潮灘沖淤觀測技術發(fā)展現(xiàn)狀

張 穎, 閆玉茹, 章家保, 李 靜, 裘露露

潮灘沖淤觀測技術發(fā)展現(xiàn)狀

張 穎1, 閆玉茹1, 章家保2, 李 靜1, 裘露露1

(1. 江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局, 江蘇 南京 210007; 2. 河海大學 港口海岸與近海工程學院, 江蘇 南京 210098)

針對潮灘研究中最重要的沖淤觀測工作, 本文對20多種可行的技術在點、線、面狀觀測分類的基礎上進行了梳理。重點闡釋每種觀測技術的基本原理、適用性及技術間的異同點、發(fā)展路徑, 對其中新型的手段進一步分析了其質(zhì)量指標、核心技術要點及在潮灘的實踐應用情況。以此實現(xiàn)了對潮灘沖淤觀測技術發(fā)展現(xiàn)狀的整體認識。

潮灘; 沖淤觀測; 技術分類; 研究現(xiàn)狀

潮灘一般指平均大潮高潮線和平均大潮低潮線之間的潮侵地帶, 是海岸帶的主要組成部分。潮灘是生物多樣性地帶、是極端氣象下的海岸防護帶, 同時還是港工碼頭、旅游觀光、圍墾造地等所依托的經(jīng)濟建設帶, 自然成為各類研究關注的區(qū)域[1]。受泥沙供應、水動力等影響, 潮灘存在不同時間尺度的侵蝕或淤積現(xiàn)象, 對沖淤的觀測是所有潮灘研究中一項重要的基礎性工作。

和水下地形測量從原始的測深桿、測深錘逐步升級到多波束、機載Lidar等新方法的發(fā)展路徑類似, 潮灘沖淤觀測的技術發(fā)展也是一個由原始向現(xiàn)代、小范圍向大區(qū)域、單一向多手段、低效率向高效率的逐漸進步的過程。本文梳理國內(nèi)外現(xiàn)有可行的潮灘沖淤觀測手段并進行技術分類, 重點闡釋每種觀測技術的基本原理和適用性, 對其中現(xiàn)代新型的手段同時分析質(zhì)量指標、核心技術要點及在國內(nèi)潮灘的應用情況。以此實現(xiàn)對潮灘沖淤觀測技術發(fā)展現(xiàn)狀的整體認識。

1 潮灘沖淤觀測方法分類

中國潮灘岸線總長近4 000 km, 本身特點不一, 必須要有多樣化的潮灘沖淤觀測方法與之匹配: 第一, 底質(zhì)、表面特征不同。即以平原型的江蘇潮灘一地而言, 其灘面就有草灘、泥灘、泥-粉砂灘、粉砂-細沙灘、貝殼堤等不同底質(zhì)之分。底質(zhì)不同, 物性指標迥異, 限制某些手段的有效探測(如激光測量對底質(zhì)含水量敏感); 第二, 潮灘寬度、坡度不同。以廈門灣和江蘇岸外潮灘為例, 廈門灣潮灘寬度數(shù)百米至1~2 km, 坡度1‰~2‰, 而江蘇岸外潮灘寬10~13 km, 最寬36 km, 平均坡度僅0.2‰[2]。懸殊的寬度和坡度, 不僅體現(xiàn)為施工效率不同, 在潮汐漲落之下表現(xiàn)為無水區(qū)、有水區(qū)及不同水深區(qū), 完整的觀測同一潮灘或需要多種技術相配合; 第三, 觀測要求不同, 主要體現(xiàn)在觀測的廣度與精度上。即以遙感觀測和斷面點測比較, 前者優(yōu)勢在于觀測廣度, 后者優(yōu)勢在于觀測精度。

在分類的基礎上進行潮灘觀測技術總結是必要的。以不同視角, 分類可以有多種方案, 如以接觸式、非接觸式觀測分類, 陸基、?；⒖栈?、天基觀測分類, 觀測精度、效率分類等。本文從潮灘沖淤觀測的核心是灘面高程觀測這一認識入手, 參比水下地形測量發(fā)展的分類模式, 擬從觀測目標由點、線、面逐步擴大范圍的角度進行歸類分述。需要說明的是, 點、線、面三者之間并不存在一條明確的界線, 這三者更多的體現(xiàn)為一種過渡。事實上, 線和面也就是由密集的點所構成的。

