劉海江，時(shí)連強(qiáng)

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058; 2.浙江省海洋巖土工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058; 3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所 國(guó)家海島開發(fā)與管理研究中心，浙江 杭州 310012)

海岸帶實(shí)時(shí)實(shí)地視頻觀測(cè)ARGUS技術(shù)

劉海江1，2，時(shí)連強(qiáng)3

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058; 2.浙江省海洋巖土工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058; 3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所 國(guó)家海島開發(fā)與管理研究中心，浙江 杭州 310012)

區(qū)別于傳統(tǒng)的定時(shí)定點(diǎn)野外測(cè)量方法，近年來各種遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)被應(yīng)用于海岸帶的實(shí)地觀測(cè)領(lǐng)域。其中基于岸線的近岸實(shí)時(shí)實(shí)地視頻觀測(cè)技術(shù)(ARGUS系統(tǒng))可獲取大范圍、長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的海岸帶動(dòng)力環(huán)境要素實(shí)測(cè)資料(諸如波浪、水流、岸線、地貌特征等)，在海岸工程研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通過對(duì)ARGUS系統(tǒng)的回顧，敘述了該技術(shù)的發(fā)展概況、視頻數(shù)據(jù)類型和特點(diǎn)、圖像分析方法和實(shí)際應(yīng)用舉例，同時(shí)簡(jiǎn)介了我國(guó)第一套ARGUS系統(tǒng)的構(gòu)建。此外，也簡(jiǎn)要介紹了X波段雷達(dá)影像系統(tǒng)和紅外線攝像系統(tǒng)在海岸工程研究中的應(yīng)用。期望進(jìn)一步推動(dòng)上述近岸視頻觀測(cè)技術(shù)在我國(guó)海岸工程研究中的應(yīng)用，為海岸帶的綜合管理利用和合理開發(fā)規(guī)劃提供相應(yīng)的科學(xué)支撐，同時(shí)促進(jìn)各相關(guān)學(xué)科間(如海岸工程、測(cè)繪、圖像分析等)的交叉合作。

視頻觀測(cè)；ARGUS系統(tǒng)；圖像分析；X波段雷達(dá)影像系統(tǒng)；紅外線攝像系統(tǒng)

Abstract:Different from the traditional in-situ point measurement in a specified time period,various remote sensing techniques are introduced into the coastal research field recently.Among them,the shore-based video imagery technique (ARGUS system) is broadly used in the coastal engineering studies,to obtain the large-area and long-period measurement data of different dynamic physical factors in nearshore region,e.g.,information of wave,current,shoreline position,and bathymetry features.A general review of the ARGUS system is conducted,including its development status,video data classification and characterization,image analysis approaches,and practical applications.At the same time,the first ARGUS system deployed in China is briefly described.In addition,application of the X-band radar imagery system and the infrared camera system in coastal engineering studies is also referred to.It is expected that the application of the above nearshore video monitoring techniques in China can be further extended to provide the scientific support for integrated management/utilization and reasonable development/planning in coastal regions.Meanwhile,it can promote the interdisciplinary studies among various subjects,e.g.,coastal engineering，spatial mapping and image analysis.

Keywords:video monitoring; ARGUS system; image analysis; X-band radar imagery system; infrared imagery system

