利用海圖數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像計(jì)算海灣納潮量——以膠州灣為例＊

李君益，紀(jì)育強(qiáng)，鄭全安，吳永亭，陳義蘭，劉自力，辛海英

（國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061）

利用海圖數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像計(jì)算海灣納潮量
——以膠州灣為例＊

李君益，紀(jì)育強(qiáng)，鄭全安，吳永亭，陳義蘭，劉自力，辛海英

（國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061）

以膠州灣為例，嘗試獲取膠州灣的三維地形，并利用海灣高、低潮所容納的海水體積之差計(jì)算海灣納潮量。計(jì)算結(jié)果表明：膠州灣1992年納潮量為9.8×108m3，2005年膠州灣納潮量為8.9×108m3，膠州灣納潮能力下降0.9×108m3。

納潮量；Landsat衛(wèi)星影像；海水體積；膠州灣

（張 騫 編輯）

海灣納潮量定義為高潮水量與低潮水量之差，其數(shù)值取決于海灣高潮與低潮水域面積變化、潮差和潮間帶地形。研究人員使用了不同方法對(duì)納潮量的計(jì)算做了大量工作。鄭全安等［1］利用式（1）計(jì)算膠州灣納潮量：

式中，S1，S2分別為高、低潮時(shí)刻水域面積；H為其潮差；W為海灣納潮量。

喬貫宇等［2］利用膠州灣口走航ADCP測得的海水流速，對(duì)觀測的流量值進(jìn)行時(shí)間積分獲得了膠州灣的納潮量。楊世倫等［3］針對(duì)膠州灣這種半封閉海灣，潮間帶被部分圍墾后，對(duì)納潮量的計(jì)算進(jìn)行了探討。陳紅霞等［4］對(duì)不同方式納潮量的計(jì)算給出了比較?？梢钥闯?，上述研究使用的計(jì)算方法是對(duì)納潮量進(jìn)行直接求解，本研究將利用文章開頭給出的納潮量定義，通過求解海灣高、低潮水量來計(jì)算海灣納潮量。

1 納潮量計(jì)算方法

理論上，如果已知海灣三維模型，可以計(jì)算任意給定潮位海灣所容納的海水體積，進(jìn)而通過計(jì)算高、低潮海灣海水體積差來得到海灣納潮量。其中，海灣三維模型的獲取是海灣納潮量計(jì)算的關(guān)鍵。

一般情況下，海灣三維模型由實(shí)測海灣地形數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，并輔以岸界的方式給出。由于進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測海灣地形的代價(jià)過于昂貴，因此可以采用數(shù)字化海圖的方式獲得0m等深線以下的地形數(shù)據(jù)，但是大部分海圖沒有0m等深線至岸線的潮間帶高程信息。Mason等［5］將水邊線假設(shè)為等高線，疊加多種潮汐條件下的水邊線，生成潮灘數(shù)字高程模型。因此，把提取的多幅海灣衛(wèi)星影像水邊線信息與海圖數(shù)字化后的等深線信息轉(zhuǎn)換到相同坐標(biāo)系與基準(zhǔn)面下，加入岸界信息，可以計(jì)算出海灣的三維模型。其中，三維模型的岸界可以由衛(wèi)星影像給出。利用海圖數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像計(jì)算海灣納潮量的流程如圖1所示。

本研究以膠州灣為研究實(shí)例。由于膠州灣1992年海圖含有潮間帶地形數(shù)據(jù)，因此僅利用海圖數(shù)據(jù)就可以計(jì)算該年海灣納潮量；而膠州灣2005年海圖不含有潮間帶數(shù)據(jù)，因此要利用該年份海圖及衛(wèi)星影像計(jì)算海灣納潮量。

圖1 利用海圖、衛(wèi)星影像計(jì)算納潮量的流程圖Fig.1 A flow sheet for tidal prism computation by using charts and satellite images

