基于潮汐模型和DEM的海岸線提取方法研究

董玉磊，王榮林，呂立蕾，許 軍

(1.天津海事測繪中心，天津 300222；2.海軍大連艦艇學院，大連 116018)

海岸線測量是海道測量、地圖測繪、海岸帶調查、海岸和海域管理等的重要內容，也是重要的基礎地理數據。對于地理概念的海岸線，在地形圖、海圖測繪中均有涉及和規定[1]。《海道測量規范》[2]和《中國海圖圖式》[3]中定義“海岸線是指多年平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線”，其位置主要是由潮汐作用所決定，同時也受到波浪、海岸坡度、岸灘物質等因素的影響，是近似于相應的某一潮高面與岸灘相交的線[4]。規范要求海岸線應實測，但傳統的人工測量存在很多弊端，主要表現為測量困難甚至部分區域測量存在危險，測量效率低下，不同的測量人員對同一段海岸線的位置判斷不一致、存在測量結果存在因人而異的情況。隨著遙感技術的發展，其高分辨率、高定位精度的優勢凸顯，為海岸線測量提供了新的技術手段。林桂蘭[5]探討了利用遙感影像自動提取海岸線的技術方法，分析了目前海岸線自動提取方法的可行性和局限性。劉善偉等[6]研究了應用高分辨率衛星遙感影像和DEM數據提取海岸線的技術方法，通過試驗證明了可行性，但有些圖像識別困難地區需要處理人員具備較為豐富的經驗進行判斷。 于彩霞等[7]闡述了遙感影像提取海岸線的實現過程、關鍵技術，分析了存在的局限性。本文提出了基于潮汐模型與精細DEM模型提取海岸線的方法，用無人機航攝的海岸帶影像建立精細DEM模型，利用記錄的時間信息和位置信息在潮汐模型中計算出海岸線高和各個拍攝時刻的水涯線高，通過反算海岸線的高度值在精細DEM中確定出海岸線的位置。

1 海岸線提取技術路線

人們通常認為，海岸線是海陸分界線。更確切地說，它是海平面與陸地的交界線。但是，由于潮汐運動、風浪等影響，海水一直處于動蕩不定的狀態中，海水面并不處在一個固定的平面位置上，而是不斷升降著。這種變化，又隨著不同地區、不同潮汐性質和不同海岸地形而有明顯的差別[8]。假定攝影時刻在一定范圍內，水涯線不受潮位影響，水涯線的位置可以認為是干出灘上高程一致點連接而成的等高線(也稱等水位線)。在上述假設條件下，可以在無人機航攝生成的數字高程模型(DEM)中提取出一系列攝影時刻水涯線的位置和高程值；通過潮汐模型可以推算出水涯線的高及其該海岸線高。根據潮汐模型計算的水涯線與海岸線的高差，加上在DEM中分段獲取出水涯線的高程值，進而在DEM中根據計算出來的海岸線高程值分段提取海岸線，再根據影像對提取的各段海岸線進行整理，最終生成完整的海岸線。技術流程如圖1所示。

圖1 基于潮汐模型和DEM模型提取海岸線流程圖Fig.1 Coastline extraction flow chart based on tidal model and DEM model

1.1 潮汐模型構建

潮汐模型[9-12]構建先以海圖水深數據為基礎、關鍵淺水區的實測水深成果數據為輔，構建中國近海水深格網，基于POM模式、采用blending同化法同化了計算域內的T/P與Jason-1衛星測高沿跡的潮汐參數、130處中期驗潮站與106處長期驗潮站成果，分別構建初步模型、中間模型與最終模型，該模型的空間分辨率為1′×1′，包含13個主要分潮。

應用潮汐模型進行潮位推算時需以附近長期驗潮站為基準站，通過實測的長期驗潮站潮位數據對潮汐模型的預報潮位進行訂正，該模式與實測數據比對有較好的符合性，已廣泛應用于海道測量的工作中。

1.2 水涯線高計算

據研究潮位由天文潮位和余水位兩部分構成，其中天文潮位由日月引力和地球自轉引起，具有極強的規律性和可預報性；余水位由短時間氣象因素(主要是風)和海平面季節性變化引起，具有較強的時間連續性和區域相關性[13]。

(1)

天文潮位是水位運動變化的主體，由若干分潮綜合而成，假設分潮個數為m，則表達式為

(2)

式(2)中：H代表分潮的振幅；σ代表分潮角速率；v0代表分潮的天文初相角；g代表分潮的遲角。

對于某一分潮，σ和v0可以通過天體運動推算得到，H和g為分潮調和常數，是該分潮在某點振動變化的參數，由此將天文潮位的推算轉化為分潮調和常數計算。潮汐模型根據拍攝位置給出各個分潮的調和常數H、v0、gi，根據時間t用式(2)預報出該海域t時刻的天文潮位。根據余水位具有空間相關性這一特點[14]，利用附近長期驗潮站的提供的余水位，即可根據潮汐模型和長期驗潮站的數據推算出不同拍攝時刻的潮位值，即水涯線高。

1.3 海岸線高計算

海岸線應以平均大潮高潮時所形成的實際痕跡進行測繪，實際上平均大潮高潮面的概念只存在于半日潮(規則半日潮與不規則半日潮)為主的海域，對于日潮(規則日潮與不規則日潮)占優海域則無實際意義，因為日潮占優的海域潮汐的變化規律與月相無關，而取決于月球赤緯[15]。暴景陽、許軍等研究認為從潮汐變化或潮差大小變化上，半日潮海域的大潮與日潮海域的回歸潮都是值潮汐的極值狀態，因此可以將平均大潮高潮面擴展到半日潮類型下的朔望大潮和日潮類型下的平均回歸潮高潮面。

