輻射沙脊群潮灘地形遙感遙測構建

馬洪羽,丁賢榮,葛小平,夏娟

（1 .河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京210098；2 .河海大學水文水資源學院,江蘇南京210098）

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輻射沙脊群潮灘地形遙感遙測構建

馬洪羽1,丁賢榮2,葛小平2,夏娟1

（1 .河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京210098；2 .河海大學水文水資源學院,江蘇南京210098）

摘要:潮灘地形是合理開發利用潮間帶灘涂最重要的指標之一。灘涂水邊線測量法是目前公認的具有可操作性的灘涂地形遙感測量方法。本文以水邊線測量方法為基礎,提出一種基于水位測站基線的潮灘地形遙感遙測構建方法。以江蘇沿海大面積潮灘為研究區,將該區域自建的4座水位測站的連線作為水位測站基線,結合不同潮情下采集的遙感影像提取的灘涂水邊線數據,通過水位測站基線計算灘涂水邊線高程,從而構建出輻射沙脊群潮灘地形。采用實測地形數據進行檢驗,結果表明:構建的D E M能夠反應當前潮灘的基本形態,平面精度達30 m,垂直精度達20 cm。

關鍵詞:水邊線；水位測站基線；輻射沙脊群；水邊點；水位測站基點；D E M構建

1 引言

水邊線的含義是陸地與海水面的瞬時交界線。潮灘上的水邊線通常是隨著水位的升降而處于動態變化之中,因此具有很好的潮灘高程指示作用。基于水邊線構建潮灘高程的方法已經成為公認的具有可操作性、效果較好的潮灘地形遙感測量方法。該技術在測量環境以及測量范圍方面具有獨特的優勢,對于大面積的潮灘地形構建能夠滿足精度,當前該技術已經有較多的應用。M ason等［1］利用地球資源衛星的合成孔徑雷達數據提取了英國東岸日H u m ber/W ash區域的水邊線信息,通過復雜的潮汐-風暴水動力模型估算水邊線高程,并據此構建數字高程模型。該方法的水邊線高程是由水動力學模型一次性給定,但是由于缺乏實測水位、潮流資料使得模型的精度不高,則高程賦值不夠準確。國內學者鄭宗生等［2］針對小范圍的灘涂,認定其水邊線的高程值是固定的,即認定水邊線就是等高線,然后利用附近的水位站的實測水位高程值或者斷面數據,對水邊線進行賦值,生成灘涂地形。該方法針對小面積的灘涂地形可用,但是大面積的灘涂,其水邊線并不是等高線,需要更多的實測斷面測量數據和水位數據進行賦值。2008年鄭宗生等［3］通過水動力模型軟件（Delft3 D）模擬出影像成像時刻的水位值并賦值給對應的水邊線,利用GIS空間分析功能對具有高程信息的水邊線進行空間插值,反演出潮灘的D E M。2010年朱昂［4］、2011年康彥彥［5］和李青［6］從納潮盆地地貌特征線入手,利用BP神經網絡、A N U D E M插值等技術模擬細節潮灘地形。2013年,陶旭和張東［7］通過分析高光譜影像反射率與實測高程之間的相關關系,建立地表反射率與高程的轉換關系模型,實現潮灘大范圍概要地形信息的高光譜定量反演。但大范圍情況下,該方法反演地形要將灘涂分很多區域,而且分區沒有明確的標準,根據光譜反演因子的不同,分區也不同。有效地高程反演因子很難獲得,需要大量的重復實驗,較為耗時耗力。目前學者在該方面研究有較多成果,但并未規范化、程序化。本文在前人研究的基礎上,針對江蘇沿海岸灘地形變化的規律性,結合同時期的遙感影像和實測數據,研究構建大范圍岸灘地形的方法,為后續深入研究（動力環境模擬、淤泥質潮灘沖淤演變）提供基礎的背景資料,同時為海岸帶土地利用、海岸工程建設、濕地環境保護及海岸帶資源的可持續利用等提供決策支持,理論及現實意義重大。