2 數(shù)據(jù)來源

1）中國航海圖書出版社出版的膠州灣2005年海圖。該圖采用WGS－84坐標(biāo)系，墨卡托投影，深度基準(zhǔn)為理論深度基準(zhǔn)面。

2）國家海洋局第一海洋研究所測量的1992年膠州灣海圖。該數(shù)據(jù)采用54北京大地坐標(biāo)系，中央經(jīng)線為120°E的3°分帶高斯投影，深度基準(zhǔn)為理論深度基準(zhǔn)面。

3）美國陸地資源衛(wèi)星5號(hào)（Landsat－5）TM、美國陸地資源衛(wèi)星7號(hào)（Landsat－7）ETM＋影像。影像采用WGS－84坐標(biāo)系，UTM 投影，其中，Landsat－5 4，5，7波段象元大小為30m×30m，Landsat－7 4，5，7波段象元大小為25m×25m。選用1∶50 000地形圖作為理想基礎(chǔ)底圖進(jìn)行幾何精確校正和輻射校正，校正后的幾何精度達(dá)一個(gè)象元，其參數(shù)見表1。

表1 Landsat遙感資料參數(shù)表Table 1 Parameters of Landsat images

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 海圖矢量化

利用Mapinfo軟件，把膠州灣1992年和2005年掃描海圖的等深線、岸線、水深注記信息由像素形式轉(zhuǎn)化為點(diǎn)和線形式，即矢量化。由于膠州灣沿岸的不斷開發(fā)，1992年海圖矢量化的結(jié)果很難驗(yàn)證其精度，因此這里只給出2005年矢量化的精度驗(yàn)證。選用自2005年以來，膠州灣沿岸尚未發(fā)生變化的兩處（分別為紅島參池與黃島碼頭），利用現(xiàn)場GPS定點(diǎn)連續(xù)觀測1h，獲取這2處的空間坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為與海圖投影一致的平面墨卡托x，y坐標(biāo)，其中，x軸對(duì)應(yīng)地球赤道，y軸對(duì)應(yīng)本初子午線，單位為m；把紅島參池與黃島碼頭的經(jīng)投影轉(zhuǎn)換后的GPS實(shí)測坐標(biāo)與矢量化的墨卡托x，y坐標(biāo)相比較（表2），并給出矢量化坐標(biāo)與相應(yīng)GPS實(shí)測坐標(biāo)之間的距離差，即矢量化誤差。按照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖數(shù)字化規(guī)范》［6］和《數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評(píng)定》［7］中規(guī)定，相對(duì)于工作底圖，點(diǎn)狀要素平面位移中誤差不超過圖上的±0.25mm，線狀、面狀要素平面位移中誤差不超過圖上的±0.3mm，該矢量化結(jié)果可信。

表2 GPS紅島、黃島觀測點(diǎn)與海圖上相應(yīng)位置處的矢量化結(jié)果對(duì)照表Table 2 Comparison of the GPS data measured at the observation points in Hongdao and Huangdao with the coordinates vectorized from the corresponding positions on the digitalized charts

3.2 水邊線及岸線提取

選用第4，5，7波段進(jìn)行假彩色合成，利用表2中2005年Landsat影像提取水邊線，由潮汐表查得各個(gè)影像的過境潮位。研究中的膠州灣水邊線提取標(biāo)準(zhǔn)遵循以下規(guī)定［1］：基巖型海岸線直接用圖像解譯的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析提??；潮汐河口處以河口兩側(cè)的海岸線與河口入海口門兩岸交點(diǎn)的連線定義為其海岸線；人工堤壩與周圍地形形成封閉區(qū)的堤壩，以向海的一邊作為海岸線的邊界。提取的海岸線的坐標(biāo)采用WGS－84坐標(biāo)系，6°分帶的 UTM 投影，中央經(jīng)線123°E。膠州灣口取團(tuán)島（120°16′58.188″E，36°02′38.796″N）—薛家島（120°17′14.532″E，36°00′57.528″N）連線（圖2中的膠州灣口處的黑粗虛線部分）。圖2中的1號(hào)線為膠州灣岸線（最外側(cè)線段），由膠州灣2005年海圖中提取。提取的2005年水邊線如圖2所示，分別為：2號(hào)線為07－28衛(wèi)星過境潮位；3號(hào)線為03－06高潮跡線；4號(hào)線為05－09衛(wèi)星過境潮位線；5號(hào)線為03－06衛(wèi)星過境潮位線；6號(hào)線為01－09衛(wèi)星過境潮位線。

