從高分辨率衛星影像挖掘海岸沖淤變化信息的方法＊

王正軍，張 鷹，陳理凡，李 靜，曲偉秀

（南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京210046）

從高分辨率衛星影像挖掘海岸沖淤變化信息的方法＊

王正軍，張 鷹＊，陳理凡，李 靜，曲偉秀

（南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京210046）

以江蘇鹽城海岸為研究區，以2006年、2008年、2009年三景空間分辨率為10m的衛星影像為數據源，研究影像上提取海岸線、平均高潮線和平均低潮線的方法，以此分析港口／圍海造田等受人類活動影響岸段的演變特征。研究結果表明：1）與低分辨率的遙感影像相比，高分辨率影像可以提取出地物更細微的特征，因此可以根據高潮時水陸分界上留下的地物特征提取出平均高潮線；2）結合影像當天的潮位資料，根據平均高潮線、影像上瞬時水邊線、平均低潮線三者之間距離與時間的線性關系定出平均低潮線；3）從得到的平均高潮線、平均低潮線可以看出，2006年后平均高潮線每年都在不斷淤漲，而且淤漲的幅度在增加。平均低潮線2006—2008年處于動態平衡狀態，2008—2009年平均沖刷了840m，變化非常明顯。

高分辨率；沖淤變化；平均高潮線；平均低潮線

作為海陸相接的海岸帶，每時每刻都處于動態變化之中，這種變化是海岸對各種動力作用的敏感性響應，也是海岸環境演變的最直接體現形式。采用常規方法調查，不僅工作量大，而且成本高。遙感技術的發展，為海洋勘察開辟了一條新的途徑。利用遙感技術的宏觀性和周期性特點，采用多時相、多波段數據空間疊合分析，可以研究岸線的沖淤變化及海岸地貌變遷，而且能分析它的動力條件和變化因素，為海岸環境保護提供依據。

已有許多學者著重研究岸線的變形及岸線的均衡形態［1－4］，但對從高分辨率衛星影像提取海岸沖淤變化信息的方法研究較少，而高分辨率影像可以提取出地物更細微的特征。本研究以江蘇中部海岸為研究區，將地理信息系統和遙感技術相結合，探討如何從高分辨率影像中提取出平均高潮線和平均低潮線，并分析2006年后該地區的岸線的時空演變特征，為進一步認識海岸演變過程和海岸侵蝕機制提供科學依據。

1 數 據

1.1 研究區介紹

研究區位于江蘇鹽城境內斗龍港至川水港岸線，經緯度范圍介于33°29′20″～32°57′08″N，120°40′42″～120°54′21″E，該岸段為粉沙淤泥質海岸。該岸段主要受兩個潮波系統控制，一種是以無潮點為中心的旋轉潮波，是一種前進駐波；另外一種是來自東海進入的前進潮波，兩個潮波系統在研究區內輻合。潮波輻合區由于潮波能量集中使振幅增大，可以達到150cm左右，這就使得研究區內的水動力條件非常復雜。本研究區為正規半日潮且漲落潮歷時差都很小，平均潮差可以達到2.5～4m，由于受兩股潮波的輻合作用影響，沿岸平均高潮間隙從南往北不斷增大。

1.2 數 據

本研究選用的遙感數據是2006－12－25T10：47，2008－02－12T10：46和2009－05－17T10：48三景 ALOS影像，分辨率為10m。對這3景影像進行大氣校正和幾何校正。

大氣校正方法是暗象元法，將大洋一類水體當作黑體，其在影像中的像元值作為大氣程輻射，將每個波段中每個像元的亮度值都減去本波段的大氣程輻射。這樣可以使圖像亮度動態范圍得到改善，對比度增強，從而提高了圖像質量。

幾何校正是影像處理過程中的必要步驟，本研究在ENVI軟件中對這3景影像采用相同控制點進行幾何校正，所有影像的投影坐標系均采用高斯克呂格投影和 WGS－84坐標系，影像的校正采用二次多項式變換，利用雙線性內插法進行重采樣。幾何精校正誤差RMS均滿足利用多時相遙感影像進行動態變化檢測時幾何校正誤差小于0.5個像元的要求［5］。