2 點狀觀測技術

點狀觀測一般指定點的實地觀測, 是較‘傳統(tǒng)’的觀測手段, 不過也是較可靠、精確的觀測手段。點狀觀測技術由純?nèi)斯せ蚝唵螜C械間斷觀測到利用主動或被動傳感器連續(xù)觀測, 是自動化程度逐步提高的過程。

2.1 標志樁法、SET(RSET)法、反射測距、沉降板法

標志樁沖淤觀測法是將一標桿插入潮灘沉積物中, 插入深度需確保它的穩(wěn)定性。設置好以后測量出露部分的長度, 記為1。以后每隔一定時間(按觀測要求)重測出露標桿的長度, 記為2。1－2即為在此期間的沖淤變化, 正值為淤積, 負值表示侵蝕。為保證每次測量的準確性, 一般在樁的周圍多次測量, 以平均值作為測定值。考慮到標桿本身對沖淤有一定的影響, 另有雙標志樁測中間距離法, 即在灘面上相距1 m同時設置兩根標志樁, 水平架一橫桿于兩樁之上, 以測量橫桿的中點到灘面的距離代替單桿方法中的直接測量距離。標志樁法投入少、技術要求低、直觀, 在嚴格作業(yè)質(zhì)控下, 測量精度能達到厘米級, 主要的缺點是, 布設與觀測效率低, 且設置的標志樁易受破壞而不能保證觀測持續(xù)性[3]。

Boumans等設計的沉積侵蝕水平面測量方法(SET)[4], Donald等在此基礎上改進的高程水平面基準桿測量方法(RSET)[5], 原理上和標志樁法(尤其是雙標志樁法)是近似的。同樣是測量裝置上某一基準點到灘面的距離。所不同的是將標志樁操作中的直接測量改進為利用簡單的機械裝置來進行測量。其測量精度更高, 且可以同時測得測量點周圍面上多個點的值以反映局域的變化趨勢。SET方法用來測量松散的淺水區(qū)或潮灘的高程變化, 精度達到±1.5 mm。RSET精確度在紅樹林沼澤達到±1.3 mm, 鹽沼為±4.3 mm。

如將上述測量灘面高程變化的機械類裝置替換為基于聲、光、電反射原理的反射測距儀進行自動測量[6-7], 可以避免人為誤差得到更準確的灘面相對高程, 也易實現(xiàn)高頻測量和無線實時傳輸。需要指出,這一類測距儀適用的介質(zhì)往往是單一的, 即有的需要退潮后在空氣介質(zhì)中運用, 有的需要漲潮后在水體介質(zhì)中運用。

沉降板法也同樣是測量裝置上某一基準點到灘面的距離, 不同的是沉降板埋于潮灘面之下。測量的是灘面到板面的距離, 故和上兩種方法正好相反, 兩次測量變化值正值為侵蝕, 負值為淤積。沉降板法同樣可以達到厘米級精度但一般用作短期的沖淤觀測, 并選擇在較平靜的天氣條件下使用[8]。

2.2 示蹤沙、示蹤沙棒法

人工示蹤沙實驗(ATE)是用人工方法標識的物質(zhì), 摻入天然母質(zhì)沉積物中, 通過追蹤示蹤沙, 可獲得沉積物的運動方向、搬運速度和搬運速率等信息。該方法的發(fā)展已有近50年的歷史。根據(jù)采樣、觀測與統(tǒng)計計算的原理差異, 研究示蹤沙的變化有空間積分法、時間積分法和連續(xù)投放法之分。但無論哪種方法, ATE方法在實際操作上有一定的困難, 主要表現(xiàn)在確定實驗的空間范圍、活動層厚度、對‘充分混合’狀態(tài)的理解、示蹤沙的回收率及其代表性, 以及研究對象的時空尺度的影響等。ATE的工作效率偏低, 一次實驗只能獲得一個測點或一條測線的沉積物輸運率, 技術仍需進一步完善[9]。