圖2 由Landsat衛(wèi)星影像中提取出2005年膠州灣的水邊線Fig.2 The edge water lines of the Jiaozhou Bay extracted from the Landsat images in 2005

3.3 水邊線及岸線數(shù)據(jù)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

由于1992年海圖數(shù)據(jù)采用北京54坐標(biāo)系，而海圖及衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)采用WGS－84坐標(biāo)系，為了計(jì)算結(jié)果有可比性，要把北京54坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到WGS－84坐標(biāo)系。利用3個(gè)公共點(diǎn)在WGS－84和北京54坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（x54，y54）T、（x84，y84）T，計(jì)算出相應(yīng)坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)（X54，Y54，Z54）T、（X84，Y84，Z84）T；然后用式（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型［8］求得該地區(qū) WGS－84坐標(biāo)系與北京54坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)：（X0，Y0，Z0）T，m，ω1，ω2，ω3。

式中，（X0，Y0，Z0）T為坐標(biāo)平移量；m為縮放尺度；ω1，ω2，ω3為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角。

應(yīng)用上述轉(zhuǎn)換參數(shù)把矢量化后的1992年膠州灣水深及岸線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WGS84大地坐標(biāo)系，墨卡托投影。

3.4 水深數(shù)據(jù)處理

水深數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量有限，而且只能代表相應(yīng)坐標(biāo)處的水深，為了得到膠州灣的水深空間分布，本研究使用空間插值法，求得特定坐標(biāo)處的水深。空間插值法有反距離加權(quán)插值法、多項(xiàng)式插值法、Kriging，Natural－Neighbor插值法等。Kriging插值常用來解決空間連續(xù)性變化的屬性非常不規(guī)則的問題［9］，因此這里使用Surfer8.0的Kriging插值方法對(duì)膠州灣的實(shí)測水深數(shù)據(jù)及海圖矢量化后水深數(shù)據(jù)的進(jìn)行空間插值［10］，插值的同時(shí)得到水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)，便于計(jì)算灣內(nèi)海水體積。為與影像像元尺寸匹配，選取插值網(wǎng)格間距ΔL為30m。

采用交叉檢驗(yàn)法（Cross－validation）對(duì)水深數(shù)據(jù)空間插值結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，即假設(shè)某一位置處的水深未知，用其它所有水深數(shù)據(jù)來估算該位置處的水深值。這里進(jìn)行體積計(jì)算，因此采用平均誤差來反映插值效果。隨機(jī)抽取800組數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，水深數(shù)據(jù)插值后的帶來的誤差小于《海洋工程地形測量規(guī)范》［11］規(guī)定測深誤差，因此插值結(jié)果滿足計(jì)算要求［12］。

4 膠州灣納潮量的計(jì)算

將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的衛(wèi)星水邊線數(shù)據(jù)及矢量化后的海圖水深數(shù)據(jù)，經(jīng)插值得到膠州灣的三維地形模型，分別得到高、低潮膠州灣海水的空間分布。應(yīng)用式（3）計(jì)算膠州灣海水體積V，應(yīng)用式（4）計(jì)算膠州灣納潮量P。

式中，V為海水體積；ΔS為水深網(wǎng)格面元，ΔS＝ΔL2；hi為網(wǎng)格i處的水深值；Δh為潮位；V1為高潮時(shí)所容納的海水體積；V2為低潮時(shí)容納的海水體積。

由潮汐表計(jì)算可知，膠州灣1992年平均高潮潮位為3.80m；平均低潮潮位為1.00m；2005年平均高潮潮位為3.79m；平均低潮潮位為1.00m。經(jīng)計(jì)算，膠州灣1992年和2005年0m等深線以下海水體積V0、高潮時(shí)所容納的海水體積V1、低潮時(shí)容納的海水體積V2及納潮量P見表3。

