸監(jiān)測
——以戥盤洲彎道為例

賀秋華,鄒 娟,余姝辰,余德清,唐 暉,梅金華,羅建強(qiáng),趙 動,鄒 聰

(1. 湖南省自然資源事務(wù)中心,湖南 長沙 410004; 2. 洞庭湖區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410004; 3. 自然資源部洞庭湖流域生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,湖南 長沙 410004)

崩岸是沖積河流中普遍存在的一種災(zāi)害形式[1],是在水流和岸灘相互作用下,沖積河流岸灘失穩(wěn)的過程[2],是坡腳沖刷的累積性過程和河岸土體達(dá)到靜力平衡狀態(tài)造成岸坡崩塌突變過程的集中體現(xiàn)[3],直接威脅江河兩岸周邊的生命財產(chǎn)安全。河道崩岸的發(fā)生與河道演變有著密不可分的關(guān)系,水沙、主流線、水位等變化均可能引起崩岸的發(fā)生。多年來其主要原因有兩個方面:一是外因,即來水來沙的沖刷[4-7],且枯水期和洪水期水流沙流對岸坡的沖刷的程度不同[1];二是內(nèi)因,即河岸邊界特性及土壤地質(zhì)構(gòu)造的二元結(jié)構(gòu)[8-9]。

長江中下游干流河道為沖積平原河流,由于二元結(jié)構(gòu)的河岸地質(zhì)構(gòu)造,河岸抗沖性較差,河床沖淤變化劇烈、頻繁[9]。荊江崩岸分布具有沿程分布的特點(diǎn),下荊江崩岸明顯多于上荊江,不同水文年各個沖刷坑最易出險的情況不盡相同[10]。長江委及所屬水文局等采用多種技術(shù)手段對長江中下游開展了長期的系統(tǒng)的河道監(jiān)測和資料分析,特別是1998年大水后長江重要隱蔽工程中護(hù)岸工程的實(shí)施,荊江兩岸險工段基本得到守護(hù),大范圍的崩岸基本被控制。在崩岸監(jiān)測手段方面,20世紀(jì)90年代以前,主要采用光學(xué)儀器和紙質(zhì)記錄為主的常規(guī)觀測方法。隨著測繪技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展,全站儀、電子水準(zhǔn)儀、單波束測深系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)等電子儀器被運(yùn)用于崩岸監(jiān)測。由于衛(wèi)星遙感影像具有宏觀性,在河道演變方面可以發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢。河流岸線的時空演變一定程度上也是由于長期持續(xù)的崩岸所引起的岸線后退所形成的變化現(xiàn)象,因此遙感技術(shù)也被運(yùn)用于河道崩岸監(jiān)測中。文獻(xiàn)[11]利用多時相遙感資料、特別是2000年以后獲取的遙感圖像,調(diào)查分析了長江安徽段岸帶變遷形式和崩岸特征,并按12個不同河型段進(jìn)行了具體分析和研究;文獻(xiàn)[12]利用多時相航、衛(wèi)片遙感圖像解譯調(diào)查分析長江安慶段河道變遷及岸坡崩塌特征;文獻(xiàn)[13]根據(jù)遙感影像和野外調(diào)查,研究了長江皖江段的崩岸特征、崩岸形成條件和治理對策;文獻(xiàn)[14]通過遙感解譯方法研究了寧夏至內(nèi)蒙河段的岸坡崩塌面積;文獻(xiàn)[15]從遙感影像中提取2003—2016年灘體面積數(shù)據(jù),分析灘體面積的變化描述洲灘的崩退情況。以上多是對于長江主干流的崩岸研究,而對于長江支流上的崩岸的研究較少。隨著三峽水庫的運(yùn)行,長江的支流,尤其是荊江南部洪道的崩岸對南部洪道沿岸居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生的影響及對洞庭湖來水來沙的影響也在逐年增加,對荊江南部洪道的崩岸研究應(yīng)該引起重視。且上述研究利用的遙感影像都是基于中低分辨率的,如LandSat MSSETM等數(shù)據(jù)。隨著國產(chǎn)高分衛(wèi)星的成功發(fā)射及應(yīng)用和無人機(jī)航空攝影測量等技術(shù)的發(fā)展,使得利用高分辨率遙感影像開展崩岸監(jiān)測成為可能。

