海岸線及其測繪技術(shù)探討

于彩霞，許 軍，黃文騫，盧 巖，林 林

（1．信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州450052；2．海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連116018；3．海軍出版社，天津

300450）

長期以來，圍繞著海岸線的定義及其位置的確定一直存在著歧義、不嚴謹、不一致等問題。由于對海岸線的理解不同，或基于不同的研究目的、不同的實際應(yīng)用需求，加上測繪手段不同或測繪技術(shù)不完備，海岸線位置的確定也不同。目前，將海岸線定義為平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線，在實地測繪海岸線時則以可視的痕跡線作為替代海岸線，當(dāng)利用遙感影像動態(tài)監(jiān)測海岸線的變化時，通常會將成像時刻的水邊線（或痕跡線）代替為海岸線。

事實上，該定義的不明確和岸線位置認定的不統(tǒng)一也引起了爭議，給實際應(yīng)用帶來了困擾。本文在認真分析海岸線內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，指出了海岸線定義存在的問題，給出了相應(yīng)的完善意見；在分析實地痕跡線測繪法和遙感影像提取法的基礎(chǔ)上，探討了利用Li DAR技術(shù)提取海岸線的新技術(shù)，提出了構(gòu)建海岸線精確測繪體系，為規(guī)范海岸線定義及海岸線精確測繪提供技術(shù)支撐。

1 海岸線的內(nèi)涵及定義

1．1 海岸線的內(nèi)涵

海岸線通常被認為是海洋與陸地的分界線，由于受自然作用例如潮汐、風(fēng)浪、氣候等的影響，海平面并不是固定不動的，而是不斷地升降、變化，因此，這條海陸交界線也是在不斷的變化，具有動態(tài)性和不確定性。有人認為海岸線是一條虛擬的動態(tài)線；也有人認為不應(yīng)該存在海岸線的概念，實際上這是對海岸線的理解有偏差或是對其內(nèi)涵的不清晰造成的。

在我國，將海岸線定義為“平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線”，但這條“水陸分界線”絕大部分時間是裸露的 只有在偶發(fā)的風(fēng)暴潮或特大潮時才被海水淹沒（1個月內(nèi)海水僅很少幾次抵達海岸線，而且即達即退，海岸線被海水光顧的時間僅占其裸露時間的數(shù)百分之一［1］）。之所以如此定義，是因為這條分界線的兩側(cè)有著明顯差異的陸地環(huán)境和海洋環(huán)境。在這條分界線以上，是一個以淡水主導(dǎo)的環(huán)境，是人類生活和動植物生存的陸地環(huán)境；而在分界線以下，經(jīng)常有海水光顧，屬于海洋生物賴以生存的海洋環(huán)境。這便是海岸線最基本的內(nèi)涵，也是定義海岸線應(yīng)當(dāng)遵循的依據(jù)。

1．2 海岸線位置確定的多樣性

海岸線作為海陸交界線的這種表述方式雖然簡單易懂，但給實際測繪和應(yīng)用帶來了諸多麻煩。不同的國家和地區(qū)由于其不同的地理位置或潮汐情況，對海岸線位置的確定方法不同；并且由于不同學(xué)科、不同研究目的，海岸線具體位置的劃定也存在一定的分歧。例如，在美國，海岸線的繪制由國家大氣海洋局（NOAA）負責(zé)，采用平均高潮面（Mean High Water，MH W）和平均低低潮面（Mean Lower Low Water，MLL W）為潮汐基準面確定海岸線［2］；西班牙則采用平均海平面（Mean Sea Level，MSL）；在我國，將海岸線定義為平均大潮高潮時的水陸分界線，但航海圖上的海岸線則以最低低潮線為分界線（美國亦是如此），為了航海安全，實際繪制的航海圖上的海岸線會比最低低潮線還略微低一些；在自然地理學(xué)中，通常是用海洋最高的暴風(fēng)浪在陸地上所達到的位置來劃定海岸線；在資源調(diào)查方面，特別是利用遙感影像動態(tài)監(jiān)測海岸線的變化時，通常會將成像時刻的水邊線（或痕跡線）代替為海岸線；在我國海域使用管理中，海岸線指多年大潮平均高潮位時海陸分界線。

