基于數(shù)字海圖及遙感的近60年崇明東灘濕地演變分析

鄭宗生，周云軒，田 波，姜曉軼，劉志國(guó)

(1．上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海 201306;2．華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062;3．國(guó)家海洋信息中心，天津 300171;4．國(guó)家海洋局東海信息中心，上海 200137)

0 引言

濕地被稱為地球之腎，是地球3大生態(tài)系統(tǒng)之一，是人類最重要的生存環(huán)境之一，特別是在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，濕地是重要的后備土地資源［1］。對(duì)濕地資源的開發(fā)和保護(hù)進(jìn)行有效合理地規(guī)劃，需掌握濕地的演變規(guī)律，但是濕地面積寬廣、表面泥濘、變化頻繁，給常規(guī)測(cè)量帶來很大困難。20世紀(jì)60年代，遙感技術(shù)作為新興的探測(cè)技術(shù)迅速興起，其大尺度、快速、同步且高頻動(dòng)態(tài)觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)有助于實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境和資源的宏觀、動(dòng)態(tài)、同步的監(jiān)測(cè)，大大彌補(bǔ)了常規(guī)觀測(cè)方法的不足。

自從美國(guó)Landsat衛(wèi)星發(fā)射以來，已有大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試?yán)眠b感技術(shù)監(jiān)測(cè)潮灘和濕地的動(dòng)態(tài)變化。監(jiān)測(cè)方法可分為定性判讀法［2－4］、基準(zhǔn)線定量分析法［5－9］和水邊線定量分析法［10－14］等。上述方法為監(jiān)測(cè)潮灘、濕地的動(dòng)態(tài)變化提供了多種手段，但是濕地不僅包括衛(wèi)星圖像能夠監(jiān)測(cè)到的陸面部分，還包括被高濁水體覆蓋的水下溝槽，并且濕地水下溝槽的變化與陸面部分的變化相關(guān)聯(lián)。灘面的地貌塑造過程與異常天氣直接相關(guān)，單從遙感圖像上觀測(cè)潮灘變化，往往忽略灘/槽沖淤交互(灘沖槽淤)的過程，因此濕地演化研究需將2部分作為整體統(tǒng)一考慮，通過2部分的對(duì)比驗(yàn)證才能進(jìn)一步加深對(duì)濕地動(dòng)態(tài)變化的認(rèn)識(shí)。特別是近年長(zhǎng)江口入海泥沙逐年減少，幾十年后將下降到2億t以下［15］，這是否會(huì)直接導(dǎo)致潮灘、濕地的侵蝕，還需要將濕地作為一個(gè)整體加以研究。衛(wèi)星數(shù)據(jù)可快速獲取濕地出露部分的動(dòng)態(tài)變化，而數(shù)字海圖可分析濕地水下的地形演變。鑒于此，本文整合數(shù)字海圖數(shù)據(jù)及多時(shí)相遙感圖像，利用水邊線法及等深線疊加對(duì)比分析法綜合分析上海市崇明東灘濕地近60 a來的演化，為指導(dǎo)海岸帶土地利用、海岸工程建設(shè)及預(yù)測(cè)東灘濕地未來發(fā)育趨勢(shì)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

崇明東灘濕地1992年被列入《中國(guó)保護(hù)濕地名錄》，1998年經(jīng)上海市人民政府批準(zhǔn)建立鳥類自然保護(hù)區(qū)，2002年2月2日被正式列入“拉姆薩國(guó)際濕地保護(hù)公約”的國(guó)際重要濕地名錄。崇明東灘濕地位于長(zhǎng)江口崇明島的東端，E 121°47'～122°05'，N31°25'～31°38'(圖1)，由長(zhǎng)江下瀉泥沙沉積形成，目前其自然淤漲速度仍可達(dá)到每年200～300 m［16］。人類對(duì)濕地的重要影響主要是圍墾及放牧活動(dòng)，1990年和2001年，大堤的2次修建表明崇明東灘海岸線從1990年位置最多向外推進(jìn)達(dá)7．2 km;同時(shí)，過度的人工放牧也直接或間接的破壞了原有的濕地生態(tài)環(huán)境［17－18］。

圖1 崇明東灘位置圖Fig．1 Location of Chongming Dongtan

2 研究方法

利用多時(shí)相遙感圖像及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，分別提取水邊線和海堤信息，并對(duì)潮灘類型進(jìn)行分類，選取相近潮位水邊線進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)整合不同年份海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行潮灘面積及等深線變化分析，從定性及定量角度綜合分析崇明東灘的演化情況，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖Fig．2 Technique flow chart