示蹤棒方法是利用熒光素染色的砂棒觀測潮灘再沉積速率的一種精確的定量方法。用熒光素和瓊脂對取自海灘的中砂進行染色, 將染色的砂子和水溶性膠制成20 cm×2 cm×0.5 cm的砂棒。使用時, 把砂棒豎直插入沉積物中, 并使頂端與沉積面一致。沉積物中的孔隙水會將砂棒中的膠溶解掉, 染色過的砂子即可被波浪和海流帶走。準確測量殘留砂棒的長度就可以了解侵蝕和沉積的量, 根據(jù)這些量還可以計算沉積平衡和沉積交換的量, 測量精度能達到1 mm。

圖1 示蹤砂棒測量再沉積值示意圖[9]

按圖1指示地貌變化的沉積平衡值、指示潮灘物資交換總體程度的沉積交換值即可以通過砂棒原始長度值、殘留砂棒長度值、沉積厚度值等通過簡單的公式計算得到[10]。

砂棒法最大的特點是能定量測定沉積物的交換量(侵蝕和再沉積), 被用于近岸水下再沉積的測量分析和紅樹林潮灘再沉積影響因素的研究[11-12], 在我國黃河三角洲潮灘、遼河三角洲濕地和膠州灣潮灘的觀測中都使用過這種方法。

2.3 光電管、光纖光柵等

利用光、電、熱等現(xiàn)象的被動式傳感器同樣可以‘感受’潮灘的沖淤變化。以光學傳感器為例:

光電侵蝕管(PEEP)可通過光感度變化記錄沖淤數(shù)據(jù)。將裝有多個可見光電池的透明丙烯酸電子管垂直插入潮灘面, 根據(jù)光電池暴露在外面的長度, 感應器產(chǎn)生相應的電壓強度, 電壓值通過一定的運算法即可轉化成潮灘沖淤厚度而被記錄下來。光電侵蝕管的缺點是依賴于光照, 水下光的強度不足時, 得到的水下沖淤值準確度也會降低[13]。

在水下則可以用光纖光柵技術代替。當光纖光柵受到外界應變變化時, 光柵柵格周期會發(fā)生變化, 同時光彈效應會導致光柵有效折射率變化, 從而改變光柵中心波長, 通過觀測反射光譜中光柵中心波長的變化可得到外界應變的變化情況。有很多種光纖光柵傳感器的設計和安裝方法可以促使產(chǎn)生這種應變并被觀測到[14-15]。

如將傳感器按一定間距安裝于一剛性支撐管側壁, 將剛性管插入待觀測點的灘面之下并確保固定。進行沖淤觀測時, 位潮灘面以上的傳感器能夠觀測到由水流紊動所引起的振動, 而那些位于潮灘面以下的傳感器則觀測不到相同數(shù)量級的振動, 所以通過比對按一定間距沿軸線布置在管側壁上的傳感器觀測到的振動能量值就能確定水沙交界面的位置, 如圖2所示。這種裝置不僅能精確地觀測到各種水位條件下的沖淤深度, 還能觀測到潮灘沖淤發(fā)展的整個過程, 并且觀測精度主要取決于傳感器的本身的尺寸、分辨率、布設間距等[16]。

在光學使用受限時, 類似的觀測方式還可以使用熱傳感器[17]、電導率傳感器[18]、時域反射計[19]等?？偟膩碚f, 傳感器的使用(主動或被動)明顯提高了觀測的效率和精度。遠距離實時數(shù)據(jù)傳輸, 使對潮灘的監(jiān)測及對特殊沖淤事件作出快速反應成為可能。

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圖2 光纖光柵傳感器沖淤監(jiān)測示意圖

3 線狀觀測技術

點位觀測不便于在潮灘上密集展開, 要反應潮灘向海剖面線上完整的沖淤變化趨勢, 更多采用線狀觀測技術。更高效觀測設備和平臺的使用, 是線狀技術的特點。

3.1 全站儀、地面三維激光技術

全站儀是一種集光、機、電為一體的測量儀器, 有垂直角、水平角、距離、高差測量等多種功能, 廣泛用于陸地精密工程測量或變形觀測領域。由于其測點速度快, 同樣適用于潮灘的沖淤線狀觀測。在測區(qū)進行實地踏勘后選擇合適的點位作為測站點和后視點, 簡單的標定調(diào)試后便可對潮灘剖面線進行測量[20]。