2 研究方法

2.1 海岸線的提取

研究區內海岸線的類型包括人工達標海堤；人工未達標，正在不斷建設完善的海堤；自然條件下形成的高灘，以河口為典型區。

人工達標海堤在遙感影像上通常具有明顯的特征，一般堤壩都是由沙石、混凝土等構筑，因而堤壩反射率較其周圍地物要高，在影像上比較明顯，容易識別；人工未達標，正在不斷建設完善的海堤在高分辨率的影像中可以提取出已完成的部分作為海岸線；在河口地區，由于受到河流與潮流雙重水動力的作用，容易使得泥沙快速淤積，泥沙長時間的沉積就會形成高地，高地形成后潮水難以到達其表面，因此提取時以高地的邊界作為海岸線。

2.2 平均高潮線的提取

平均高潮線是指平均高潮時海水和潮灘分界的痕跡線。由于海陸之間的相互作用，高潮線帶內會生長一些特定的植被，還會留下貝殼、碎屑，使得受潮汐作用的地帶在微地貌上與未受作用的地帶迥然不同，這種差異導致了地物光譜特性的不同，在高分辨率影像上可以分辨出這些地物的特征，從而提取出平均高潮線。

2.3 平均低潮線的提取

水邊線是指衛星過境時海水和潮灘的分界線。根據陸地與水體具有不同的反射率特性，而且在近紅外波段，光被水體全部吸收，在遙感影像上清澈的水體呈現黑色，因此在近紅外波段的影像中將海陸分界所對應的反射率作為閾值，對圖像進行二值化處理，實現海陸分界。然后在ArcGIS軟件中采用手動勾畫的方式來提取水邊線。

除了大潮的時間外，潮水退落后的位置都不同，但都在一定的范圍之內，而平均低潮線就是指低潮線變化范圍內的平均值。

假設隨著時間的推移，海水從高潮線到低潮線是平均變化的，那么可以根據平均高潮線、水邊線、平均低潮線三者之間的平面距離與時間的線性關系來定出平均低潮線。根據大豐港附近站點的潮汐資料來確定平均高潮線到水邊線與水邊線到平均低潮線兩者之間的時間比，如表1所示。將平均高潮線和水邊線在經線方向上每隔10′分等，那么平均低潮線到水邊線在緯線方向上的距離就等于平均高潮線到水邊線在緯線方向上的距離乘以兩者的時間比，這樣就可以定出平均低潮線，如圖1所示。

表1 影像成像與當日最高、低潮位時間的差值表Table 1 The differences between the imaging time and the time for the highest and lowest tides

3 結果分析

3.1 海岸線的變化

從提取出的海岸線（圖2）可以看出：

1）從高分辨率影像提取出的海岸線更能體現出2006年后岸線的細微變化；

2）岸線長度變化幅度大，大部分海岸線長度減少，變化較大的主要是大豐港南部的岸段；

3）岸線曲率變小，岸線由曲折轉為平直。

3.2 平均高潮線的變化

為了精確計算出平均高潮線的變化，在大豐港到川東港閘岸段等距離地選取4條斷面，如圖3所示。

從這4條斷面可以看出，2006年后平均高潮線是不斷淤漲的，2006—2008年平均淤漲了187m，從2008—2009年平均淤漲了357m，2006—2009年平均淤漲了544m，如表2所示。由此可以看出平均高潮線每年都在不斷淤漲，而且淤漲的幅度在增加。

表2 平均高潮線的淤漲情況（m）Table 2 Accretion and erosion variations of the mean high tide line（m）

3.3 平均低潮線的變化

為了精確計算出平均低潮線的變化，在大豐港到川東港閘岸段等距離地選取4條斷面，如圖4所示。

從這4條斷面可以看出平均低潮線2006—2008年基本上沒有變化，斷面1和斷面4淤漲，斷面2和斷面4沖刷，研究區內平均低潮線處于動態平衡狀態。而平均低潮線2008—2009年平均沖刷了840m，變化非常明顯，如表3所示。

表3 平均低潮線的沖淤變化（m）Table 3 Accretion and erosion variations of the mean low tide line（m）

4 結 論

通過近幾年的遙感影像提取河口的沖淤變化，可以得到以下結論：

1）高分辨率影像可以提取出地物更細微的特征，可以分辨出由于海陸之間的相互作用，高潮線帶內會生長一些特定的植被，還會留下貝殼、碎屑，使得受潮汐作用的地帶在微地貌上與未受作用的地帶迥然不同，因此可以根據高潮時水陸分界上留下的地物的特征來提取出平均高潮線。