基于潮汐模型可回報模型范圍內任一點過去一定時間長度的天文潮位，利用長期驗潮站數據可獲得同步期的余水位，二者疊加后可推算出某一位置的長期潮位數據，采用統計算法按潮差判斷出每次大潮，再取每次大潮前后共3 d的高潮，多年長期數據的平均值即為平均大潮高潮面[16]，即海岸線高。

圖2 無人機航攝的4段海岸線位置分布圖Fig.2 Coastline distribution of 4 sections taken by UAV

2 海岸線提取試驗

2.1 航攝概況

本次海岸線提取技術研究以無人機測量區域內的4段海岸線進行了實驗，岸線性質涉及沙質海岸、基巖海岸和人工海岸3種情況，每段海岸線長度約3.5 km，最大相距約15 km。每段岸線的航攝測量時間約為20 min，本實驗設定影像分辨率為15 cm(可滿足1:2 000地形圖測圖要求)，航高580 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，各段海岸線的位置分布如圖2所示。

2.2 潮汐模型數值推算

使用潮汐模型推算拍攝時刻的各個水涯線潮高值，按拍攝區域分4段計算出各個區域的海岸線的高，如表1所示。

表1 潮汐模型推算的第2段海岸線數值 Tab.1 Coastline height of section 2 calculated by the tidal model

注：表中給出的水涯線高(瞬時水位)和海岸線高(平均大潮高潮面)均以當地平均海面起算，單位為cm。

2.3 DEM中水涯線高程獲取和海岸線的提取

在DEM中選擇部分水涯線痕跡清晰、穩定的區域提取其高程值，剔除誤差較大的點后取其平均值作為該段水涯線的高程值。因此實際航攝時應選擇風浪小時拍攝，或者在DEM中選擇背風區域提取水涯線高程值(圖3)。

根據DEM中獲取的水涯線高程值，顧及潮汐模型推算的差值，即可計算出每段海岸線在DEM中的高程值，進而在DEM中將海岸線作為一段等值線分段提取出來。在DEM中根據計算的各段海岸線高程提取整理的結果如圖4～圖5所示。圖4中短虛線為水涯線，長實線為提取的海岸線，圖5中靠近水面的細虛線為提取的海岸線。

圖3 選擇有代表性水域獲取水涯線高程(線上離散點)Fig.3 Choose representative water area to obtain the elevation of the water-edge line(discrete points on the line)圖4 沙質岸、人工岸地區提取的海岸線Fig.4 A coastline extracted from sandy or artificial shore areas圖5 部分基巖岸地區海岸線提取結果 Fig.5 Coastline extraction results in bedrock shore area

3 研究結論

海岸線從其定義上應該是唯一的，但往往不論是采用現場測量還是航空航天遙感影像判繪方法，都會有不同的作業人員對同一岸段或同一作業人員對不同的岸段所測取的痕跡岸線也存在差異，甚至同一作業人員不同次的量測結果也不一致，導致了海岸線測繪成果的不確定性，這與測繪學對地形要素幾何和物理意義準確、唯一表示的基本要求相違背[17]。本文在通過總結目前海岸線測量方法的基礎上，提出了一種新的海岸線測量方法，并選擇一處海域進行了試驗，得出了以下結論：

(1)海岸線是低于一部分高高潮的，雖然高高潮所占比例不高，但往往是這些高高潮對海岸上的痕跡位置有直接影響，在風、浪及天文大潮的作用下將生活垃圾、水草貝殼等痕跡推向比海岸線更高的位置，造成人工實測岸線高程遠大于實際海岸線高程，本次試驗也驗證了這一點，這樣就造成了人工實測岸線更靠上一些，容易造成陸域的范圍縮減；

(2)在數據處理時發現，無人機影像構建的DEM模型在水涯線附近高程容易存在跳變，誤差較大，分析原因應是拍攝時相機受水體折射、波浪運動、多路徑效應等影響造成，因此無人機進行海岸線測繪時應盡可能選擇風浪較小的時候進行或者選擇在背風時拍攝，避免風、浪較大時拍攝，高、低平潮時是較為理想的航攝時段；

(3)通過文中給出的技術方案可以在DEM中提取出一條連續的海岸線，包含了位置和高程等較為詳盡的信息，不會因測量比例尺的變化而降低精度，提取結果的精度主要取決于采用的潮汐模型誤差和建立的DEM模型誤差。傳統的人工測量方式往往以點帶線而又因人而異，尤其在一些痕跡模糊的區域、測量困難的區域，測量精度較差，不宜采用人工測量方式獲取的結果來驗證這種提取方式的準確性和可靠性，因此提取的精度難以準確評定；

(4)本次研究引入“差分”的思想，將潮汐模型給出的水涯線與平均大潮高潮面的高差信息應用到DEM模型中，通過提取DEM模型中的部分水涯線高程進而可以確定海岸線在DEM中的位置；通過“差分”可以有效減弱模型自身的誤差、避免潮汐模型和DEM模型基準不統一等問題；

(5)本次提取的海岸線提取方法嚴格按照海岸線的定義進行實施，與海岸線的定義較為契合，改變了目前海岸線測量方式與定義要求不一致的現狀，確保了測量成果的唯一性、可靠性，提取的精度較為均勻、適用于大范圍的海岸線測量。這種方法今后在海圖測量、海島礁測量中將會有逐步體現出它的優勢。