遙感中軸線法在江蘇輻射沙洲潮溝演變監(jiān)測中的應用

劉燕春, 張 鷹

（南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210046）

遙感中軸線法在江蘇輻射沙洲潮溝演變監(jiān)測中的應用

劉燕春, 張 鷹

（南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210046）

根據(jù)1988～2008年的4景TM影像, 對江蘇輻射沙洲地區(qū)5條主要潮溝的動態(tài)演變研究方法進行了探討。針對潮溝的特殊地形和復雜多變情況, 引入數(shù)學中的中軸線概念, 提出了遙感中軸線法, 通過中軸線位置的變化定量地表述潮溝演變。根據(jù)GIS中Voronoi圖（V圖）的特性, 將中軸線的求取轉換成V圖的生成過程, 用ArcGIS軟件實現(xiàn), 將傳統(tǒng)的目視解譯方法改進為自動提取, 提取不同時相影像中軸主軸。研究結果表明: （1）用遙感中軸線法對不同時期的大型潮溝進行分析, 可較快、較準確地揭示潮溝的動態(tài)演變; （2）比較1988～2008年的潮溝軸線, 西洋深槽變化最大, 西岸蝕退、東岸東移; 其他4條潮溝均在南北方向上做往復擺動, 且逐漸趨于平緩。中軸線法可以實現(xiàn)對潮溝動態(tài)演變快速、準確地監(jiān)測以及為整個輻射沙洲的開發(fā)建設提供理論基礎。

遙感中軸線法; 輻射沙洲; 潮溝演變; Voronoi圖

江蘇中部近岸淺海區(qū)存在呈輻射狀分布的一系列水下沙脊, 稱為輻射沙洲, 弶它們基本上以 港為中心, 自北向南由東沙、竹根沙、蔣家沙、冷家沙、條子泥等大型沙洲組成[1]。區(qū)域內潮流作用較強, 主要受東海前進潮波系統(tǒng)和南黃海旋轉潮波系統(tǒng)控制,兩個潮波系統(tǒng)在弶港附近匯合, 致使岸灘輻射狀潮溝極為發(fā)育[2]。輻射沙洲地區(qū)的大型潮溝主要有西洋、陳家塢槽、苦水洋、黃沙洋、爛沙洋等（圖1）。

潮溝通過不斷地側向遷移、擺動來改變沙洲的分布, 同時影響潮灘的穩(wěn)定性。因此, 潮溝演變的研究對輻射沙洲和潮灘的動態(tài)演變、海岸帶的開發(fā)利用以及海岸工程的建設等方面均有重要意義[3]。輻射沙洲地區(qū)潮溝規(guī)模大、變化快、地形及動力條件復雜, 對潮溝位置及其變遷的常規(guī)調查十分困難, 而遙感手段以其快速、高效、連續(xù)地獲取地表信息來揭示地物特征性質及其變化的強大優(yōu)勢, 可以有效地實現(xiàn)對區(qū)域內多變、復雜的潮溝地形的動態(tài)監(jiān)測。

通常對河床演變的研究都是利用中泓線、深泓線或主泓線等方法實現(xiàn)的, 現(xiàn)有對輻射沙洲內潮溝演變的研究也基本都基于這些方法[4-5], 但這些都需要精確的實測資料; 而遙感方法的特點是從平面的角度研究地物特征, 因此將潮溝作為面狀要素, 引入數(shù)學中的中軸線概念, 提取不同時期的潮溝中軸線來實現(xiàn)動態(tài)演變分析, 這是與傳統(tǒng)實測方法的最大區(qū)別, 也是其獨特之處。

1 數(shù)據(jù)收集與處理

1.1 數(shù)據(jù)收集

為分析輻射沙洲潮溝歷年來的移動、變遷情況,收集了1988～2008年的TM影像4景, 各時相影像均為低潮位或接近低潮位, 云量極少, 岸線清晰。影像具體參數(shù)見表1。