輻射沙脊群位于江蘇蘇北海岸外,屬于黃海南陸架海域,范圍自北部的射陽河口至長江口北部的嵩枝港［8］。南北長約200 k m,東西寬將近140 k m,在輻射沙脊群的近岸部分,多數沙脊在低潮時候出露,成為規模不等的小沙洲［9］。東海前進波與南黃海旋轉波在此相匯,沙脊群以弶港為頂點呈褶扇狀向海輻射,主體由輻射狀的沙脊以及深大潮流通道組成,像一朵巨大的蘭花綻放在江蘇沿海的黃海西岸（圖1）。在其掩蔽的江蘇海岸中部,形成了一系列寬大的潮灘,寬度一般在7～8 k m,最寬處在條子泥、高泥一帶可達40 k m。

圖1 研究區Eig .1 Research area

輻射沙脊群土地資源潛力巨大,總面積約28 000 k m2,其中出露于水面以上的沙洲與灘地面積3 782 k m2。對于江蘇這樣一個人多地少的沿海省份,輻射沙脊群可以提供巨量的后備土地資源,但海域內水動力環境復雜,動力地貌特殊,特別是潮強灘寬的潮灘區,灘地低潮出露時間短,以車船為載具的常規地形測量難以開展。這類潮灘潮差大,水流急,潮水溝擺動異常,導致灘地地形動態變化極為活躍。近幾十年來,未能完整地進行沿海潮灘常規地形測量,影響了沿海科學研究和開發建設的深入展開。

因此,對輻射沙脊群潮灘地形進行研究,科學地認識和評估潛在的空間資源,合理地開發利用與保護這塊稀世珍寶,將是江蘇沿海開發戰略性的“東方橋頭堡”。

2 數據和方法

2.1 數據來源

主要數據包括:遙感影像數據、水位測站的水位數據和實測地形數據。

遙感影像數據主要來源于我國環境與災害監測預報小衛星,共收集16景環境與災害監測預報小衛星影像以及3景Landsat-T M影像,分辨率均為30 m,時間跨度為2013年12月至2014年5月（表1）。影像均經過篩選,幅面能夠覆蓋整個輻射沙脊群海域并且成像清晰、層次豐富、反差適中,可方便進行幾何糾正和水邊線提取。

水位數據主要來源于沿海自建的4個水位測站。自北向南依次為:大豐港、東大港、新條漁港、洋口港。其中,大豐港和洋口港從2010年開始監測水位,東大港和新條漁港從2012年10月開始監測水位。各水位測站采用1985國家高程基面。水位測站的數據采集方式是固定時長的連續采集方式,每隔5 min采集一次,每次采集時長為3 s。由于遙感影像成像時刻不是固定的,并且不能保證與水位數據采集時刻一一對應。因此,為了得到任意時刻水位測站的水位信息,特別是成像時刻的水位信息,需要進一步對水位數據進行插值計算。常用的獲得瞬時時刻水位數據的方法有兩種:一是根據潮汐的調和常數內插出成像時刻的水位數據；二是根據已知的整點水位觀測數據來建立多項式,采用插值或者擬合的方法來獲取任意時刻的水位值,此種方法簡單快速,無需諸多細節。本文采用方法二,應用M atlab工具中一維插值函數的線性插值方法計算出影像獲取時刻的水位值,重復上述計算得到19景影像獲取時刻對應的水位數據（表1）,從表中可以看出各水位測站間的水位同步不同高。

表1 遙感影像信息及成像時刻各水位測站水位值（m）Tab .1 RS images information and each hydrological station water level of corresponding time（m）

實測數據用于對構建的輻射沙脊群潮灘D E M驗證,以評價D E M的質量以及構建方法的優劣。包括2013年7月實測斷面、沿海集團提供的2012年1月條子泥測點和測繪部門提供的2006年Lidar地形。