綜上所述，海岸線的確定通常包括兩種方式：一是影像圖上可視的、可分辨的邊界線或人工實測的痕跡線，例如瞬時水邊線／水涯線（Instantaneous Water Line）、干 濕 線（Wet＼Dr y Line）、高 潮 線（High Water Line，H WL）等，該類岸線具有瞬時性，以及變化快等特點，因此并不是真正意義上的海岸線；二是基于特定的潮汐基準面確定，例如平均低潮面（Mean Low Water，ML W）、平均低低潮面（MLL W）、平均高潮面（MH W）、平均大潮高潮面（Mean High Water Springs，MH WS）、平均海平面（MSL）等，該類岸線是不同的潮汐基準面與沿海岸灘的交線，叫做潮汐特征海岸線。這些分界線可視為廣義的海岸線或替代海岸線。不同潮汐基準面間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 常用的潮汐基準面

1．3 我國海岸線的定義及其問題

從測繪學(xué)角度出發(fā)，要求地形要素幾何、物理意義準確，表示唯一。顯然目前海岸線的表述還不夠科學(xué)嚴謹。1959年《海道測量規(guī)范》規(guī)定，海岸線系多年大潮高潮時形成的實際痕跡線，初步規(guī)范統(tǒng)一了海岸線的概念；1990年，趙明才等［3］針對該規(guī)范定義的“多年大潮高潮”缺少嚴密性，就提出了以“平均大潮高潮”痕跡線作為海岸線的定義。

在20世紀90年代以來陸續(xù)頒布的《GB12327－1998海道測量規(guī)范》［4］、《GB12319－1998中國海圖圖式》［5］等國家標準中規(guī)定，海岸線是指平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線，并且說明一般可根據(jù)當(dāng)?shù)氐暮Ｎg階地、海灘堆積物或海濱植物確定。該定義也一直延用至今，國家與地方法律以及相關(guān)的行業(yè)標準中都采用相同或相似的定義。

仔細分析該定義，存在如下問題：

1）平均大潮高潮面應(yīng)該為足夠長時間尺度內(nèi)（一般不少于19 a）所有大潮期間高潮面的平均。顯然，平均大潮高潮面不存在對應(yīng)時刻，即“平均大潮高潮時”的概念不存在。

2）痕跡線是指灘涂上沙礫等堆積形成的痕跡、巖石等因海水浸泡形成的痕跡，也稱為痕跡岸線。由于痕跡岸線是實地測量的唯一可視依據(jù)，并且受到測繪方法和手段的制約。因此，目前海岸帶地形圖和海圖中的海岸線測量基本都采用測繪痕跡岸線法。但痕跡岸線在許多海岸并不明顯、不連續(xù)、不唯一，有一定的寬度，難以辨認，甚至小范圍內(nèi)岸線高程不一致現(xiàn)象普遍存在。無論是實地測量還是對遙感影像進行判讀時受主觀影響較大，由于不同人員對痕跡線位置的理解、判斷不同，因此對于同一岸段測出的痕跡線亦有所不同；即便是同一人，不同次測量的痕跡線也會不同，導(dǎo)致最終結(jié)果的不統(tǒng)一。因此，在測繪學(xué)中，不能將痕跡岸線作為海岸線［6］。

事實上，只有科學(xué)定義海岸線，才可能為海岸線的精確測繪提供堅實的理論依據(jù) 因此 針對上述問題，筆者提出兩點建議：①在我國，鑒于以平均大潮高潮面作為水陸分界線的定義經(jīng)過科學(xué)論證，已達成共識，因此，為保持海岸線定義的連續(xù)性，宜繼續(xù)采用平均大潮高潮面的定義，但“平均大潮高潮時”不存在對應(yīng)時刻，該提法不嚴謹，應(yīng)進行修訂；②關(guān)于定義中“痕跡線”的提法，在前面也提過，痕跡線是測量時唯一可視依據(jù)，但并不是平均大潮高潮線，只能作為海岸線的替代線。這主要是受到當(dāng)時測繪設(shè)備和技術(shù)的限制，不得已將痕跡線替代為海岸線，并延用至今。事實上，海岸線是平均大潮高潮下的海陸分界線，即平均大潮高潮面與海岸剖面的交接線，也叫做潮汐特征海岸線（tide－coor dinated coastline）。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測量技術(shù)也在不斷提高，制定科學(xué)、合理、規(guī)范的海岸線定義，精確地測繪海岸線準確位置的時機已經(jīng)成熟。

2 海岸線的測繪技術(shù)