在海岸工程研究領(lǐng)域，科研人員經(jīng)常受困于沒有足夠時(shí)間跨度和空間尺度的實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)去校核和驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型，因此也很難將這些數(shù)值模型直接運(yùn)用到工程實(shí)際中去。傳統(tǒng)的野外觀測(cè)方法一般是將各種觀測(cè)儀器、設(shè)備在指定期間內(nèi)放入指定地點(diǎn)，測(cè)量所得結(jié)果往往僅是海岸帶區(qū)域中一點(diǎn)或幾點(diǎn)的數(shù)據(jù)，很難做到長(zhǎng)期不間斷的大范圍監(jiān)測(cè)。這些在相對(duì)短時(shí)期內(nèi)采集的幾個(gè)代表點(diǎn)的數(shù)據(jù)在時(shí)間空間尺度上均較為有限,無法準(zhǔn)確描述所需研究區(qū)域內(nèi)各物理參數(shù)的時(shí)空分布特征，不能深入揭示海岸帶水沙動(dòng)力過程的長(zhǎng)短期變化規(guī)律，也滿足不了復(fù)雜數(shù)值模型驗(yàn)證的需要[1]。傳統(tǒng)的野外數(shù)據(jù)采集方法需花費(fèi)眾多的人力、物力和財(cái)力，通常情況下效率較低。在臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等極端自然環(huán)境條件下，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段由于安全性問題經(jīng)常無法順利實(shí)施。然而，各種極端情況下的近岸海浪、水流的時(shí)空分布特點(diǎn)、海岸帶泥沙運(yùn)動(dòng)特征和沿岸地形地貌演變過程卻是科研和工程實(shí)際中最需要把握的。此外，一般的野外觀測(cè)方法由于受儀器設(shè)備所限，往往無法做到數(shù)年尺度的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。

20世紀(jì)80年代以來，適用于海岸帶區(qū)域的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，包括近岸視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2-3]、X波段雷達(dá)影像系統(tǒng)[4-6]，多譜影像技術(shù)[7-8]和概要影像技術(shù)[9]等。其中，近二十年來基于海岸線的近岸視頻觀測(cè)技術(shù)被成功引入到海岸工程的野外監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域。該技術(shù)使用一個(gè)或幾個(gè)攝像機(jī)來觀測(cè)記錄近岸區(qū)域數(shù)公里范圍內(nèi)的水沙動(dòng)力環(huán)境實(shí)時(shí)狀況，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸或?qū)嵉卮鎯?chǔ)設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，再運(yùn)用圖像分析處理獲取研究所需的各種物理參數(shù)及其特征，諸如海岸線位置、波浪周期、波向、波譜、沿岸流、波浪沖流高度、海灘地形、沿岸地貌等。視頻觀測(cè)技術(shù)實(shí)施成本低，操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，具有較高的時(shí)、空分辨率，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沿海區(qū)域的環(huán)境動(dòng)力特征。近年來該技術(shù)發(fā)展迅速，研究應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，全球海岸帶監(jiān)測(cè)體系也在不斷構(gòu)建完善，在海岸工程實(shí)地研究，海岸帶的管理、利用及保護(hù)和沿海防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[10]。

本文歸納總結(jié)了過去30多年國(guó)內(nèi)外海岸帶視頻觀測(cè)研究領(lǐng)域的相關(guān)工作和發(fā)展?fàn)顩r，主要介紹基于攝像機(jī)的近岸視頻觀測(cè)技術(shù)(ARGUS系統(tǒng))，同時(shí)對(duì)X波段雷達(dá)影像系統(tǒng)和紅外線攝像系統(tǒng)在海岸工程研究中的應(yīng)用做簡(jiǎn)要的介紹。期望進(jìn)一步推動(dòng)上述各觀測(cè)技術(shù)在我國(guó)海岸工程實(shí)地科研中的應(yīng)用，促進(jìn)海岸帶視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