2．1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

2005年9月9—14日在崇明東灘設(shè)立了3條垂直岸線的樣帶，分別位于潮灘北部(斷面Ⅰ)、中部(斷面Ⅱ)和南部(斷面Ⅲ)，如圖1所示。每隔50m對(duì)斷面進(jìn)行高程測(cè)量，高程基準(zhǔn)統(tǒng)一到吳淞高程基準(zhǔn)。高程及地理坐標(biāo)使用Ashtech Z_XtremeTM GPS Receiver System測(cè)定，其空間定位精度達(dá)到cm級(jí)，高程測(cè)量精度達(dá)mm級(jí)。樣帶上每隔100 m選取一個(gè)樣方進(jìn)行植被生態(tài)因子測(cè)量，樣方選取單一優(yōu)勢(shì)植被群落，大小為1 m×1 m，每個(gè)樣方記錄植被類型、植被平均高度并估算植被蓋度。

2．2 數(shù)字海圖生成

對(duì)收集的14幅由交通部安全監(jiān)督局、海事局測(cè)量的1958年12月—2003年5月海圖進(jìn)行掃描，其具體參數(shù)見表1。

表1 海圖數(shù)據(jù)Tab．1 Nautical charts

將相近年份的海圖資料進(jìn)行整合處理。以經(jīng)緯度交叉點(diǎn)作為控制點(diǎn)，對(duì)海圖進(jìn)行幾何糾正，每幅圖均勻選取10～15個(gè)控制點(diǎn)，以提高擬合效果［19－20］;將映射坐標(biāo)的偏差作為誤差并求其均方根，幾何糾正誤差控制在5 m以內(nèi)。對(duì)糾正后的海圖選取50個(gè)水深點(diǎn)重復(fù)數(shù)字化10次，將各水深點(diǎn)橫縱坐標(biāo)與數(shù)字化后橫縱坐標(biāo)之差的均方根作為數(shù)字化的人為誤差。結(jié)果表明50個(gè)采樣點(diǎn)的絕對(duì)誤差小于3．112 m，滿足工程分析的精度。對(duì)數(shù)字化后的海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查和水深異常值排查，排除數(shù)字化過程中等深線交叉、水深點(diǎn)異常等的錯(cuò)誤錄入。上述操作通過ArcInfo 10．0軟件的相應(yīng)模塊完成。

2．3 遙感數(shù)據(jù)處理

選取1979—2005年之間的10個(gè)時(shí)相的遙感圖像(天氣狀況均為無云)作為數(shù)據(jù)源，為了分析潮灘的動(dòng)態(tài)變化，需要對(duì)不同時(shí)相遙感圖像(表2)進(jìn)行幾何糾正等預(yù)處理，使所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系統(tǒng)之下。以上海市1∶50 000地形圖為基準(zhǔn)，選取道路交叉點(diǎn)、橋梁、水系交叉點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行幾何糾正;同時(shí)引入2004年采集的長(zhǎng)江口區(qū)82個(gè)地面控制點(diǎn)作為幾何糾正坐標(biāo)控制點(diǎn)。所有遙感圖像的配準(zhǔn)誤差均小于0．5個(gè)像素，上述工作主要利用Erdas 9．1遙感處理軟件完成。

表2 衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)Tab．2 Satellite images data

分別對(duì)經(jīng)過幾何糾正的MSS圖像的4(R)，3(G)，2(B)波段，TM 及 ETM+圖像的5(R)，4(G)，3(B)波段進(jìn)行合成。同時(shí)為了提高崇明東灘區(qū)圖像目視解譯的精度，對(duì)圖像進(jìn)行了分段線性拉伸等標(biāo)準(zhǔn)化處理，使衛(wèi)星圖像層次感更強(qiáng)，細(xì)微結(jié)構(gòu)紋理更清晰。