2.2 研究方法

2.2.1 水邊線提取方法

圖2 4種水邊線提取方法Eig .2 Eour extraction methods of water boundary

本文對比4種水邊線提取方法,單波段閾值分割法（圖2a）、邊緣檢測算法（圖2b）、多波段譜間關系法（圖2c）和面向對象空間特征提取（圖2d）。前三者的核心是閾值確定,閾值的選取直接決定水體提取的精確性。當水體和影像中其他地物的反射率區分困難時,很難找到一個準確的閾值將水體與其他地物完全的區分開,從而造成水體提取質量較差。因此,通過確定閾值來提取水體信息的方法對地物類型比較豐富、地物在所選波段上的灰度值相近的影像是有一定局限性。應用E N VI軟件的面向對象空間特征提取模塊——Eeature Extraction（簡稱E N VI E X）提取水邊線。該技術主要是集合臨近像元為對象用來識別感興趣的光譜要素,充分利用高分辨率的全色和多光譜數據的空間、紋理以及光譜信息來分割和分類的特點,以高精度的分類結果或者矢量輸出［10］。此法基于邊緣分割算法,計算快且僅需一個輸入參數就能產生多尺度的分割效果,在操作過程中隨時預覽影像分割效果,適用于中高分辨率多光譜和全色影像。最終采用較為符合本文所用地形構建方法的面向對象空間特征提取方法提取21景影像的水邊線。

2.2.2 基于水位測站基線的水邊點高程賦值方法

由于輻射沙脊群的空間范圍跨度較大,衛星過境時刻的海面不可能被視為一個平面,所以同一條水邊線上的不同位置的高程也是不同的,從遙感圖像中提取出的水邊線也無法直接用來構建輻射沙脊群潮灘地形。因此,將水邊線按照影像的分辨率即30 m間隔進行離散,得到水邊點數據。

水邊點的高程賦值是地形構建的關鍵環節,本文采用一種新的賦值方法,通過水位測站基線計算水邊點高程。基線是指在測量、計算或定位中的一種基本參照。水位測站基線是4個水位測站之間的連線,大豐港-東大港,東大港-新條漁港,新條漁港-洋口港（圖3）,以下簡稱基線。該基線建立的原理是,在水動力環境相同水域可建立多測站間的同步水位基線,即文中的水位測站基線,水動力環境不同,則不可建立。如輻射沙脊群南北兩側,受條子泥、高泥、東沙等高灘阻隔,低潮階段西洋與黃沙洋、爛沙洋不可建立同步水位基線,而高潮階段沙頂淹沒,則可建立。對于多測站海域,任意兩測站之間可形成一條同步水位基線。該基線兩端水位測站的水位具有同步不同高的性質,基線上任意一點的同步水位可按照相鄰兩站距離權重進行插值獲得。

潮位站站網基線是折線,水邊線是與灘涂地形無縫吻合的曲線,二者的平面空間可重合也可不重合。根據遙感影像空間分辨率大小,水位測站基線同樣按照30 m分辨率離散,生成水位測站基點,以下簡稱基點。根據海面連續性特性,在潮位可比海域,按照最近距離水位傳遞原則,水邊點水位分別取自與其最鄰近基點的水位（圖3）。以此類推,可進行系列水邊線的高程賦值。

基點的高程值由水位測站的同步水位插值獲得。本文應用M AT L A B工具,對比了4種插值方法（圖4）:線性插值、三次樣條插值、三次多項式插值和最近鄰點插值（linear、spline、cubic、nearest）其調用格式為:

圖3 水位測站基線圖Eig .3 H ydrological station baseline

式中,d代表的是已知數據點的橫坐標向量,即由北至南水位測站間的距離,d必須單調；h代表已知數據點的縱坐標向量,即對應水位測站的同步水位；D為未知數據點的橫坐標數據（或數據組）,D不能超出d的范圍,而method為可選插值方法［11］。從插值結果來看,線性插值的正確性最高,數值無外拋或者內凹現象；又根據水面連續性和水位“跳繩效應”特征（圖5）,選擇線性插值最為合理。因此,采用線性插值方法計算出21個時刻對應的水位測站基點的高程值。