為了探索高分遙感影像在荊江河段南部洪道崩岸監(jiān)測中的應(yīng)用,本文選取松滋河連接長江的第一個彎道即戥盤洲彎道,基于高分辨率遙感影像開展崩岸情況監(jiān)測研究,以期為高分遙感影像應(yīng)用于崩岸監(jiān)測提供示范。

1 研究數(shù)據(jù)及處理

戥盤洲彎道位置如圖1所示。由于崩岸發(fā)生的現(xiàn)象比較微觀,難以從一期遙感影像上進(jìn)行判斷,因此為研究其崩岸情況及崩岸進(jìn)程,需要使用高分辨率遙感影像且需要使用多期對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。本文使用了2013—2022年6個平水期優(yōu)于0.5 m的影像(見表1)。其中,2017和2018年采用的是無人機(jī)航攝影像,統(tǒng)一由PIX4軟件進(jìn)行影像的拼接和勻光勻色,所有影像數(shù)據(jù)都基于湖南省不動產(chǎn)統(tǒng)一登記數(shù)據(jù)庫成果影像在ENVI平臺下進(jìn)行正射糾正,不同時相影像之間的誤差控制在1個像素以內(nèi)。

表1 影像數(shù)據(jù)情況

圖1 研究區(qū)域位置

2 研究方法

2.1 遙感解譯標(biāo)志

對于航天航空遙感影像上崩岸的識別,按照崩岸的平面形態(tài)能從遙感影像上明顯區(qū)別為兩種類型,即窩崩和條崩[2,4,11-13]。條崩是一種近平行于河岸線呈條帶狀的崩岸,崩坍的寬度窄,長度遠(yuǎn)大于其寬度,多發(fā)生在較平直河段靠近主流線的一側(cè)及彎曲河段的凹岸。窩崩呈明顯的圓弧狀,單個窩崩長數(shù)十米到百余米。連續(xù)的窩崩在平面上呈鋸齒形,紋理特征明顯。窩崩主要是由于貼近岸邊的豎向旋流的巨大動能所造成的,一般發(fā)生于彎曲度較大的凹岸的頂沖部位。其發(fā)生帶有突發(fā)性,破壞性強(qiáng),造成重大損失的崩岸災(zāi)害,多數(shù)是由窩崩造成。

輔助解譯標(biāo)志: ①空間位置對比分析。在前后兩期影像上選擇沿河的道路或者沿河種植的農(nóng)作物的邊緣作為參照,通過兩期影像上參照物距河岸的距離判斷該處是否存在崩岸。 ②影紋特征。有的崩岸位置處于連續(xù)崩塌的狀態(tài),在后時相上可以明顯看到崩塌后形成的層疊狀影紋,且其頂端往往都是河岸種植的農(nóng)作物或林地的邊緣。 ③從同一空間位置的地表植被進(jìn)行對比。排除水位的影響,在無水淹沒的區(qū)域進(jìn)行不同時相之間地表植被的對比,通過地表植被變化判斷崩岸情況。

2.2 河道崩岸信息提取

2.2.1 不同崩岸類型信息提取

依據(jù)前述崩岸遙感解譯標(biāo)志,在ArcGIS平臺下,采用人機(jī)交互方式解譯不同類型的崩岸,并統(tǒng)計分析其長度和數(shù)量。

2.2.2 河道崩岸進(jìn)程信息提取

為便于對比觀察不同時期的崩岸進(jìn)程,在ArcGIS平臺支持下,在6期遙感影像上過彎道南岸兩處固定房屋的北角點(diǎn)作直線,作為監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)線;將監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)線上兩處房屋北角點(diǎn)之間的線段四等分,設(shè)A、B、C、D、E5個監(jiān)測點(diǎn)。以5個監(jiān)測點(diǎn)為基點(diǎn),在河岸側(cè)作垂直于監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)線的垂線段至河岸邊緣,統(tǒng)計分析每個監(jiān)測點(diǎn)每年度垂線段的長度(如圖2所示)。

圖2 崩岸信息采集

2.2.3 河道寬度變化信息提取

在ArcGIS平臺下,以2013年4月的影像為基礎(chǔ),以監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)處于江心洲洲灘上的一幢房屋作為參考點(diǎn),過房屋東南-西北向的中點(diǎn)作垂直于河道中心線的線段并延長至河道兩岸,分別統(tǒng)計不同時期江心洲、南部河道和北部河道的寬度并分析該處河道及江心洲的寬度變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 河道崩岸情況