表1 研究區(qū)影像參數(shù)Tab. 1 Image parameters of the research area

1.2 數(shù)據(jù)處理

對 4景 TM 影像選擇高斯-克呂格 21度帶（GKZone 21）投影, WGS-84坐標系統(tǒng), 然后選取圖像上清晰可辨且不易變動的地物作為控制點, 進行圖像-地面控制點配準。4景影像采用統(tǒng)一的23個地面控制點和二次多項式函數(shù)來校正, 并統(tǒng)一選用最臨近的重采樣方法, 校正的均方根誤差（RMS）均小于0.3個像元。這樣使校正過后不同時相的影像處于同一誤差分布下, 消除了由誤差不一樣引起的對潮溝監(jiān)測的影響。

圖1 江蘇輻射沙洲分布圖Fig. 1 The distribution of radial sandbanks of Jiangsu Province

對影像做主成分分析并不改變圖像數(shù)據(jù)點的內在空間結構, 而是使斜交坐標軸正交化, 突出了引起類間差別的本質因素, 因此類間距離能充分表現(xiàn)出來。在幾何上表現(xiàn)為主成分分析后的類間距離為實在距離, 而斜交坐標軸下的類間距離為實在距離在斜交坐標軸上的投影, 是一種視在距離[6]。因此,對遙感影像做主成分分析以增強圖像。

2 遙感中軸線法

多邊形中軸也叫多邊形的對稱軸（symmetric axis）、骨架線（skeleton）, 或多邊形的中線（center line）。在某種程度上, 多邊形的中軸結構可以反映出原多邊形的形狀特征, 因此可作為形體的分析工具,用于形體的描述和特征識別。目前面狀要素中軸線的兩種傳統(tǒng)提取方法為: 垂線族法[7]和柵格形態(tài)變換法[8]。

還有近年來很多學者提出的一種基于矢量數(shù)據(jù)的新方法, 即利用約束 Delaunay不規(guī)則三角網(wǎng)提取面狀要素中軸線。該方法的關鍵在于Delaunay三角網(wǎng)的構建, 并逐步加入約束條件, 調整 Delaunay三角網(wǎng)為約束 Delaunay三角網(wǎng), 但是插入約束條件后不同的經驗值會產生不同的 Delaunay三角網(wǎng), 從而生成不同的中軸線[9]。

由此可見, 隨著約束條件的逼近, 所求的中軸線收斂程度越高, 也就是說提取的只是近似的中軸線。因此, 我們從中軸線定義入手, 嚴格按照定義來獲取真正的中軸。

2.1 中軸線的定義

中軸線的定義: 設多邊形P的中軸線為P內的點集, 則該點集中的點與多邊形中不同邊（或多邊形邊的延長線）中兩個或兩個以上點距離相等[10]（圖2）。

圖2 多邊形中軸線Fig. 2 Medial Axis of Polygon

2.2 中軸線和Voronoi圖的關系

Voronoi結構的概念是由俄國數(shù)學家Voronoi于1908年發(fā)現(xiàn)并以他名字命名的。Voronoi圖（簡稱 V圖）是對平面內n個離散點而言的, 它把平面分為幾個區(qū), 每一個區(qū)包括一個點, 該點所在的區(qū)是到該點距離最近的點的集合。

V圖、障礙V圖、廣義V圖的多邊形邊界提供了全形態(tài)、障礙、非障礙完備空間和廣義加權距離的等距線、等比線、等勢線等是具有嚴密數(shù)學意義且具有廣泛使用價值的軌跡線。例如在交匯線中便是角平分線或彎曲對稱軸, 在封閉圖形中便是中軸線或 Bimedial骨架, 它實際描繪了大自然的幾何輪廓或者說地圖圖形的幾何輪廓[11]。