水位測站基點和水邊點均是常規三維空間點,采用最鄰近算法將基點的高程值賦給水邊點。最鄰近算法是指計算基點和水邊點之間互為最近距離的點, 圖3中水位傳遞示意線是該算法的基本表達,依據最近距離將基點的高程值賦給對應水邊點。二者在海面上東西向分布,其之間最大距離為9 k m,采用最鄰近算法賦值在精度允許范圍內。此外,海水面的連續性特征,使得空間上越靠近,屬性越相似,相關性越高,即兩點之間距離越小,水位越相近。從而得到具有高程信息的水邊點。

圖4 計算水位測站基點高程的4種插值方法Eig .4 Eour interpolation methods of hydrological station baseline points elevation calculating

圖5 水位的跳繩效應Eig .5 Rope skipping effect of water level

3 成果分析

3.1 潮灘DE M構建

插值是利用有限數目的樣本點來估計未知樣本點值的一種方法,這種估值方法可用于生成高程、降雨量、化學污染程度、噪聲等級、湖泊水質等級等連續表面［12］。在獲取了潮灘水邊線以及完成給水邊點賦值后,進一步探討構建輻射沙脊群潮灘地形。

插值的前提是空間地物之間具有一定的空間相關性,距離越近的地物相關性越高,其值也就越接近。由點數據插值生成柵格的方法有很多種,本文討論了自然鄰近插值法（Natural Neighbor）、反距離權重插值法（Inverse Distance W eighting,ID W）、克里格插值以及規則樣條函數插值4種常用方法。以泥螺珩為實驗區,將已賦值的水邊點的高程數據作為輸入,內插生成潮灘地形。與2006年實測Lidar數據作差,獲取誤差分布圖（圖6）,結果表明Natural Neighbor生成的地形較為真實,精度最好。

此外,從4種方法的誤差指標對比來看（表2）:除樣條函數插值法,其他插值方法的誤差平均值都很小。雖然ID W法和Natural Neighbors法兩者的各精度指標相近,但從D E M的表面光滑性來看,Natural Neighbors方法更優。因此,本文采用Natural Neighbors方法構建D E M ,通過調用ArcGIS中3 D Analyst模塊的Natural Neighbor Interpolation命令,輸入21個時刻水邊點的高程數據,cell size設置為30 m×30m,以保證整體數據分辨率的一致性,插值構建出輻射沙脊群潮灘D E M（圖7）。

圖6 誤差直方圖Eig .6 Error histogram

表2 4種地形插值方法的誤差指標表（單位:m）Tab .2 Four error indicators of terrain interpolation methods（Unit :Meter）

3.2 精度驗證

2012年條子泥測點數據是由沿海集團提供, 1∶1萬測圖比例,廢黃河基面,測區面積128.01 k m2,主要分布在西大港、東大港區域的灘涂（圖8）。境,潮水溝變化速度快也是實地測量的重要困難之一。

圖7 輻射沙脊群潮灘地形反演結果Eig .7 Terrain of radial sand ridges tidalflat

由2012年測點內插生成DE M,與同期影像疊加對比,二者吻合,證明數據的可靠性。2014年DE M與2012年DE M作差值運算,獲得該區域沖淤空間分布和地形誤差統計（圖9,10）。其平均值- 0.28 m,最大值4.53 m,最小值- 6.27 m,誤差小于- 2 m的數據較多,使誤差分布不服從正態分布。因此,應用A RC M AP中R ASTER C A LC U L ATE工具計算沖刷高度在- 2 m以下區域（圖11）,可以看出西大港和東大港的潮水溝擺動造成灘涂沖刷劇烈,尤其是東大港潮水溝。對該區域沖淤進行定量統計（表3）,其中沖刷是差值小于0區域,淤積是差值大于0區域。潮水溝的擺動是造成沖刷和淤積量大的主要原因,也符合該地區水動力環