考慮影像之間的誤差,不同時相影像之間的崩岸距離小于0.5 m的忽略不計。根據(jù)遙感解譯結(jié)果統(tǒng)計(見表2),共有崩岸15處,崩岸總長度4 305.24 m。崩岸的空間分布如圖3所示。

表2 崩岸情況統(tǒng)計 m

圖3 戥盤洲彎道崩岸空間分布及局部放大圖

3.2 河道變化監(jiān)測

監(jiān)測期內(nèi)河道寬度變化情況如圖4所示。

圖4 河道寬度變化(單位:m)

(1)江心洲寬度變化監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)所處位置的江心洲寬度共縮短29.4 m,平均縮短約3 m/a,每月縮短約0.26 m。每年此處崩岸程度不同,如2020年9月至2022年11月間崩岸的距離最大,達(dá)到9.26 m;2018年10月至2020年9月間崩岸距離最短,僅為1.88 m。

(2)北部河道寬度變化監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)北部河道寬度未發(fā)生明顯變化。

(3)南部河道寬度變化監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)所處位置的南部河道擴(kuò)寬了84.83 m,平均每年擴(kuò)寬8.5 m,每月擴(kuò)寬0.74 m。其中2020年9月至2022年11月間擴(kuò)寬最大,達(dá)到30.12 m,擴(kuò)寬速率達(dá)15.06 m/a。

(4)以上情況也表明,此處河道從河流流向來看,右岸崩岸程度高于左岸。江心洲西南部持續(xù)沖刷崩塌,東北部持續(xù)淤積,表明江心洲在緩慢向東漂移(如圖5所示)。南部河岸崩岸有沿水流方向向下游發(fā)展的趨勢,將對沒有洲灘保護(hù)的防洪大堤造成安全威脅,建議對此處大堤進(jìn)行加固處理。

圖5 河道洲灘演變

3.3 崩岸進(jìn)程監(jiān)測

崩岸進(jìn)程如圖6所示。可以看出,5個監(jiān)測點(diǎn)在監(jiān)測期內(nèi)都存在不同程度的崩岸;以監(jiān)測影像為基準(zhǔn),監(jiān)測點(diǎn)A在2013年4月—2015年4月平均每年崩岸程度最大,達(dá)4.6 m/a,2017年11月—2018年10月幾乎沒有崩岸情況發(fā)生。2020年9月—2022年11月,B、C、D、E4個監(jiān)測點(diǎn)平均每年崩岸程度都大于A點(diǎn),表明2020年9月以來,B、C、D、E4個監(jiān)測點(diǎn)處的崩岸程度都呈加速狀態(tài)。

圖6 崩岸進(jìn)程監(jiān)測

5個監(jiān)測點(diǎn)中,D點(diǎn)距離河岸的距離最遠(yuǎn),其崩岸程度也最強(qiáng)。監(jiān)測點(diǎn)D至河道邊岸的距離從監(jiān)測初期的122.56 m縮短至監(jiān)測末期的60.13 m,縮短了62.43 m,縮短幅度達(dá)50.93%,平均每月縮短達(dá)0.54 m。A點(diǎn)處的崩岸程度最弱。監(jiān)測點(diǎn)A至河道邊岸的距離從監(jiān)測初期的90.72 m縮短至監(jiān)測末期的73.35 m,縮短17.37 m,縮短幅度達(dá)19.15%,平均每月縮短0.15 m。

4 結(jié) 語

本文利用優(yōu)于0.5 m的高分辨率遙感影像對荊江河段南部洪道戥盤洲彎道的崩岸進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測。結(jié)果表明,利用高分辨率遙感影像進(jìn)行崩岸監(jiān)測是傳統(tǒng)崩岸監(jiān)測的一種有效補(bǔ)充手段,建議相關(guān)部門在河道監(jiān)測工作中加以運(yùn)用。

本文只針對松滋河的第一個彎道戥盤洲彎道處的崩岸進(jìn)行了監(jiān)測,在以后的研究中將擴(kuò)大至整個松滋河道及荊江河道南部虎渡河、藕池河等其他洪道的崩岸情況。

本文未對崩岸發(fā)生的機(jī)理及利用水動力模型等對河道的崩岸進(jìn)行預(yù)測等方面開展研究,這些是以后研究的方向。鑒于此處河道存在嚴(yán)重的崩岸情況,建議政府相關(guān)部門在開展長江主干流崩岸監(jiān)測和修建防護(hù)工程的同時,應(yīng)加強(qiáng)對長江支流河道崩岸的監(jiān)測和河道防護(hù)。