所以, 多邊形的中軸線是由 Voronoi邊和Voronoi頂點組成的, 求多邊形的中軸線就是求多邊形的Voronoi圖。

2.3 V圖生成方法

多邊形的中軸實際就是邊界 Voronoi圖的鄰邊的集合, 提取中軸線的方法就等同于 V圖的生成方法。目前生成 V圖的方法歸納起來只有兩種: 矢量方法和柵格方法。

矢量方法生成 V圖大多是對點實體進行的, 一般分為三類: 對偶生成法、增添法、部件合成法。該算法和數(shù)據(jù)結構較為復雜; 其生成元基于離散點集,用離散點集代替線、面, 使空間實體的完整性遭到破壞。

柵格生成V圖方法一般均是在距離變換的基礎上產生的。柵格和矢量空間中距離的定義是不一樣的, 矢量空間中距離是指“歐幾里德距離”, 而柵格不是, 因此就需要做距離變換。一般分為兩類: 數(shù)學形態(tài)學距離變換法產生V圖和地圖代數(shù)距離變換方法生成V圖。

根據(jù)上述算法思想, 運用 ArcGIS軟件, 將影像中潮溝作為實體, 最終可生成到潮溝對應邊距離相等的Voronoi邊界[12]。由前述定義和特性可知, 多邊形的中軸是其邊界的 Voronoi圖的鄰邊的有序集合,成樹狀結構, 但是在研究潮溝變化時, 只需要最中間的那條軸線, 因此只取中軸線的主軸。中軸線主軸仍是潮溝中軸的一部分, 其到潮溝兩邊界的距離仍然相等。因此提取 Voronoi多邊形主軸作為潮溝中軸。

3 潮溝中軸線提取

3.1 水陸分離

將潮溝作為面狀要素提取中軸線, 首先要將潮溝從影像中分離出來。目前遙感影像水體提取方法有很多種, 其中閾值法是比較常用的一種。根據(jù)TM5良好的水陸對比性, 采用閾值分割進行水陸分離。

以 1995年影像為例, 取水陸交界處任意斷面,觀察TM5波段影像DN值（Digital Number, 是遙感影像像元亮度值, 記錄的地物的灰度值。無單位, 是一個整數(shù)值, 值大小與傳感器的輻射分辨率、地物發(fā)射率、大氣透過率和散射率等有關。）的變化（圖 3）,發(fā)現(xiàn)5波段水體閾值為[40, 12], 因此選取12作為水陸分界的閾值, 建立掩膜, 將水體與陸地分離開來。然后將掩膜過的影像分辨率重采樣成200 m。同樣的方法將所有影像做水陸分離。

圖3 典型斷面DN值圖Fig. 3 DN values of arbitrary section

3.2 提取中軸線

水陸分離后的影像成為只包含有水（0）和陸（1）信息的2值圖像, 導入到ArcGIS中。加載ArcScan模塊, 再加入新建的 shp.文件, 使之處于編輯狀態(tài)下,激活ArcScan模塊[13]。在Vectorization功能下, 選擇Vectorization Setting進行屬性值設置。最大線寬設置成最大值100。這是經過調試后選取的, 因為影像范圍較大, 大型潮溝較寬, 如若線寬設置過小, 提取將只針對岸上部分進行。再在Options里將要提取的部分設置成前景色, 另一種為背景色。這些設置完成后,即可對圖像進行矢量化提取。最后將提取結果中較細的分支去除, 并對照影像去除延伸上岸灘的多余分支, 得到五大潮溝的中軸主軸線。提取的結果是每條中軸線由若干條細小的線段組成, 因此將它們合并, 并做平滑處理, 得到最終結果。

4 潮溝演變分析

4.1 1988～1995年5大潮溝的變遷

西洋潮流通道是王港外輻射沙洲區(qū)內側的水道深槽, 平面上呈向西北偏北開口的喇叭形, 深槽內以小陰沙和瓢兒沙為界分為東西兩支。1988到1995年間,潮溝東西分支分叉點位置向南移動了1.08 km。相對1988年東支在1995年時中下部向東偏移, 最大距離達2.40 km, 且尾部較1988年向北縮進了1.78 km。西支潮溝7 a間變化相比東支大很多, 1988年西分支被北尖子西南的新沙洲分成兩支, 走向近乎平行于東支, 到1995年, 新沙洲分別向東西兩側堆積殆盡,使得西支潮溝加寬且向西南偏西方向延伸達 15.34km。