圖8 2012年1月條子泥1∶1萬實測點圖Eig .8 January 2012 Tiaozini 1∶10 000 measuring points

圖9 條子泥灘涂2014 - 2012年沖淤空間分布Eig .9 The spatial distribution of erosion of 2014 - 2012 in Tiaozinitidalflat

圖10 地形誤差統計圖Eig .10 Statisticalfigure of terrain error

圖11 沖刷高度在- 2 m以下區域Eig .11 Scour altitude below - 2 m in the area

表3 2012 - 2014年沖淤量統計Tab .3 Quantity of statistics of scouring and siltingin 2012 - 2014

需要指出的是,水位測站基線法構建的輻射沙脊群D E M與2012年D E M的總平均差實際為0.08 m。因為,前者采用1985國家高程基準,后者則是廢黃河基面,二者在江蘇中部輻射沙脊群海岸相差0.2 m,即廢黃河基面低于黃海85基面0.2 m。因此,水位測站基線法構建的輻射沙脊群D E M減去2012年D E M的總平均差應該是0.2 m - 0.28 m = - 0.08 m。由此說明,灘涂體積總體穩定,潮水溝地區沖淤變化較大,2014年D E M與所測量的局部地區相比略有沖刷趨勢。

圖12 2014 - 2006年輻射沙脊群地形沖淤分布Eig .12 The spatial distnbution of erosion of 2014 - 2006

2006年Lidar地形數據由測繪部門提供,1∶1萬測圖比例,分辨率是5 m×5 m,黃海1985基面,有效測區面積286.399 km2。由于2006年實測數據與2014年地形露灘的形態不同,因此,通過空間掩膜運算提取二者有效值的區域,計算差值,獲得2014 - 2006年地形沖淤分布及沖淤統計（圖12,14）。沖淤統計結果:平均值2.16 m,最大值12.27 m,最小值- 6.71 m,在5～10 m間出現異常誤差值。因此,提取淤積高度在5～10 m區域（圖13）,是較2006年灘涂明顯增長區域,由圖13可以看出,東大港和西大港潮水溝的擺動仍舊是造成沖刷的主要地帶,東大港潮水溝明顯向南擺動,條子泥灘涂南部淤積大于北部,局部小區域略有沖刷,對于工程實施有利。總體上從2006 - 2014年平均淤積2.16 m,平均年淤積率0.27 m。

圖13 沖刷高度在5 m以上區域Eig .13 Scour altitude above 5 m in the area

圖14 2014 - 2006年地形誤差沖淤統計圖Eig .14 Statisticalfigure of erosion of 2014 - 2006

為檢驗本文所構建地形,只考慮兩D E M公共區域,獲取誤差統計（圖15）,平均值0.03 m,最大值11.62 m,最小值- 6.71 m,標準差1.46 m。由此說明,公共區域灘涂穩定性較高,地形基本穩定。同時,二者相減的誤差平均值為3 cm,符合地形測量精度。對該區域沖淤進行定量統計（表4）,對比表3可知,局部沖淤變化很大的情況下,隨著范圍的擴大,沖淤被2013年條子泥實測斷面數據,黃海1985高程基面,共12條測量斷面,其中3條位于本文地形構建區域,每隔3.5 m一個測點,共12 058個測點（圖18）。平均化,但總體為淤長型灘涂。并且沖淤變化較大的原因是水動力引起的潮水溝的擺動。

表4 2006 - 2014年沖淤量統計Tab .4 Quantity of statistics of scouring and silting during 2006 to 2014

圖15 2006 - 2014年地形誤差統計圖Eig .15 Statisticalfigure of terrain error of 2014 - 2006

應用A R C M A P空間分析模塊的E X T R A C T VA L U ES T O P OIN TS工具,提取與實測斷面點位置對應的輻射沙脊群D E M高程值,計算二者高程差,得到誤差統計（圖17）,服從正態分布。圖18是兩斷面高程值的折線圖,可以看出灘涂高程值整體變化趨勢整體一致,局部潮水溝地區變化較大。一方面原因是水動力造成潮水溝的擺動、沖淤；另一方面是本文構建的D E M分辨率是30 m,而實測斷面分辨率是4 m,構建的地形相對較粗略,點序1420 - 1807之間就是此情況引起的誤差較大。