全站儀在潮灘的工作有棱鏡法和免棱鏡法兩種模式。棱鏡模式精度高、測距遠, 但需要人工沿測線跑點, 效率較低, 同時不便于在人工跑灘困難區(qū)實施。對于寬度較小的潮灘, 免棱鏡模式是更好的選擇。全站儀免棱鏡模式可以在不架設反射棱鏡的情況下獲取一定距離范圍內(nèi)目標的三維坐標, 這個特點使人員難至區(qū)的潮灘測量成為可能。部分全站儀免棱鏡模式標稱測距可以達到2 000 m(如拓普康GPT-4002LN), 高程分辨率達到毫米級。不過, 在現(xiàn)場反射條件、目標點入射角度等環(huán)境因素不利時, 測距和測量分辨率均會降低, 以測距1 200 m的拓普康GPT-3002LN為例, 測量條件不利時, 僅能在300 m范圍內(nèi)有效使用, 高程分辨率也僅為厘米級[21-22]。

地面三維激光掃描技術(TLS)是一種地形測量新技術, 能快速獲取大面積、高精度的地形點云數(shù)據(jù)。在地學領域, TLS技術被有效運用于火山活動觀測、海岸線測繪、地表形變研究等工作[23-25], 近年來, 有學者將TLS技術引入到潮灘地形地貌研究中。

地面激光三維掃描系統(tǒng)主要由地面三維激光掃描儀、坐標校正系統(tǒng)、掃描數(shù)據(jù)的后期處理系統(tǒng)三部分組成。其地形測量原理如下圖: 儀器發(fā)射器向物體發(fā)射激光, 在物體表面反射后再被接受機接收, 通過測量激光往返時間可計算得儀器與目標之間的距離; 同時測得激光光束的水平角度與垂直角度, 根據(jù)三角關系, 可求得目標點相對于儀器的三維位置,,。由于儀器在地理框架下坐標已測定, 故通過坐標系轉換, 最終可得目標點的三維地理坐標[26], 如圖3所示。

圖3 地面激光三維測量原理圖[26]

潮灘地形測量時, 激光掃描設備置于岸邊一固定點, 確保一定的架設高度, 經(jīng)坐標準確校正后, 向海進行灘面觀測。不同的TLS設備, 有效掃描距離不同, 以RIEGL VZ4000為例, 其有效掃描距離為4 000 m, 單次測量精度為15 mm, 重復測量精度為10 mm, 足以有效覆蓋大多數(shù)的潮灘。由于地面物體表面的遮擋效應及其他環(huán)境因素對激光電磁波傳播過程產(chǎn)生影響, 獲取的點云原始數(shù)據(jù)中不可避免地產(chǎn)生噪聲點, 為了從點云中提取裸露地表數(shù)據(jù), TLS最核心的數(shù)據(jù)處理技術是濾波算法的研究, 目前主要的濾波算法有形態(tài)學方法、多重回波法、基于內(nèi)插的濾波算法等幾類[27]。濾波算法、多方位重復掃描技術對于大部分覆蓋有鹽沼植物的潮灘尤為重要[28]。

除了直接測定灘面高程, TLS還可以在91.94%的精度下估算潮灘表層含水量[29], 結合有學者提出的利用含水量法反演潮灘地形的技術[30], 為TLS潮灘觀測提供了一種新的思路。

3.2 RTK、PPK、測深技術

GNSS測量是當前最通用的地形測量方法之一, 同樣適用于潮灘觀測。由于衛(wèi)星單點定位精度偏低, 工作中多使用差分定位的方案?；谳d波相位差分的實時動態(tài)定位技術(RTK)起源于20世紀90年代, 目前業(yè)已普及。RTK系統(tǒng)由基準站、流動站和軟件系統(tǒng)三部分組成, 其基本工作原理是基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站信息一起傳送給同樣在獨立記錄觀測值的流動站, 兩站的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)實時處理, 在運動中初始化, 數(shù)秒鐘內(nèi)即可得到流動站的高精度三維定位坐標。

使用RTK技術進行潮灘觀測, 一般在近岸選取控制點架設基準站, 同時建立控制網(wǎng)計算坐標轉換參數(shù), 流動站則需要按設定的測線進行人工‘跑灘’打點[31]?；鶞收竞土鲃诱局g的實時通訊有電臺模式或網(wǎng)絡模式, 但無論是哪種通訊, 要使RTK得到固定解, 確保垂直觀測精度達到厘米級, 基準站、流動站之間的距離是有限制的(多在5 km內(nèi))[32]。