表3 膠州灣納潮量（×108 m3）Table 3 Tidal prism in the Jiaozhou Bay（×108 m3）

5 討 論

本研究計(jì)算結(jié)果表明，從1992—2005年，14a間膠州灣0m等深線以下海水體積下降0.6×108m3；高潮時(shí)容納的海水體積下降1.8×108m3；低潮容納海水體積下降0.9×108m3，可以看出，膠州灣容納海水的能力總體呈減少的趨勢；而0m線至岸線部分的萎縮是造成膠州灣容納海水能力下降的主要原因；0m線至低潮線部分的減少與低潮線至高潮線部分的減少（即納潮量的減少）對(duì)膠州灣容納海水能力的減少均有貢獻(xiàn)。

本研究計(jì)算得出的膠州灣1992年納潮量為9.8×108m3、2005年納潮量為8.9×108m3，與鄭全安等［13］計(jì)算的膠州灣納潮量相差0.32×108m3（1988年9.48×108m3）；與楊世倫等［2］的計(jì)算結(jié)果相差0.918×108m3（1992年10.718×108m3）；與喬貫宇等［3］的計(jì)算結(jié)果相差1.217×108m3（2006年春季納潮量為9.522×108m3、秋季納潮量為10.713×108m3，平均納潮量為10.117×108m3）；與胡澤建等①胡澤建，邊淑華，趙可光，等.半封閉海灣淤積災(zāi)害預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究——以膠州灣為例.國家海洋局第一海洋研究所.2000.的計(jì)算結(jié)果相差0.51×108m3（1992年9.29×108m3）?？紤]到納潮量的計(jì)算時(shí)間，本研究結(jié)果與鄭全安等與胡澤建等的結(jié)果相近，原因是本研究建立起的海灣三維模型是對(duì)式（1）的微分近似，不同之處是模型注重海灣的三維結(jié)構(gòu)，而鄭全安等與胡澤建等的計(jì)算注重對(duì)不同潮位海灣面積的測量。

6 結(jié) 論

采用膠州灣衛(wèi)星影像建立起的潮間帶地形數(shù)據(jù)，與矢量化海圖數(shù)據(jù)結(jié)合可以建立膠州灣三維模型，利用該模型可以計(jì)算岸線以下任意潮位海灣容納的海水體積，進(jìn)而計(jì)算出納潮量。計(jì)算結(jié)果表明：1992—2005年膠州灣納潮量減少0.9×108m3，通過與其它納潮量計(jì)算方法相比，該計(jì)算方便可靠。海灣三維模型對(duì)實(shí)際潮間帶的模擬精度，取決于衛(wèi)星影像的數(shù)量。

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Calculation of the Tidal Prism in the Jiaozhou Bay by Using Chart Data and Landsat－TM5Images

LI Jun－yi，JI Yu－qiang，ZHENG Quan－an，WU Yong－ting，CHEN Yi－lan，LIU Zi－li，XIN Hai－ying
（FirstInstituteofOceanography，SOA，Qingdao 266061，China）

It is physically sound to compute the tidal prism of a bay by using volume difference between high tide and low tide if a 3Dmodel of the bay is obtained.Herein we take the Jiaozhou Bay as an example and calculate the tidal prism in the bay by using this method.The results show that the tidal prism in the Jiaozhou Bay was 9.8×108m3in 1992and 8.9×108m3in 2005，indicating that a decrease of 0.9×108m3in the tidal prism occurred in the Jiaozhou Bay from 1992to 2005.

tidal prism；Landsat image；Jiaozhou Bay；seawater volume

January 14，2011

P731.24

A

1671－6647（2012）02－0205－07

2011－01－14

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目——膠州灣海灣水動(dòng)力物理模擬實(shí)驗(yàn)研究（200705012）

李君益（1984－），男，遼寧本溪人，碩士研究生，主要從事區(qū)域性海洋學(xué)方面研究.E－mail：ljyi＠fio.org.cn

致謝：感謝張建對(duì)GPS數(shù)據(jù)的處理工作。