2．4 水邊線信息提取

水邊線遙感信息提取方法一般分為單波段法和多波段法。常用的多波段法又可分為比值法［21］和譜間關(guān)系閾值法［22］。長(zhǎng)江口區(qū)影響水邊線信息提取的主要因素是其附近的高濁度懸沙及淺灘表層的殘余水體［23］。通過對(duì)長(zhǎng)江口區(qū)衛(wèi)星圖像的波段譜及現(xiàn)場(chǎng)資料分析，認(rèn)為TM5，TM6及TM7是提取水邊線的有效波段，但由于陸源熱水的注入，影響了TM6波段的提取效果［24］。針對(duì)研究區(qū)潮灘光譜特點(diǎn)，本文首先按衛(wèi)星圖像的潮時(shí)進(jìn)行分類，分為漲潮圖像及落潮圖像。由于在漲潮前濕地較長(zhǎng)時(shí)間暴露，表層的殘余水體較少，TM5波段可作為此時(shí)的主要分類波段;落潮時(shí)刻潮水退去，表層淺溝中殘留大量水體，TM5波段對(duì)水體敏感的特點(diǎn)使水邊線提取結(jié)果偏向陸地一側(cè)，此時(shí)TM7波段可作為主要分類波段。MSS圖像的分析結(jié)果表明，MSS2波段為提取水邊線最佳波段，而MSS4波段的提取效果最差。

依據(jù)上述波段選取原則，水邊線提取采用人工參與及計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯結(jié)合的方式完成。具體操作為:①將選取的最優(yōu)波段圖像進(jìn)行均值平滑，消除噪聲并剔除陸地區(qū)的細(xì)節(jié)信息，利用ISODATA非監(jiān)督分類方法對(duì)圖像進(jìn)行分類;②將分類結(jié)果進(jìn)行再分類，歸并不同植被類型及不同濁度水體的分類結(jié)果;③對(duì)再分類結(jié)果進(jìn)行二值化處理;④利用區(qū)域增長(zhǎng)算法從二值化圖像中提取矢量水陸邊界，鄰域系統(tǒng)采用4鄰域，閾值根據(jù)多次的試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際水邊線位置進(jìn)行設(shè)定;⑤生成的結(jié)果轉(zhuǎn)換為ArcInfo 10．0識(shí)別的．shp矢量格式，導(dǎo)入Geodatabase數(shù)據(jù)庫。

3 結(jié)果分析

3．1 長(zhǎng)期趨勢(shì)分析

崇明東灘自2001年大提修建以后，基本保持穩(wěn)定的沖淤態(tài)勢(shì)，本文選取崇明東灘1979—2005年遙感圖像，分析其歷史演化趨勢(shì)(圖3)。

圖3 1979—2005年崇明東灘濕地演化過程Fig．3 Evolution process of Chongming Dongtan wetland from 1979 to 2005

圖3清楚地再現(xiàn)了東灘近26 a來淤漲與圍墾交替轉(zhuǎn)換的情況:圖像上比較亮的綠色調(diào)為植被，而水體在該波段有高吸收作用，使高、中潮灘為暗綠色，低潮灘為更深的暗綠色;1979—1989年10 a間最大的變化發(fā)生在東灘東南部團(tuán)結(jié)沙的并陸，團(tuán)結(jié)沙的分流作用使白港水道徑流及泥沙逐年減少，1979年白港潮汐汊道上口筑壩堵汊，使團(tuán)結(jié)沙面積迅速增大;在1989年圖像上可以見到團(tuán)結(jié)沙已經(jīng)和陸地連為一體，原來的白港汊道退化為潮溝系統(tǒng);目前東灘東南部最大的潮溝系統(tǒng)應(yīng)是在此潮溝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，東灘在圍墾過程中，大堤外潮溝系統(tǒng)上部基本是原來白港水道的走向，在中部轉(zhuǎn)向東南，與潮汐入射方向一致。

從圖3還可定性地分析出:崇明東灘“南沖北淤”現(xiàn)象明顯，造成南側(cè)圍堤以外的潮灘寬度較北側(cè)窄;1979—1989年是東灘演化最快的10 a，人類工程的建設(shè)是導(dǎo)致其變化的主要原因;目前長(zhǎng)江北支與白港水道表現(xiàn)相同的態(tài)勢(shì)，北支上部與南支主航道成近直角相交，分流分沙比的減少直接導(dǎo)致北支累積性淤漲。

圖4將數(shù)字海圖數(shù)據(jù)0 m線作為分析基線，整合東灘濕地白港水道封堵前(1951年、1958年)及封堵后(1991年、2000年)的水下地形變化情況?？梢钥闯鰣F(tuán)結(jié)沙在封堵前是一塊孤立的沙體且“南沖北淤”，沙體向北側(cè)移動(dòng)。沙體0 m線逐漸與水道的走向一致，沙體的西南—東北方向淤積加快。從1991年0 m線看出，上口的封堵使大量的泥沙在團(tuán)結(jié)沙東北部落淤，而0 m線繼續(xù)向北側(cè)移動(dòng)，出現(xiàn)了侵蝕情況，這與衛(wèi)星圖像的分析結(jié)果一致。主要原因是汊道封堵加大了沙體靠海一側(cè)的沿岸流，受外海潮汐的共同影響，使沙體繼續(xù)向北側(cè)移動(dòng)。