應用select by attributes工具提取誤差值大于1 m的點,圖中藍色高亮點,可以看出同樣是由于潮水溝的沖淤造成。尤其是條魚港區域的淤積十分明顯,對應表中點序7354 - 8902。

圖16 2013年數據測點信息Eig .16 The measured points information in 2013

圖17 2014 - 2013年誤差統計圖Eig .17 Statisticalfigure of error of 2014 - 2013

圖18 兩斷面高程值的折線圖Eig .18 Two section elevation value of line chart

4 結論

以水邊線法為基礎,結合水位測站基線賦值方法,構建輻射沙脊群潮灘地形的模擬方法在理論上可行,精度可信,結果符合潮灘地形基本規律。該方法實現水邊線從2 D到3 D的轉換,除大比例尺工程測量的精度要求外,基本滿足對潮灘演變、沖淤計算等基礎研究的地形精度要求,可作為主要數據資料使用。D E M結果表明該方法是建立在遙感影像和水位數據相結合現代信息技術基礎上的新型測量方法,對于灘涂濕地動態多變地形具有快速、高效的測量效果,此方法具有可操作性,制圖成果具有實用性。但根據現有影像很難獲取最低潮影像；影像分辨率30 m,無法滿足大比例尺精度；該賦值方法存在一定的缺陷,由于受輻射沙脊群沙脊的影響,使該區域不能視為開暢水域,導致亮月沙、東沙東部灘涂賦值不夠準確,但從驗證結果來看,并未導致結果不正確,說明只需進一步優化,達到更高精度。這些將是本文進一步研究的方向。該方法的優點是大范圍灘涂地形的構建可以程序化、客觀化,真正意義上達到快速高效。

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中圖分類號:P737.2

文獻標志碼:A

文章編號:0253-4193（2016）03-0111-12

收稿日期:2015-02-12；

修訂日期:2015-05-14。

基金項目:國家科技支撐計劃（2012B A B03B01）；國家海洋公益性行業科研專項（201005006）；江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）（B K2012414）。

作者簡介:馬洪羽（1990—）,女,吉林省遼源市人,主要從事海洋遙感與地理信息系統研究。E-mail:hhu_m hy @ 163 .com

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Remote sensing and remote measuring approach to construct tidal flatterrain in the radial sand ridges

M a H ongyu1,Ding Xianrong2,Ge Xiaoping2,Xia Juan3
（1 . HohaiUniversity Schoolof Earth Scienceand Engineering,Nanjing 210098,China；2 . HohaiUniversity Collegeof Hydrology and Water Resources,Nanjing 210098,China；3 . Hohai University Schoolof Earth Science and Engineering,Nanjing 210098,China）

Abstract:Tidalflat terrain is one of the mostimportantindexes for us to exploitintertidal mudflatlegitimately .Its measure method that using water boundary of tidal flat is now widely approved as a feasible method by remote sensing . Based on this method,the paper provided a new way named hydrological station baseline to constructtidal flat terrain . The way is established in a large tidalflat of radial sand ridges in coastal area of Jiangsu Province byconnecting 4 hydrological stationsin a row,used the values of waterlevel,getting from the hydrological stations,to calculate water boundaries' elevation which were extracted from remote sensing images with multi tide situations . Accordingly,completed the construction of the tidalflat terrain of radial sand ridges . The accuracy was confirmed by actual measurement terrain . Results show that the D E M can reflect the current basic form of tidalflat and the position accuracy approach 30 m and the elevation accuracy approach 20 cm .

Key words:water boundary；hydrological station baseline；radial sand ridges；water boundary points；hydrological station baseline points；D E M construction