陳家塢潮溝呈東北-西南走向, 7 a間總體變化不大,較為穩(wěn)定。頭尾兩側基本一致, 中部略向南北做往復運動。1988年潮溝兩端較為平直, 中間段向東南方向彎曲, 整體呈倒“Ω”狀, 而1995年趨于平直。

苦水洋潮溝頭部在1988年分為兩支, 其中北部的一支向西延伸, 將條子泥和蔣家沙分離開來, 南部分支較短較弱, 分叉點以東部分呈波浪線型。到1995年頭部的分叉變?yōu)橐恢? 沿著之前的南部分支向西延伸, 中部較1988年平緩, 尾部向北翹起。

從1988年到1995年, 黃沙洋潮溝頭部向西北延伸 3.05 km, 同樣, 1995年該潮溝軸線也更為平緩,只是在下部曲率增大。爛沙洋潮溝頭部在 1988到1995年的7 a間僅向北移動了0.45 km, 整條潮溝軸線前半部分基本重合, 變化極小, 而中下部則由于分散小沙洲的消失從原來的東北走向改為東南走向,最大偏移距離達6.96 km（圖4a）。

4.2 1995～2003年五大潮溝的變遷

西洋深槽軸線總體變化可以分叉點為界分為兩部分, 分叉點以北變化相對較小, 以南則擺幅較大。潮溝頭部向西偏移, 最大距離1.47 km, 上部較為穩(wěn)定, 略有偏移, 分叉點北移0.51 km, 下部曲率變小,趨于平緩, 且整體南移。到 2003年, 西支東移北退約達15 km。

陳家塢潮溝變化較大, 1995～2003年明顯地整體向東南移動且更為平直。頭部移動1.61 km, 尾部則多達6.17 km?？嗨蟪睖? a間整體南移且在頭部分叉。尾部縮進約12 km。黃沙洋潮溝基本穩(wěn)定, 頭部稍有偏移, 整體變平直, 尾部縮進約10 km。爛沙洋潮溝上半部分稍有南移, 下半部分較1995年變?yōu)槠街鼻蚁驏|北偏移, 最大偏移4.69 km, 同樣尾部也較1995年縮進約6 km（圖4b）。

4.3 2003～2008年五大潮溝的變遷

西洋深槽上部基本保持穩(wěn)定, 分叉點北移了1.68 km, 而分支的下部擺幅較大, 其中東部的分支較2003年南伸2.65 km。陳家塢潮溝在5 a間頭部強烈向沙洲外緣移動達7.01 km。潮溝整體南移, 但幅度不大?？嗨蟪睖项^部分叉消失, 上半部近乎平行南移, 下部近乎重合, 2008年尾部稍往北偏。黃沙洋潮溝頭部改道南移, 弶使得頭部更接近 港, 除此之外潮溝小有擺動, 基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。爛沙洋潮溝也是整體變得平直, 頭部稍有南移, 中下部向北突起,北移 4.31km（圖 4c）。

4.4 1988～2008年五大潮溝的總體變遷

綜合上述分析, 可以看出五大潮溝中西洋深槽變化最大, 其 20年間的變化主要為: （1）1988年北尖子從條子泥分離出來, 在其西南部形成新的沙洲—西北尖子沙脊, 使得該年西洋深槽的西分支又被分為東西兩支; （2）1995年西支規(guī)模較大, 中軸線向西南延伸到弶港岸外, 之后不斷東移西退至梁垛河閘岸外; （3）1988～2008年西洋深槽西岸蝕退、東岸東移（圖4d）, 以上結論均與已有結論一致[5]。