1 ARGUS視頻觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

利用航空照片進(jìn)行海岸帶動(dòng)力過程的分析可以追溯到20世紀(jì)30年代。近代海岸帶視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的Rob Holman教授所在的海岸圖像實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來的[11]，其主要成果為基于岸線的近岸視頻觀測(cè)技術(shù)(Shore-based video imagery technique)，即ARGUS系統(tǒng)(ARGUS一詞來源于古希臘神話，為一有100只眼睛的巨人)。該系統(tǒng)是一個(gè)基于視頻圖像的海岸帶信息提取與分析系統(tǒng)，可以對(duì)海灘及近海海域進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/傳輸系統(tǒng)組成。圖像采集系統(tǒng)一般由4～6個(gè)實(shí)地?cái)z像機(jī)組成(如圖1所示)，可對(duì)海岸帶進(jìn)行180度全方位觀測(cè)。根據(jù)攝像機(jī)安置高度和相機(jī)鏡頭焦距，觀測(cè)區(qū)域的空間范圍可以達(dá)到3～6公里[10],同時(shí)給出一個(gè)平面上的各物理量信息(區(qū)別于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量手法)；在時(shí)間尺度上，ARGUS系統(tǒng)可以實(shí)施從不到一秒到連續(xù)數(shù)年的觀測(cè)，甚至更長(zhǎng)(區(qū)別于只能在指定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法)。

ARGUS觀測(cè)系統(tǒng)自誕生以來，已經(jīng)進(jìn)入第三代[11]。全球第一個(gè)ARGUS觀測(cè)站建立于1992年，由兩臺(tái)采集黑白圖像的攝像機(jī)組成，記錄圖像的解像度為640×480像素，實(shí)地計(jì)算機(jī)基于DOS操作系統(tǒng)。第二代ARGUS觀測(cè)系統(tǒng)采用Unix操作系統(tǒng)，記錄圖像為640×480像素的彩色膠卷照片，該系統(tǒng)可以2Hz的頻率采集所需像素點(diǎn)的時(shí)間序列信息，但對(duì)各攝像機(jī)記錄圖片的數(shù)字化處理不能完全同步。第三代ARGUS觀測(cè)系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，記錄1 024×768像素的彩色數(shù)字圖片，對(duì)圖片可做同步數(shù)字化處理，并且對(duì)海岸帶內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)(如波浪)可做立體影像分析。

通過歐盟CoastView項(xiàng)目(2002～2004)的成功實(shí)施，該實(shí)地監(jiān)測(cè)技術(shù)在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用取得了突破，近年來引起了海岸工程研究人員的廣泛關(guān)注[13]。迄今為止,在美國(guó)、歐洲、澳大利亞、日本、新西蘭等地?cái)?shù)十個(gè)ARGUS觀測(cè)站已經(jīng)構(gòu)建完善，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)相關(guān)海岸帶的動(dòng)力環(huán)境信息。圖2顯示了全球ARGUS觀測(cè)站點(diǎn)的分布情況(至2003年為止)。2015年5月，我國(guó)首套ARGUS視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在浙江舟山朱家尖海灘建成，填補(bǔ)了我國(guó)在該研究領(lǐng)域的空白。

圖1 ARGUS圖像采集系統(tǒng)(Noordwijk ARGUS站點(diǎn),荷蘭)[12]Fig.1 Camera configuration at the Noordwijk Argus Station,the Netherlands[12]

圖2 全球ARGUS站點(diǎn)分布情況[12]Fig.2 Distribution of ARGUS stations over the world[12]

圖3 ARGUS系統(tǒng)視頻圖像和分析(記錄于日本天龍川河口)Fig.3 Image products of AGRUS system and image analysis (image recording at Tenryu estuary,Japan)

