從高分辨率衛(wèi)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(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210046）

從高分辨率衛(wèi)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(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210046）

以江蘇鹽城海岸為研究區(qū)，以2006年、2008年、2009年三景空間分辨率為10m的衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)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(dòng)影響岸段的演變特征。研究結(jié)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(xì)微的特征，因此可以根據(jù)高潮時(shí)水陸分界上留下的地物特征提取出平均高潮線；2）結(jié)合影像當(dāng)天的潮位資料，根據(jù)平均高潮線、影像上瞬時(shí)水邊線、平均低潮線三者之間距離與時(shí)間的線性關(guān)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(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，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(shí)每刻都處于動(dòng)態(tài)變化之中，這種變化是海岸對(duì)各種動(dòng)力作用的敏感性響應(yīng)，也是海岸環(huán)境演變的最直接體現(xiàn)形式。采用常規(guī)方法調(diào)查，不僅工作量大，而且成本高。遙感技術(shù)的發(fā)展，為海洋勘察開辟了一條新的途徑。利用遙感技術(shù)的宏觀性和周期性特點(diǎn)，采用多時(shí)相、多波段數(shù)據(jù)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(dòng)力條件和變化因素，為海岸環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

已有許多學(xué)者著重研究岸線的變形及岸線的均衡形態(tài)［1－4］，但對(duì)從高分辨率衛(wèi)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(xì)微的特征。本研究以江蘇中部海岸為研究區(qū)，將地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)相結(jié)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(qū)的岸線的時(shí)空演變特征，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)海岸演變過程和海岸侵蝕機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù) 據(jù)

1.1 研究區(qū)介紹

研究區(qū)位于江蘇鹽城境內(nèi)斗龍港至川水港岸線，經(jīng)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(zhì)海岸。該岸段主要受兩個(gè)潮波系統(tǒng)控制，一種是以無潮點(diǎn)為中心的旋轉(zhuǎn)潮波，是一種前進(jìn)駐波；另外一種是來自東海進(jìn)入的前進(jìn)潮波，兩個(gè)潮波系統(tǒng)在研究區(qū)內(nèi)輻合。潮波輻合區(qū)由于潮波能量集中使振幅增大，可以達(dá)到150cm左右，這就使得研究區(qū)內(nèi)的水動(dòng)力條件非常復(fù)雜。本研究區(qū)為正規(guī)半日潮且漲落潮歷時(shí)差都很小，平均潮差可以達(dá)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(shù) 據(jù)

本研究選用的遙感數(shù)據(jù)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(duì)這3景影像進(jìn)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(dāng)作黑體，其在影像中的像元值作為大氣程輻射，將每個(gè)波段中每個(gè)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(dòng)態(tài)范圍得到改善，對(duì)比度增強(qiáng)，從而提高了圖像質(zhì)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(duì)這3景影像采用相同控制點(diǎn)進(jìn)行幾何校正，所有影像的投影坐標(biāo)系均采用高斯克呂格投影和 WGS－84坐標(biāo)系，影像的校正采用二次多項(xiàng)式變換，利用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行重采樣。幾何精校正誤差RMS均滿足利用多時(shí)相遙感影像進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化檢測時(shí)幾何校正誤差小于0.5個(gè)像元的要求［5］。

2 研究方法

2.1 海岸線的提取

研究區(qū)內(nèi)海岸線的類型包括人工達(dá)標(biāo)海堤；人工未達(dá)標(biāo)，正在不斷建設(shè)完善的海堤；自然條件下形成的高灘，以河口為典型區(qū)。

人工達(dá)標(biāo)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(gòu)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(shí)別；人工未達(dá)標(biāo)，正在不斷建設(shè)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(qū)，由于受到河流與潮流雙重水動(dòng)力的作用，容易使得泥沙快速淤積，泥沙長時(shí)間的沉積就會(huì)形成高地，高地形成后潮水難以到達(dá)其表面，因此提取時(shí)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(shí)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(nèi)會(huì)生長一些特定的植被，還會(huì)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(dǎo)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(wèi)星過境時(shí)海水和潮灘的分界線。根據(jù)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(xiàn)黑色，因此在近紅外波段的影像中將海陸分界所對(duì)應(yīng)的反射率作為閾值，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，實(shí)現(xiàn)海陸分界。然后在ArcGIS軟件中采用手動(dòng)勾畫的方式來提取水邊線。

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

假設(shè)隨著時(shí)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(jù)平均高潮線、水邊線、平均低潮線三者之間的平面距離與時(shí)間的線性關(guān)系來定出平均低潮線。根據(jù)大豐港附近站點(diǎn)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(shí)間比，如表1所示。將平均高潮線和水邊線在經(jīng)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(shí)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(dāng)日最高、低潮位時(shí)間的差值表Table 1 The differences between the imaging time and the time for the highest and lowest tides

3 結(jié)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(xiàn)出2006年后岸線的細(xì)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(zhuǎn)為平直。

3.2 平均高潮線的變化

為了精確計(jì)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(jì)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(qū)內(nèi)平均低潮線處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。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(jié) 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(jié)論：

1）高分辨率影像可以提取出地物更細(xì)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(nèi)會(huì)生長一些特定的植被，還會(huì)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(jù)高潮時(shí)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(chuàng)新，在提取出平均高潮線和水邊線的基礎(chǔ)上，結(jié)合影像成像當(dāng)天的潮位資料，假設(shè)隨著時(shí)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(jù)平均高潮線、水邊線、平均低潮線三者之間的平面距離與時(shí)間的線性關(guān)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(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，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(zhì)探討［J］.地理科學(xué)，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(tài)與地貌發(fā)育模式［J］.地理學(xué)報(bào)，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(huán)境演變——以渤、黃、東海區(qū)域?yàn)槔跩］.地學(xué)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(tài)響應(yīng)研究方法與進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)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(dòng)態(tài)監(jiān)測［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)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(diǎn)基金——海洋淺水地形遙感反演的關(guān)鍵技術(shù)研究（200803190007）；江蘇省科研創(chuàng)新計(jì)劃——輻射沙脊群地形遙感識(shí)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）