陳家塢槽20年來總體向東南方向擺動, 趨于平直, 頭部穩(wěn)定, 尾部擺動劇烈且隨意; 苦水洋則是近乎向東南方向平移, 同時潮溝從1988年的彎曲走勢逐漸過渡到2008年的平直; 黃沙洋20年間變化不大,位置基本保持, 弶在南北方向上略有擺動。頭部向 港西移延伸; 爛沙洋變化最小, 僅略微向南移動。

圖4 輻射沙洲五大潮溝的演變Fig. 4 Dynamic changes of five main tidal creeks

5 討論與結論

5.1 討論

利用20 a間4個時相的TM影像, 對研究區(qū)內5條較大潮溝的動態(tài)演變方法進行了探討。在研究中,借助遙感的手段和中軸線的概念, 將兩者結合成為遙感中軸線法, 提取出5條潮溝中軸線進行比較, 相比前人用中泓線、深泓線等方法有較大改進。

對蘇北岸外大面積的輻射沙洲來說, 特殊的地形和沖淤的多變使得動態(tài)演變監(jiān)測較為困難, 尤其是實地測量, 幾乎難以實施, 而用遙感中軸線法最大的優(yōu)點是能快速、精確地對大面積的區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)測, 省時省力。但是不同潮位對中軸線位置的影響以及可能由此造成的誤差還有待進一步的探討,以使該方法更為完善。

5.2 結論

由上述潮溝演變分析結果可知, 該方法對潮溝的動態(tài)演變研究是合適的、簡單有效的, 相對之前用目視解譯方法直接從影像勾畫有了大的改進, 可以定量地分析潮溝的擺動方向、速度及距離, 較為清晰地反映出輻射沙洲地區(qū)潮溝整體20 a間的動態(tài)變化趨勢: 西洋深槽變化最大, 西岸蝕退、東岸東移; 其他 4條潮溝均在南北方向上做往復擺動, 且逐漸趨于平緩。

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Received: Jun., 29, 2009

Key words:radial sandbanks offshore; tidal creek; RSMA method; Voronoi diagram; dynamic changes

Abstract:The coast of Jiangsu Province is famous for its radial sandbanks offshore. Dynamic changes of tidal creeks are difficult to survey for complex, quick-changing terrain. Medial axis methods of tidal creeks are the focus of this paper. The concept of medial axis in mathematics, as well as voronoi diagram （V diagram） in GIS for its special properties, was introduced and discussed,. Points in every edge of V diagram have the shortest distance to adjacent edges of polygon. Thus, medial axis extraction is converted to V diagram generation. Remote Sensing Medial Axis method （RSMA method） is presented because it is quick and convenient for survey, much better than previous traditional visual interpretation methods. Using the RSMA method, five main tidal creeks in the area were extracted and studied based on four TM images from 1988, 1995, 2003 and 2008. The results showed that: （1） for analysis on main tidal creeks in different time, RSMA method revealed the dynamic evolution quickly and accurately; （2） during the last 20 years, Xiyang deep trough had the greatest changes as the west coast retreated back and the east extended east; while the rest four tidal creeks moved in the north-south direction periodically and went straight gradually. Therefore, study on the evolution of tidal creeks has great significance for monitoring the dynamic changes of tidal fiat, development and utilization of coastal zone and the construction of coastal engineering.

（本文編輯:劉珊珊）

Application of remote sensing medial axis method in investigation of dynamic changes of tidal creeks in radial sandbanks offshore Jiangsu Province

LIU Yan-chun, ZHANG Ying
（Geographical Science College, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China）

P941.8

A

1000-3096（2011）02-0072-05

2009-06-29;

2010-11-23

國家自然科學基金項目（40606044）; 江蘇省近海海洋綜合調查與評價專項（JS-908-01-03）

劉燕春（1985-）, 女, 江蘇常州人, 碩士研究生, 主要從事遙感、海洋信息技術和 GIS應用方面的研究, 電話: 13814173558,E-mail: lingxiang-2@163.com