遙感水邊線技術在潮間帶沖淤分析研究中的應用

張明，蔣雪中，郝媛媛，孔憲衛

（1. 交通部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456;2. 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

遙感水邊線技術在潮間帶沖淤分析研究中的應用

張明1，蔣雪中2，郝媛媛1，孔憲衛1

（1. 交通部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456;2. 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

以遼東灣盤錦灘為試驗區，利用遙感水邊線方法研究了潮間帶的沖淤演變，結合遙感水邊線和海圖0 m線邊界建立了3個時段的潮灘數字高程模型，獲得了遼東灣盤錦灘不同時段近20 a來的沖淤空間變化，并用2008年實測地形資料對遙感水邊線和反演地形進行了評價。研究結果表明，從Landsat 5, 4, 2合成彩色影像上目視解譯的水邊線與實測地形走向相近；實測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，標準偏差為0.40，誤差在±0.6 m之間的區域占總面積的81.1%。遙感技術作為一種補充手段，可用于潮間帶岸灘演變空間分析，其精度有待于進一步提高。

遙感水邊線；潮間帶；沖淤分析

淤泥質潮灘是由砂、粉砂、粘土和植物腐殖質等細顆粒物質組成的低平海岸地貌形態，一般位于沖積三角洲前緣。其作為一種動態不穩定的土地資源，受全球氣候變化、海平面上升及人類活動的影響，具有復雜性、敏感性和多變性，是環境監測重點關注的區域之一。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，加強淤泥質潮灘的動態監測研究十分必要。

在重點區域，有學者采用標樁法定期監測潮灘的沖淤變化[2]，或采用全球定位系統 RTK不定期監測潮灘地形[3]，或采用不同時段水準詳測地形資料來進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成本高等原因，近年來嘗試采用遙感方法進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生的明顯淤長或蝕退的變化趨向截然相反的動態[8]。

本研究以遼東灣北部潮間帶淺灘盤錦灘為試驗區，以多時相的遙感數據為基礎，利用獲取的遙感水邊線，并結合海圖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 研究區概況

盤錦灘位于遼東灣頂端，中居大遼河口與雙臺子河口間（如圖1）。灘地0 m線邊界（本文地形、水深高程基面均采用當地理論最低潮面）較為平順，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粉砂、砂質粉砂、粉砂質砂為主。盤錦灘東、西兩側分別為大遼河口與雙臺子河口，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。本海區的波浪以風浪為主，波高一般小于0.5 m，常浪向為SSW向，其次為SW向1)張明, 孔憲衛, 郝媛媛. 工程海域岸灘演變特征及趨勢分析 [R]. 交通部天津水運工程科學研究所, 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 遙感水邊線技術和遙感數據選擇

2.1 遙感水邊線技術

遙感水邊線是遙感影像上水陸的邊界線，它反映了某時刻水陸的瞬時狀態，通常認為它與成像時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潮站的潮位資料確定，在缺少實測資料時，采用驗潮站的預報潮位值代替[9]。遙感水邊線方法是近年來研究潮灘動態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，根據水邊線的變動來分析潮灘的水平沖淤速率。當有多組時間相近的遙感水邊線時，可以通過數字高程模型技術建立潮灘數字高程地形（DEM，Digital Elevation Model），獲取潮灘的近似地形。對不同時期的潮灘DEM進行疊加分析，很容易獲得潮灘在某一時段內的沖淤空間分布情況。

2.2 遙感數據選擇

本文選擇了對水陸邊界描繪較好的TM、ETM、Spot等19個時相的衛星遙感數據（表1），結合岸灘在一定時期內變化緩慢的特點，將其影像分成時間相近的3組（1993年組、2001年組和2005年組，1988年影像未歸類），見表1。每組時間間隔較近，可以認為反映的是這一時期潮灘的近似地形。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 遙感數據概況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的獲得

對遙感影像進行幾何精校正，校正后的誤差控制在0.5個像元。然后根據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。在計算影像成像時刻的瞬時潮位時，采用二次多項式對影像成像時刻前后共5 h的正點潮位數據進行擬合，二次多項式為y = ax2+ bx + c，其中a，b，c為待定系數，x為時間變量（自1開始），y為潮位。通過多項式擬合的結果能夠較好地體現潮位的變化特點，比采用線性插值更好。在求出影像成像時刻的瞬時潮位后，將該潮位賦值給對應的水邊線，也就近似得到了潮灘的高程線。在ArcGIS 9.2平臺下用Divide工具將連續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化為水邊線高程點。

3.2 潮灘數字高程模型的構建

通過水邊線的方式難以獲得潮灘0 m線邊界，鑒于海圖深度基準面與潮汐基準面一致，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年該海域的實測水深資料的0 m線邊界，同樣將高程值賦到點。忽略每組內潮灘地形的變化，構建3個時期的潮灘DEM（如圖2）。由于受成像時潮位的限制，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，同時考慮到近岸潮灘受人類活動影響較大，因此，在構建數字高程模型后，去掉近岸地區，提取出潮間帶3.0 m高程以下的地區。