對于寬廣的潮灘(如蘇北潮灘), 使用動態(tài)后處理差分技術(PPK)則更合適。PPK是近些年來發(fā)展使用的測量方法, 測量原理是通過基準站和移動站同時采集最少兩個歷元的觀測時間, 從而解算主站和移動站的基線解。其點位的測量精度同樣能達到厘米級。相較于RTK技術, PPK技術最大的特點是基站流動站間無需數(shù)據(jù)通訊, 但各自單獨采集的數(shù)據(jù)需進行后處理[33]。有研究表明, PPK技術能將有效作業(yè)距離拓展到100 km[34], 這一距離足以覆蓋所有的潮灘。

并不是所有的潮灘都適合直接‘跑灘’, 對于人行不便的潮灘, 可以將RTK(PPK)設備架設在氣墊船等平臺上工作, 不僅增加安全性, 同時提高工作效率[35]。如果潮灘過于寬闊, 潮下帶等區(qū)域長時間被水覆蓋, 此時則需要利用淺水測深設備進行水下地形測量。淺水高精度水下地形測量需要從儀器選定、數(shù)據(jù)濾波等各方面作對應的特殊處理, 但最核心的工作是水位控制技術[36]。在水位控制網(wǎng)完備的區(qū)域可以選用潮改方案; 更多情況下, 聯(lián)合RTK(PPK)采用無驗潮一體化測深技術是更合適的方案, 研究表明, 該技術在潮灘高程測量中可達到10cm的精度級別[37]。

4 面狀觀測技術

由于觀測范圍和工作效率上的限制, 潮灘沖淤的點、線狀觀測手段主要針對有限的特定點位或重點研究區(qū)。要整體了解潮灘沖淤狀況, 更宜選用當前多樣化的面狀觀測技術。面狀觀測技術多采用空基平臺以實現(xiàn)大面積覆蓋及高效作業(yè), 其特點不一定體現(xiàn)為對某一具體點或線的高精度調(diào)查, 但無論在時間尺度還是空間尺度上的宏觀性是其他手段無法達到的。

4.1 機(星)載激光測量

機載激光測量是將脈沖式激光測距設備裝配在飛機之上對地進行測量的一種新的測量手段。在測距基本原理上, 機載激光測量和地面三維激光掃描或其他脈沖式測距雷達并無本質(zhì)上的區(qū)別, 也是通過測定脈沖激光光波在測線上的往返時間, 來求得測點至目標點之間的距離。不同點在于, 機載激光掃描依托高頻激光器作連續(xù)的高速測量, 測量光束可按設計要求改變測量方向, 滿足按一定的格網(wǎng)密度和航帶寬度快速采集地形高程或海底水深數(shù)據(jù)的要求[38]。

在潮灘觀測中使用機載激光測量有兩種模式: 一種是采用單一紅外激光器, 波長為800~1 064 nm, 可以對潮灘干出部分進行測量; 另一種是同時采用紅外和藍綠兩種激光器, 適用對被淺水覆蓋的潮灘水底地形進行測量, 紅外激光波長仍為1 064 nm, 負責形成水面回波, 藍綠激光波長532 nm, 可以穿透海水形成水底回波, 利用水面與水底反射激光到達接收器的時間差, 加以系統(tǒng)校準、姿態(tài)改正、折射改正、潮位改正, 可計算得被水覆蓋潮灘的水底三維坐標。

機載激光測量獲得的點云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過編輯、濾波、校驗等過程才能最終提取到特征點的準確值。處理過程的重點和難點是針對不同環(huán)境設計選擇不同的濾波算法[40], 以及測量過程中各種參數(shù)改正。使用機載激光方案進行潮灘觀測最大的優(yōu)勢是高效與測量準確度。以1 000 m的飛行高度, 30°掃描角折算, 每條航線覆蓋寬度即可在500 m以上, 實際更多的設備使用時能單次覆蓋1.8 km以上[41]。潮灘測量準確度同樣可以保證, 以2014年江蘇省沿海灘涂加載Lidar航攝數(shù)據(jù)為例, 對兩個測區(qū)共218個外業(yè)控制點的點云數(shù)據(jù)絕對精度檢測顯示, 高程中誤差分別為0.130 m和0.108 m, 可以達到潮灘觀測要求[42]。不過, 對于紅藍激光穿透水層測水底高程而言, 潮灘淺水區(qū)水表波動、渾濁水體等因素對這種方法的使用仍帶來諸多影響和限制。