2 ARGUS視頻圖像數(shù)據(jù)

AUGRUS視頻觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括兩大類：視頻圖像和像素點(diǎn)時(shí)間序列。視頻圖像主要包括以下三類：瞬時(shí)圖像，時(shí)均圖像和方差圖像。瞬時(shí)圖像(snapshot image)顯示的是某一時(shí)刻海岸帶的瞬間狀況(如圖3(a)所示)，是ARGUS系統(tǒng)記錄的最基本圖像,用于圖像的定性評(píng)估。時(shí)均圖像(time-exposure image or timex image)是一種長(zhǎng)時(shí)間記時(shí)曝光圖像，根據(jù)ARGUS協(xié)議取為10分鐘內(nèi)的平均圖像(如圖3(b)表所示)。時(shí)均圖像是ARGUS視頻觀測(cè)所得到的最主要數(shù)據(jù)，該圖像突出了海岸帶10分鐘內(nèi)沒有變化的物體，同時(shí)平均了諸如海浪等變動(dòng)的信息(僅保留其平均亮度)。海底沙壩壩頂處水深淺，近岸波浪在此處大量破碎，在平均圖像的海面上形成如圖3(b)中所示的白色帶狀區(qū)域，可用于判斷沙壩的位置和形態(tài)及沿岸裂流(rip current)位置[14-15]。方差圖像(variance image)是10分鐘記錄時(shí)間內(nèi)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的圖像(如圖3(c)所示)。在方差圖像中，記錄時(shí)間內(nèi)不斷變化的區(qū)域(如破波帶、浪沖帶)顯示為白色，不變的區(qū)域(如海灘、天空)顯示為黑色。利用方差圖像可以勾畫出破波帶和海岸線的位置。利用上述三種ARGUS圖像可以對(duì)影響海岸帶動(dòng)力環(huán)境的各物理參數(shù)進(jìn)行解析，并能反演圖像記錄區(qū)域的沿岸海底地形[16-17]。

像素點(diǎn)時(shí)間序列是指在研究區(qū)域內(nèi)選取一點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)以2 Hz頻率采集所需像素點(diǎn)的時(shí)間序列信息，可以極大的減少視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。利用像素點(diǎn)時(shí)間序列可以分析獲取各種海岸帶波流物理參數(shù)信息，如波周期[18]、波向/波向譜[19]、波浪爬高[20]和沿岸流速[21]等。

3 ARGUS圖像分析

如圖3所示，ARGUS系統(tǒng)記錄的圖像為斜視圖，圖中各像素點(diǎn)的空間解像度并不一致，離攝像機(jī)近的區(qū)域高，遠(yuǎn)的區(qū)域低，不能直接定量的反映海岸帶內(nèi)各物理參數(shù)的準(zhǔn)確空間分布信息。為此，需要將記錄的二維平面圖像轉(zhuǎn)換到實(shí)際空間的三維幾何坐標(biāo)系。該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包含兩個(gè)步驟：實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)(intrinsic calibration)和野外校準(zhǔn)(extrinsic calibration)。實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)主要是對(duì)攝像機(jī)光學(xué)成像的畸變進(jìn)行矯正以確定相機(jī)的各內(nèi)部參數(shù)，如徑向/切向畸變、中心點(diǎn)偏移和圖像偏斜等。傳統(tǒng)的ARGUS系統(tǒng)采用Holland 等的方法[22]校驗(yàn)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。Liu 等[17]采用Zhang[23]方法進(jìn)行相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，該方法操作靈活簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后，通過對(duì)無光學(xué)畸變的圖像做進(jìn)一步的野外校準(zhǔn)，可以將記錄的斜視圖像轉(zhuǎn)換為某一指定垂向平面位置上的俯視圖像(如圖3(d)所示)。通過數(shù)個(gè)實(shí)地控制點(diǎn)(ground control points)在圖像和空間三維坐標(biāo)中位置信息，采用最小二乘法，可以計(jì)算得到野外校準(zhǔn)所需的7個(gè)外部參數(shù)(相機(jī)位置坐標(biāo)、安置角度和鏡頭焦距)。Liu 等[24]基于Holland 等[22]方法，引入了實(shí)地控制點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)，增加了遠(yuǎn)離攝像機(jī)的控制點(diǎn)在坐標(biāo)變換中的權(quán)重，提高了坐標(biāo)變化的精度。圖3(d)中的曲線是用GPS記錄的河口沙洲形狀，同坐標(biāo)變換后圖像中的沙洲位置吻合得很好，驗(yàn)證了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