2）本研究在提取平均低潮線的方法上有一定的創新，在提取出平均高潮線和水邊線的基礎上，結合影像成像當天的潮位資料，假設隨著時間的推移，海水從高潮線到低潮線是平均變化的，那么可以根據平均高潮線、水邊線、平均低潮線三者之間的平面距離與時間的線性關系來定出平均低潮線。

3）從提取出來的平均高潮線和平均低潮線中可以看出，2006年后，平均高潮線每年都在淤漲，而且淤漲的幅度在增加。平均低潮線2006—2008年處于動態平衡狀態，2008—2009年平均沖刷了840m，變化非常明顯。

（References）：

［1］ZHU X H，WANG J，CHEN X.Study on the spatial fractal characteristic of coastline［J］.Scientia Geographica Sinica，2001，21（1）：70－75.朱曉華，王建，陳霞.海岸線空間分形性質探討［J］.地理科學，2001，21（1）：70－75.

［2］DAI Z J，LI C C.Coastline configuration and geomorphologic development mode of arc－shaped coast in South China［J］.Acta Geographica Sinica，2004，59（5）：738－744.戴志軍，李春初.華南弧形海岸線形態與地貌發育模式［J］.地理學報，2004，59（5）：738－744.

［3］GAO S.Shallow marine sedimentation and physical environment evolution as a part of global change：An Example from the Bo Hai，Yellow and East China Sea Regions［J］.Earth Science Frontiers，2002，9（2）：329－335.高抒.全球變化中的淺海沉積作用與物理環境演變——以渤、黃、東海區域為例［J］.地學前緣，2002，9（2）：329－335.

［4］LI H P，YANG G S.Response of coast to sea－level rise：a review of study methods［J］.Advance in Earth Science，2000，15（5）：598－603.李恒鵬，楊桂山.海平面上升的海岸形態響應研究方法與進展［J］.地球科學進展，2000，15（5）：598－603.

［5］WANG L，XU H Q，LI S.Dynamic monitoring of the shoreline changes in Xiamen Island with its surrounding areas of SE China using remote sensing technology［J］.Remote Sensing Technology and Application，2005，20（4）：404－410.王琳，徐涵秋，李勝.廈門島及其鄰域海岸線變化的遙感動態監測［J］.遙感技術與應用，2005，20（4）：404－410.

Methods for Extracting the Information of Coastal Accretion－Erosion Variations From High－Resolution Satellite Images

WANG Zheng－jun，ZHANG Ying，CHEN Li－fan，LI Jing，QU Wei－xiu
（College of Geography，Nanjing Normal University，Nanjing 210046，China）

Methods for extracting information about coastline，mean high tide line and mean low tide line from satellite images are investigated based on the satellite images which have a spatial resolution of 10m and were obtained in the coastal area of Yancheng of Jiangsu Province in 2006，2008and 2009，respectively.On the basis of these studies，the evolution of the coastal sections influenced by human activities such as harbor construction and sea reclamation for farming is analyzed.The results show that（1）comparing with the low－resolution remote sensing images，the high－resolution images can be used to extract more subtle culture features，from which the mean high tide line can be extracted；（2）by combining with the tide level of the day and based on the high tide line extracted already，the instantaneous water edge on the images and the leaner relationship among them，the mean low tide line may possibly be worked out；（3）it has been seen from the results obtained by the above methods that the mean high tide line in the study area has been being in an accretion state since 2006，with an increasing magnitude every year，while the mean low tide line was in a dynamic balance state from 2006to 2008，but was eroded by 840mfrom 2008to 2009，being very distinct in its change.

high resolution；accretion－erosion variation；extraction method；mean high tide line；mean low tide line

October 11，2010

TP79

A

1671－6647（2012）01－0063－06

2010－10－11

教育部高校博士點基金——海洋淺水地形遙感反演的關鍵技術研究（200803190007）；江蘇省科研創新計劃——輻射沙脊群地形遙感識別及分析（CX10B＿391Z）

王正軍（1985－），男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事海洋遙感方面研究.E－mail：wang585265＠sohu.com

＊通訊作者，E－mail：Zhangying1＠njnu.edu.cn

（張 騫 編輯）