圖4 機載激光測量原理示意圖[39]

隨著無人機技術的發(fā)展及激光掃描設備的輕便化, 使用無人機機載激光測量使用更便捷, 也更具成本優(yōu)勢。以該技術在福建興化灣附近幾個典型灘涂海灣的應用為例, 測區(qū)為海水養(yǎng)殖密布的淤泥質(zhì)潮灘, 屬于傳統(tǒng)測量難點區(qū)。無人機激光測量設置測線間距250 m, 飛行高度30 m, 速度小于10 m/s, 無人機總飛行測線229 km, 其中檢測線31 km, 已可覆蓋25 km2的區(qū)域。檢測結果顯示, 檢測線交叉點的高程互差平均為0.06 m, 最大互差僅為0.15 m[43]。

星載激光高度計采用衛(wèi)星平臺, 運行軌道高, 觀測范圍廣, 能全天時對地觀測, 在地形地貌測繪、預警和觀測等方面具有獨特的優(yōu)勢?，F(xiàn)有的星載激光高度計的平面和高程分辨率都較低, 還不適于進行潮灘觀測。計劃中美國的全球成像激光高度計(GILA)、激光雷達地形測量系統(tǒng)(LIST), 據(jù)稱能獲得5 m平面分辨率、10 cm垂直分辨率的全球高分辨率地形數(shù)據(jù)[44-45], 或可成為將來潮灘觀測的重要數(shù)據(jù)源。

4.2 合成孔徑雷達干涉測量

合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是一種新的空間對地觀測技術, 它利用雷達向目標區(qū)域發(fā)射微波并接收目標回波, 得到同一目標區(qū)域成像的SAR復圖像對, 在有相干條件時, SAR復圖像對共軛相乘可以得到干涉圖, 根據(jù)干涉圖的相位值, 得出兩次成像中微波的路程差, 從而計算出目標地區(qū)的地形、地貌以及表面的微小變化, 可用于數(shù)字高程模型建立、地表形變觀測等[46]。

InSAR技術對地觀測獲得的地面高程絕對精度并不高, 直接構建地面DEM模型的中誤差多在10m以上[47], 但其特點是能大面積精確的獲得地面高程變化量, 故目前多用于地面沉降觀測, 其觀測精度實測能達到5 mm量級[48]。不過, 潮灘高含水量環(huán)境不利于InSAR測量, 以該技術在江蘇鹽城大豐潮灘的試驗為例; 旱地、水田、米草沼澤地、蘆葦沼澤地、淡水養(yǎng)殖用地、潮溝、光灘七種地物的平均后向散射強度值由大到小, 光灘的雷達回波后向散射強度甚至接近于水體的回波強度。說明離海越近, 地物含水量越高, 后向散射強度越小, 進而失相干就越嚴重, 而失相干導致干涉效果差, 解纏不連續(xù), 致使最終的探測結果可靠性低[49]。利用InSAR進行潮灘觀測更適合潮上帶, 整體上仍處于探索研究階段。

4.3 無人機傾斜攝影測量

攝影測量是一種傳統(tǒng)的測量技術, 對于陸地地形而言, 常采用航天、航空得到的正攝影像通過立體像對方法生成各種比例尺的DEM地形的工作模式。不過這類方法在潮灘使用幾方面的限制: 首先, 所取影像成像時間需正處于低潮位, 潮灘暴露面積最大化的時刻, 這一時刻的衛(wèi)星影像較難獲得; 其次, 使用大型飛機針對性拍攝航片工作量和成本都很大;另外, 潮灘地勢平坦, DEM構建的精度本身也受限[50]。與之對比的, 近年來發(fā)展的低成本的無人機傾斜攝影測量反而是一種潮灘觀測更合適的手段。