2．1 海岸線的常規(guī)測繪方法

由于在進行實際測繪時無法測量平均大潮高潮線，因此《海岸帶地形圖測繪規(guī)范》（CHB 3．3－01）中規(guī)定“海岸線以平均大潮高潮時所形成的實際痕跡進行測繪”，即以測量的痕跡線來代替海岸線。海岸的類型很多，總體可分為5類：淤泥（粉砂）質(zhì)海岸、沙（礫）質(zhì)海岸、基巖海岸、生物海岸和人工海岸等。不同的海岸類型，根據(jù)不同的判定原則測量痕跡線［2，7］。

淤泥（粉砂）質(zhì)海岸以陸生植物界限為界，海岸線即為陸生植物的外邊緣線或漂浮物上界；在砂（礫）質(zhì)海岸海灘的上部堆積形成了一條或多條由砂（礫）石、貝殼碎片、水草殘體等構(gòu)成的痕跡線，海岸線即為最高的一條痕跡線；基巖海岸的巖石表面受到波浪的反復(fù)沖擊及海水浸泡，顏色存在差異，痕跡線明顯，易于識別；生物海岸主要包括紅樹林海岸（一般生長在熱帶與亞熱帶）、海草海岸、珊瑚礁海岸等，前兩者以紅樹林或海草植物的上界或參照淤泥（粉砂）質(zhì)海岸來確定海岸線，后者則可參照基巖海岸來確定；人工海岸包括人為修建的堤壩、碼頭、養(yǎng)殖池等，一般碼頭岸壁、岸防工程和填海工程的護岸堤外壁都作為人工岸線，而圍海養(yǎng)殖池等則作為海域處理。

目前，實地測量痕跡線法為最原始的海岸線測量方法，也是延用至今常用的方法，絕大多數(shù)的岸線測量成果也都是基于該方法得到。采用這一方法，工作人員實地測量時需逐點（特征點）進行，工作量大 效率低 時效性差 并且測量某些海岸如巖石陡岸時，存在著較大的困難，甚至存在著危險。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其快速、動態(tài)的優(yōu)點彌補了實地測量方法的不足，利用遙感影像監(jiān)測海岸線位置及其變化的研究和應(yīng)用越來越多，但大多數(shù)的研究直接將瞬時水邊線、干－濕線或植物生長分界線等作為海岸線［8－9］。遙感技術(shù)下海岸線提取的關(guān)鍵是對遙感影像進行邊緣檢測，已發(fā)展了多種算法，如閾值法、邊緣檢測算子法、主動輪廓模型法、面向?qū)ο蠓?，以及對其進行改進［10－11］等。邊緣檢測提取的水邊線是成像時刻的瞬時水涯線，還不是真正意義上的海岸線，因此，有學(xué)者在提取水邊線的基礎(chǔ)上，結(jié)合潮汐、不同類型岸線的特征或光譜的差異對其進行修正，以期得到海岸線的真實位置［12－17］。從研究結(jié)果可知，提取的海岸線有一定的誤差，加之對遙感影像進行判讀時受主觀影響較大，且受遙感影像分辨率（近年來高分辨率影像越來越多，但成本偏高）和成像時間的限制（最好是在大潮高潮時成像），提取的海岸線沒有明確精度指標，一般僅能用于海洋資源調(diào)查，無法直接用于海洋測繪的海岸線繪制和航海。另外，航空航天攝影測量模式需要在實地布設(shè)一定數(shù)量的像控點（特征點），工作量較為繁重，也從一定程度上限制了該方法在海岸帶岸線測量上的推廣應(yīng)用。

2．2 基于Li DAR的潮汐特征海岸線提取技術(shù)

雖然常規(guī)海岸線測量真實性較強，但必須進行大量的野外工作，效率低、周期長，且易受人為因素的影響。因此，急需發(fā)展一種低成本、高效率、高精度的海岸線測繪技術(shù)，Li DAR（Light Detection and Ranging）技術(shù)屬于主動遙感，受天氣的影響小，勞動強度低，能夠快速獲取高精度的三維點云數(shù)據(jù)，可在困難測區(qū)高精度測圖，能夠解決傳統(tǒng)方法必須在測圖區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量控制點而實際人跡難以到達的難題，有效地彌補了海岸線傳統(tǒng)測量技術(shù)的缺陷，成為海岸帶測繪發(fā)展的新方向。