圖4 1951—2000年0 m等深線變化圖Fig．4 0m depth contour change from 1951 to 2000

結(jié)合ArcInfo軟件統(tǒng)計(jì)分析功能分別對(duì)數(shù)字海圖0 m線及大堤之間的面積進(jìn)行分析，并對(duì)比崇明東灘濕地的圍墾面積。1968—1992年間，東灘濕地0 m線上面積增加了近125 km2，年均增加5．1 km2;1992—1998年間0 m線上面積增加7 km2，年均增加下降到1．1 km2;1998—2000年增加16 km2，年均增加又恢復(fù)到5 km2左右。結(jié)合同期的濕地圍墾數(shù)據(jù):1968—1992年間圍墾面積為64 km2，1992—1998 年間為 46 km2，1998—2000 年間為 6 km2。3個(gè)時(shí)間段圍墾面積與0 m線上增加面積的比分別為0．51，7．46 及0．36，其中 1992—1998 年間圍墾面積是0 m線上增加面積的7倍多。

衛(wèi)星圖像顯示的水邊線受成像瞬間潮位的影響，在圖像上直接解譯濕地的高、中、低潮灘存在困難，根據(jù)實(shí)地地貌測(cè)量與植被調(diào)查，本文按標(biāo)志性植被來劃分潮間帶:高潮灘以蘆葦分布下界為限，中潮灘處于蘆葦分布下限與海三棱藨草分布下限之間，低潮灘為海三棱藨草分布至0 m線之間。以此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)東灘濕地潮間帶重新進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)(表3)。

表3 1991—2005年崇明東灘濕地潮間帶面積變化Tab．3 Intertidal area variation of Chongming Dongtan wetland from 1991 to 2005

表3進(jìn)一步說明在東灘濕地自然演化過程當(dāng)中，雖然濕地總面積在逐年增加，但是人類圍墾使高、中、低潮灘的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。自然狀態(tài)下高潮灘面積要大于中、低潮灘面積，而崇明東灘剛剛相反。高潮灘面積所占比例逐年下降，即使在圍墾活動(dòng)結(jié)束后的2002—2005年的3 a間這個(gè)比例也從8．8%下降到7．4%。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)剖面來看，東灘的高潮灘主要分布在北部、中部的互花米草帶內(nèi)，在東南部高潮灘相對(duì)較少，且呈不連續(xù)分布。

3．2 近期演化分析

采用水邊線方法，對(duì)相近潮位的圖像進(jìn)行分析，可定量計(jì)算水邊線位置的水平沉積速率。本文以東灘周圍橫沙、佘山、九段東、中浚、北槽中等5個(gè)潮位站的信息為依據(jù)選取4組潮位相近的衛(wèi)星圖像進(jìn)行疊加分析(圖5)。圖5定量表明崇明東灘在中低潮灘仍然表現(xiàn)為“南沖北淤”的趨勢(shì)，這與上述定性分析結(jié)果相一致。其中淤積最快的是東灘候鳥保護(hù)區(qū)岸段，1989—2002年的13 a間2 m(理論基面)水邊線向前推進(jìn)的距離最大達(dá)到3．9 km，年均的水平淤積速率超過300 m/a;北六滧港附近形成舌狀淤積體，最寬處達(dá)到1．6 km;與此相反，南部奚家港至團(tuán)結(jié)沙岸段2m水邊線則表現(xiàn)為侵蝕后退，其中后退距離最大達(dá)500 m，年均水平侵蝕速率為27．68 m/a。圖5(c)的高潮灘水邊線也表現(xiàn)了相同的沉積趨勢(shì)，但是高潮灘的最大沉積方向更靠南側(cè)。從圖5(a)—(c)中可以看出，1990年后，崇明東灘的淤積主要集中東北部、中部及東南部區(qū)域，北部岸段的淤積明顯變緩;南部由于護(hù)岸工程的影響，侵蝕作用亦趨于停止，成為相對(duì)穩(wěn)定的岸段。由圖5(d)還可以看出，2003—2005年間，崇明東灘候鳥保護(hù)區(qū)北部甚至出現(xiàn)了輕微的侵蝕，表明此岸段沖淤交替現(xiàn)象的存在。