無人機傾斜攝影測量通過在同一無人飛行器平臺上搭載 5 鏡頭, 同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度采集影像(也可使用單鏡頭5次飛行方法[51]), 拍攝相片時, 同時記錄航高, 航速, 航向和旁向重疊, 坐標等參數(shù)。采集到影像數(shù)據(jù)導入軟件進行建模計算, 經(jīng)空三處理, 生成點云構建格網(wǎng), 即可得到測量對象的三維模型。整個處理過程如圖5所示。

圖5 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理流程[52]

使用無人機傾斜攝影方法對潮灘進行測量, 除了方法本身的一般工作流程外, 更需要考慮潮灘特點而作相應處理, 如: 退潮后的潮灘往往仍有殘余水分, 為了避免太陽耀斑的影響, 無人機適宜在多云天氣或清晨、傍晚弱光時段進行數(shù)據(jù)采集[53]; 潮灘本身比較平坦, 為使影像有足夠精細的分別率以獲得紋理信息, 無人機的飛行高度要足夠低; 需要人為大范圍布設一定數(shù)量的高空清晰可見的灘面控制點等。

以該方法在江蘇斗龍港潮灘的應用為例, 無人機飛行高度設置為80 m, 單張照片拍攝范圍為92 m×69 m,空間分辨率可達2 cm。通過結合運動恢復結構算法等處理過程生成的DEM地形和正射影像, 對潮灘高程測量精度優(yōu)于9 cm, 水平精度優(yōu)于2 cm, 除了能有效觀測灘面的沖淤變化, 正射影像還能直接的研究潮溝演變規(guī)律。不過, 對于植被覆蓋的灘面, 傾斜攝影還不能像激光測量那樣對植被有一定的穿透力, 只能獲得植被頂部高程而無法得到灘面高程[54]。

4.4 遙感特征線技術

遙感特征線(多指水邊線)技術是目前潮灘沖淤觀測中最常用、宏觀、便捷的手段。該技術是在水邊線是一條等高線這一總的認識前提下, 通過從空基、天基的光學、微波遙感影像中, 識別提取水陸分界線, 進而分析潮灘的沖淤變化。根據(jù)具體提取特征線和分析方法的不同, 遙感水邊線沖淤分析大致可歸納為定性、半定量、定量三類。

第一類定性分析主要有兩種: 一種是從多期的影像中, 選出相近潮位時刻的影像資料提取瞬時水邊線, 通過觀察水邊線的水平位移來分析潮灘的平面沖淤變化。這種方法由于影像的利用率較高、分析過程便捷, 是潮灘沖淤定性對比的常用手段; 另一種是提取瞬時水邊線外的多元特征線作為分析對象進行沖淤判斷, 如沖刷痕跡線、植被發(fā)展下界及植被間的分界線等, 這些線狀目標在遙感影像上均清晰可見, 有明顯的空間分布規(guī)律[55]。第二類半定量分析是對定性分析的補充或修正。主要是從兩期相近日期的影像中提取兩條瞬時水邊線(水平距要盡量大), 分別賦予影像成像時刻的潮位值, 然后根據(jù)水平距和潮差求得潮灘平均坡度[1], 以此反推該時期的某一特定潮位線(如大潮高潮線)用于對比或者對該時期的其他瞬時水邊線作小范圍校正, 如圖6所示。這類利用‘平均坡度’的方法主要解決遙感影像不一定正好成像于大潮高潮時或幾期數(shù)據(jù)準確的處于同一潮位下的難題。但平均坡度法理論上只適用于地形平緩、坡度單一的地區(qū)。第三類定量分析多用于潮灘的DEM反演, 方法一般為從多期的影像中提取出不同位置的水邊線, 然后對每一條水邊線給出精確的高程標定數(shù)據(jù), 這樣所有的水邊線即可構成一組潮灘地形等高線, 進而得到潮灘的DEM[56]。這種方法中, 提取的水邊線越多, 等高線越密集, DEM分辨率越高; 高程標定越準確, DEM精度越高。對水邊線的高程標定數(shù)據(jù)可以是精確的水位高程值, 或者是研究區(qū)潮灘上一條已測定了高程的斷面線。