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 水平沖淤變化

根據影像水邊線的潮情和水位特點，選擇兩組潮位相近的影像水邊線進行比較，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。經對比分析發現，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的，說明潮灘在該位置是淤漲的；尤其是二界溝潮灘的東側淤漲明顯，平均淤長 80 m；潮道西側除小部分后退較多外，總體向外淤漲，平均淤長136 m；大遼河入海口附近外移和后退并存，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，平均達452 m，二界溝東側往大遼河方向淤長寬度逐漸變小，平均淤長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年組近似地形進行代數運算，可得到各時段內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及大遼河入海口盤錦灘一側沙嘴處；2001－2005年（組）間，沖刷范圍逐步擴大，盤錦灘靠近大遼河入海口及二界溝的西側沖刷較多，二界溝東側淤積。總體來看，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，沖刷比較嚴重的主要位于二界溝潮道的0 m線附近，以及大遼河入海口的沙嘴附近。從整個過程來看，前期淤積為主，后期侵蝕有擴大的趨勢。

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沖淤分析的可靠性

由于灘面表層高含水量、潮灘底質、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際交接線存在隨機誤差[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資料不足限制，水邊線精度的評價常依據少數斷面資料進行，反映并不全面。本研究以2008年8月盤錦灘詳測地形數據對提取的水邊線進行驗證，主要關注影像水邊線對地形的描繪能力。經研究發現，Landsat TM1 ～ TM7各波段對于本處的淤泥質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、在有較長時間足夠引起潮灘地形變化時，利用水邊線技術進行潮灘水平沖淤變化分析具有較高的可信度。

在具體分析的時候，潮情對水邊線的解譯結果具有一定影響，影響大時會引起誤判，尤其是在地形比較平緩的地段，常造成判斷錯誤。為降低這種影響，需要結合當時潮情，當潮位相近時，如果落潮時刻水邊線比漲潮時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，可通過驗證不同潮高下水邊線的分布情況，來提高判斷的準確性。

5.2 數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。本研究利用2008年8月盤錦灘詳測水深與2005年組遙感水邊線反演的高程地形進行差值運算來進行高程模型精度的評價。

如圖4，遙感反演地形與實測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，標準誤差為0.40。其中，誤差在±0.2 m之間的區域占總面積的37.8%，誤差在±0.4 m之間的區域占總面積的60.4%，誤差在±0.6 m之間的區域占總面積的81.1%，誤差在-0.9 ～ 0.8 m之間的區域占總面積的97.92%。在區域的邊界、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測地形間的誤差較大。誤差產生的原因主要有水邊線高程點的準確性、水邊線獲取時段與實測地形這段時間內潮灘地形的沖淤變化[11]，以及插值方式等。為減小誤差，提高反演的現實性，盡量采用時間相近、風浪較小時的影像，水邊線要盡可能均勻分布在低潮灘至高潮灘之間的區域。

圖4 遙感反演地形與實測地形間的誤差統計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、以及潮灘數字高程模型的精度等因素。受資料和技術條件的限制，不同時段潮灘空間沖淤變化分析的可靠性驗證較為困難。本文從遼河流域水沙環境方面對盤錦灘的沖淤變化情況進行解釋，從而對用遙感水邊線方法分析潮灘空間沖淤變化的可靠性進行間接論證。

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、蟹等水產品的養殖，岸線逐步向海推進，其演變部分受人類活動的影響，但與流域來水來沙變化關系密切。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，遼河來水來沙相對豐富，而2000－2006年間，來水來沙迅速減少。由于流域來沙減少，導致遼河三角洲前緣的岸灘盤錦灘由淤積向侵蝕發展，侵蝕的范圍逐步擴大。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流域來沙減少的響應。

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 論

水邊線技術是目前利用遙感方法研究淤泥質海岸帶沖淤變化的有效手段。本文以盤錦灘為試驗區，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測地形存在一定差距，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時間內，利用遙感水邊線方法分析潮灘在某個位置附近的水平沖淤變化是可信的；

b) 采用水邊線技術結合海圖0 m線構建的潮灘地形，與實測潮灘地形存在一定誤差，但在缺少實測地形資料情況下，仍不失是一種有效途徑；

c) 本研究成果已運用于當地圍海造地工程，對同類問題具有顯著的借鑒意義，但各組遙感影像的時間間隔可能要進一步縮短。

致謝：交通部天津水運工程科學研究院左書華博士對本文提出了修改建議，以致謝忱。

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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

國家自然科學基金項目（40601071）

張明（1981－），男，河南信陽人，碩士，研究實習員，主要從事海岸帶遙感與地理信息系統應用工作。電子郵箱：kfzhangming@163.com