圖5 不同年份同潮位水邊線對(duì)比分析Fig．5 Waterline comparison with the same tidal level in different years

崇明東灘兩側(cè)北港、北支水流在此撞擊形成低流速區(qū)，致使水流能量降低;同時(shí)，由于東灘灘面平緩縱比降小，河床斷面擴(kuò)大，促使潮流分散，造成潮流流速減慢:因此大量泥沙在此落淤，灘地得到迅速淤漲。另外，由于泥沙顆粒表面的電化學(xué)絮凝和鹽淡水異重流產(chǎn)生的垂向環(huán)流共同作用，底層泥沙含量增加，在東灘緩流區(qū)內(nèi)聚積形成高含沙量區(qū)，加速了崇明東灘的淤漲;而南側(cè)的侵蝕主要是受波浪作用的影響。在1990年后，崇明東灘的淤積主要集中在候鳥保護(hù)區(qū)岸段，北部岸段的淤積速率明顯減緩;南部沿岸護(hù)岸工程外的潮灘面積已經(jīng)很小，由于工程的影響，侵蝕作用亦趨于停止，岸段相對(duì)穩(wěn)定。2003—2005年間，東灘北部甚至出現(xiàn)了輕微的侵蝕(圖5(d))，說明此岸段沖淤交替現(xiàn)象的存在。這主要與異常的天氣條件有關(guān)，如風(fēng)暴潮，臺(tái)風(fēng)等，這些都可能造成灘面的侵蝕。

4 結(jié)論

利用遙感圖像及數(shù)字海圖綜合分析濕地出露灘體及水下部分的沖淤演變過程，能夠從整體上反映1951—2005年間崇明東灘的發(fā)育進(jìn)程及形態(tài)變化，更好地再現(xiàn)了東灘的地貌過程及人類活動(dòng)的影響。主要結(jié)論如下:

1)崇明東灘濕地目前的演化過程已趨于穩(wěn)定，在長(zhǎng)江口河勢(shì)穩(wěn)定的情況下，將保持“南沖北淤、部分交替、中部淤漲”的態(tài)勢(shì)。

2)人類活動(dòng)對(duì)崇明東灘的影響主要集中在高潮灘部分。東灘中低潮灘及水下地形的變化主要是受該地區(qū)水動(dòng)力條件控制，但是人類龐大的封堵工程也會(huì)誘發(fā)潮灘空間格局的較大變化。

3)人類活動(dòng)是崇明東灘濕地自然演變的重要驅(qū)動(dòng)力。白港潮汐通道的封堵使東灘濕地成陸過程大大加快。東灘濕地0 m線較為穩(wěn)定的向東部擴(kuò)展，在人類逐年圍墾活動(dòng)的干預(yù)下，濕地面積雖然逐年增加，但潮間帶結(jié)構(gòu)已偏離濕地自然狀態(tài)，高潮灘面積所占比重減少，且呈不連續(xù)分布狀態(tài)。海堤直接暴露于外部海洋環(huán)境中，勢(shì)必降低了對(duì)災(zāi)害天氣的防御能力。

綜上所述，在整個(gè)東灘濕地的演化過程中，人類既有起正作用的水道封堵使?jié)竦孛娣e增加，又有起負(fù)作用的圍墾造陸使?jié)竦孛娣e減少。如長(zhǎng)江三峽工程及上游水庫的修建，使長(zhǎng)江口入海泥沙減少到2003年的2億t，不足20世紀(jì)60年代的1/2，這必將對(duì)長(zhǎng)江口潮灘整體沖淤態(tài)勢(shì)產(chǎn)生影響。但潮灘的沖淤演變過程受流域來水、來沙、水動(dòng)力條件、異常天氣及人類活動(dòng)等多種因素綜合影響，特別是崇明東灘區(qū)的演化過程還需重點(diǎn)考慮局部水動(dòng)力條件及人類活動(dòng)的影響。當(dāng)前，無論是哪方面考慮，人類都在以自身的利益出發(fā)，謀求濕地資源的無償饋贈(zèng)，崇明東灘濕地區(qū)也不例外;而長(zhǎng)江上游流域來沙的減少及全球海平面的上升也必然直接或間接地影響著長(zhǎng)江口濕地資源的自然演化態(tài)勢(shì)，因此，如何對(duì)崇明東灘濕地進(jìn)行合理規(guī)劃，開發(fā)與保護(hù)并重，當(dāng)前及長(zhǎng)遠(yuǎn)利益兼顧，是人類值得思考的重要課題。

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