在國外，利用Li DAR點云提取海岸線的研究較早。理論上，由海岸線（某個定義潮位面）的高程、高精度Li DAR數(shù)據(jù)生成的DEM就可以確定海岸線的平面位置，即提取出海岸線，方法基本分為兩類：海 岸 剖 面 法（cross－shore profile method，CSP）與等值線法（contouring method）。海岸剖面法（CSP）［18］是最常用的方法之一，采用線性回歸模型，從離散的Li DAR原始點云的高程中定位特定潮汐基準面與海灘剖面的交點，生成海岸線，該方法被美國地質(zhì)勘探局官方使用，運算量較大；而等值線法 則簡單易操作 只需從Li DAR衍生的DEM模型（DEM或格網(wǎng)）中得到某潮汐基準面高程所在的等值線即可，被美國海洋與大氣局官方使用。但實際確定的海岸線存在一定的問題：岸線抖動較大，部分不連續(xù)，存在零碎的線段，需進一步對提取的岸線進行綜合判繪，辨真去偽，從而得到連續(xù)、平滑的海岸線。因此Liu［20］提出了一種基于分割的圖像處理方法，以期從Li DAR數(shù)據(jù)中自動提取潮汐特征海岸線，也有學(xué)者結(jié)合同期（同時）的Li DAR點云數(shù)據(jù)與正射影像來提取不同的海岸線替代線，從Li DAR數(shù)據(jù)中提取MH W海岸線，從正射影像中數(shù)字化干／濕線，并且對兩者的空間關(guān)系進行了對比。

近十年來美國應(yīng)用Li DAR技術(shù)繪制海岸線取得了重大的進展，部分州區(qū)還擁有垂直基準轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Vertical Datu m，VDatu m）的支持［21］，前提是由Li DAR數(shù)據(jù)生成DEM及由VDat u m系統(tǒng)獲得MH W在DEM上的高程，其成果能滿足中大比例尺的測圖要求［22］。

在國內(nèi)，無論是硬件系統(tǒng)還是軟件方面發(fā)展較晚，目前大多數(shù)的研究僅涉及到點云的濾波算法，或者利用Li DAR提取樹木、建筑物、道路等陸地地物，而在海岸帶測量方面的研究和應(yīng)用還處于起步階段［23］。近年來，相關(guān)國家專項對Li DAR技術(shù)進行研究，已取得了一定的進展，但尚未有從測繪角度確定海岸線等地形要素的相關(guān)文獻。

與傳統(tǒng)海岸線測繪方法相比，應(yīng)用Li DAR提取潮汐特征海岸線優(yōu)勢主要在于：

1）從前面所界定的海岸線科學(xué)定義可知，我國的海岸線是基于MH WS潮汐基準面，其是18．6 a潮汐周期內(nèi)所有大潮高潮的平均值，消除了由最大波浪或潮汐引起的短期不穩(wěn)定性［24］；

2）基于Li DAR提取海岸線的過程不需要人工解譯，避免了主觀因素的影響，并且該過程具有可重復(fù)性，不確定性少于遙感影像提取方法中產(chǎn)生的不確定性［25］。

3 結(jié)束語

海岸線的測繪經(jīng)歷了實地測量、航空攝影測量技術(shù)，以及最新的Li DAR測量技術(shù)等，不管采用哪種技術(shù)和方法，海岸線測繪及其監(jiān)控需重點考慮的是確定合適的海岸線定義及其相應(yīng)的測量技術(shù)［26］。

由于不同學(xué)科、不同研究目的，海岸線位置確定呈現(xiàn)多樣性的現(xiàn)狀。在基于航天遙感技術(shù)下的海岸線確定及其變化研究等領(lǐng)域，這種多樣性更明顯 其原因主要是兩方面 一是遙感資料的分辨率通常較低；二是該類研究是基于海洋資源調(diào)查目的，旨在調(diào)查海岸的基本狀況，如各類型海岸的概略長度及其變化情況、海島的概略面積等，此時海岸線位置的精度指標通常無明確要求。而當(dāng)海岸線位置確定作為海圖與海岸帶地形圖的測量工作時，海岸線定義表述不夠科學(xué)嚴謹與理解、測量實施的多樣性，將造成不同時間或不同人員測量成果間存在較大差異，這會造成地圖表示混亂。考慮到海岸線在管轄權(quán)界定、海島大小和面積描述中的決定性地位，海岸線表示混亂可能造成嚴重的后果，在中大比例尺地形圖或海圖中問題將更加突出。隨著高分辨率的航空攝影測量與機載Li DAR在海岸帶與海島礁測繪中的應(yīng)用，海岸線應(yīng)作為地形要素，以附加明確精度指標的地理信息來表示。這需要構(gòu)建較為完備的海岸線定義、確定的理論和方法體系，發(fā)展遙感地形測量模式下的海岸線綜合確定技術(shù)，滿足大范圍測量圖的需求，為推進海岸線的精確測繪奠定基礎(chǔ)。

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