圖6 遙感水邊線模型示意圖

遙感特征線潮灘沖淤分析技術的精度主要取決于特征線提取的準確度和匹配高程信息準確度兩個方面。特征線提取準確度受不同傳感器遙感影像質(zhì)量、灘面含水量、潮灘底質(zhì)、水體含沙量、提取算法等多方面的影響。匹配高程信息準確度取決于研究區(qū)已掌握的資料, 特別是水位匹配法, 不僅涉及水位的擬合賦值方法, 更需注意到在潮灘淺水環(huán)境下水位觀測或預報困難導致的數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量情況。綜合目前國內(nèi)使用遙感特征線技術在長江口、黃河口、等潮灘研究的成果, 潮灘高程反演精度多在分米級別, 且在高、中潮灘的精度優(yōu)于低潮灘[57-58]。

4.5 高光譜反演

高光譜分辨率遙感是利用窄而連續(xù)的光譜通道對地遙感成像的技術。其在可見光到短波紅外波段的光譜分辨率高達納米級, 可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息, 在對地觀測和環(huán)境調(diào)查中有廣泛的應用。潮灘地表光譜信息中隱含著灘面高程信息, 通過分析高光譜影像反射率與實測高程之間的相關關系, 建立兩者的轉換關系模型, 可實現(xiàn)潮灘大范圍概要地形信息的高光譜定量反演。

由于高光譜反演是建立在相關性分析基礎上的反演技術, 應用的重點是建立起光譜與高程之間有效而明確的相關性, 故需要在地形分區(qū)、波段選擇、反演模型等方面進研究。以該技術在江蘇大豐潮灘的應用為例, 研究者利用1 164、1 275、1 336 nm等高程反演理想波段對地形平坦區(qū)、起伏區(qū)分別建模, 驗證結果表明除了局部地形起伏較大區(qū)域外, 高光譜反演高程能夠較好的模擬出潮灘地形的平均變化趨勢, 研究區(qū)兩處灘面高程的平均絕對誤差分別為7.5 cm和36.75 cm, 可以為大范圍潮灘沖淤變化分析提供可靠的依據(jù)[59]。另外, 在HOPE等算法的支持下, 高光譜遙感影像甚至可以反演淺水區(qū)水下地形, 這也為潮下帶的地形沖淤觀測提供了一種可能的途徑[60]。

5 結語

本文從點、線、面分類的角度梳理了潮灘沖淤觀測技術發(fā)展現(xiàn)狀。就觀測技術本身而言, 更高效、更高精永遠是技術發(fā)展的主方向, 在這一主線上, 新型的設備、高效的平臺、優(yōu)秀的算法等都是重要的研究目標。另外, 針對不同的潮灘條件選擇合適的觀測和計算方法也同樣重要。就潮灘的沖淤研究而言, 擴大觀測范圍、增加觀測頻次、融合多參數(shù)整體研究等, 都值得進一步努力和提高, 尤其是國內(nèi)的潮灘沖淤研究。畢竟, 潮灘沖淤是一種長期宏觀的自然現(xiàn)象。

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Current situation of tidal flat erosion-deposition observation technology

ZHANG Ying1, YAN Yu-ru1, ZHANG Jia-bao2, LI Jing1, QIU Lu-lu1

(1. East China Mineral Exploration and Development Bureau, Nanjing 210007, China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

This study sorted the key considerations of the erosion–deposition observation strategy in tidal flat research on the basis of more than 20 feasible technologies of the classification of point, line, and surface observations. This study also focused on explaining each method’s basic principles, applicability, and similarities and differences and each observation technology’s development paths. Furthermore, the quality index, core technical points, and practical application case of new methods are analyzed. Therefore, our understanding of the development field of tidal flat erosion–deposition observation technology can be improved.

tidal flat; erosion–deposition observation; technical classification; research status

Aug. 31, 2020

P714+.7

A

1000-3096(2021)03-0152-11

10.11759/hykx20200831002

2020-08-31;

2020-12-19

2020年江蘇省自然資源發(fā)展專項(蘇財資環(huán)202020號)

[Foundation of Jiangsu natural resources development project in 2020, No. 202020]

張穎(1983—), 男, 浙江嘉興人, 高級工程師, 主要從事海洋測繪、海洋地球物理研究, 電話: 15062277270, E-mail: 309512867@ qq.com

(本文編輯: 康亦兼)