由于遠(yuǎn)離攝像機(jī)安裝地點(diǎn)，圖3(d)中右側(cè)部分的圖像較為模糊，解像度低。為了解決此類問題，可以采用圖像拼接合并的方法。圖4(a)是由在河口兩岸安裝的三臺(tái)攝像機(jī)同步記錄的時(shí)均圖像經(jīng)過坐標(biāo)變換和圖像拼接后得到的河口沙洲整體地貌圖，揭示了沿岸1 600 m、離對(duì)岸1 000 m范圍內(nèi)的河口狀況。同圖3(d)相比，河口沙洲及近海區(qū)域的動(dòng)力環(huán)境特征都能得到較為清晰的捕捉，沿岸碎波帶及河口處由于波浪水流相互作用引起的波浪折射所造成環(huán)形碎波帶都能得到準(zhǔn)確的記錄。上述合成圖像可以覆蓋較大范圍內(nèi)的海岸帶動(dòng)力環(huán)境信息，為相關(guān)研究提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)。

如果對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，取圖4(a)中直線所示的離對(duì)岸斷面(500 m長(zhǎng))為基準(zhǔn)，并將每天同潮位條件下(消除潮位影響)的該斷面圖像羅列起來，即可得到該斷面處的時(shí)間堆棧圖像(如圖4(b)所示，歷經(jīng)2年9個(gè)月)。圖4(b)中的黑色帶狀區(qū)域是由于記錄圖像的缺失造成的(系統(tǒng)機(jī)械故障等原因)。由圖4(b)可以看出，該斷面河流一側(cè)的沙洲位置變化不大。2007年7～10月間河流一側(cè)沙洲的海向運(yùn)動(dòng)是由于河流洪水將該段沙洲沖斷所致[24]，而2009年10月間河流一側(cè)沙洲的陸向運(yùn)動(dòng)是由于臺(tái)風(fēng)引起的波浪越波(越過沙洲頂部)所造成的[25]。相對(duì)來說，該斷面處沿海一側(cè)的沙洲位置(即海岸線)的變動(dòng)較為劇烈，岸線的堆積和侵蝕交替出現(xiàn)，伴隨著近海波浪等動(dòng)力條件呈現(xiàn)一定的季節(jié)性變化[26-27]。

圖4 圖像拼接及長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)Fig.4 Merged geo-rectified timex image and long-term observation

4 ARGUS視頻觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用

采用視頻觀測(cè)技術(shù)不受實(shí)地波浪水流的影響，即使在臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等極端惡劣的自然環(huán)境條件下也能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。圖5(a)記錄了2007年臺(tái)風(fēng)4號(hào)來襲時(shí)研究區(qū)域河口沙洲的形態(tài)。臺(tái)風(fēng)4號(hào)引起了有效波高為7 m的海浪，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的降雨過程，造成河流洪水。由于河流水位抬升和風(fēng)暴潮增水，在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)整個(gè)河口沙洲被淹沒于水面之下。數(shù)小時(shí)之后，在河流水位高于外海水位時(shí)(非高差最大瞬間，而是在最大高差后的2小時(shí))，沙洲區(qū)域中部被洪水沖開，形成近100 m寬的豁口。整個(gè)豁口的產(chǎn)生過程僅歷時(shí)10分鐘。隨后的數(shù)月內(nèi)，沙洲逐漸恢復(fù)(如圖5(b)所示)?；謴?fù)過程是由日常海浪的作用造成的，海一側(cè)的沙洲在臺(tái)風(fēng)過后一個(gè)月內(nèi)重新連接起來,但陸側(cè)的缺口由于波浪無法直接作用而一直殘缺。兩個(gè)月之后，臺(tái)風(fēng)9號(hào)來襲，這次臺(tái)風(fēng)造成6 m的有效波高，但無明顯的降水過程(無洪水)，由于波浪越浪作用攜帶泥沙從海側(cè)進(jìn)入陸側(cè)缺口，填補(bǔ)了沙洲豁口陸側(cè)的殘缺區(qū)域，使得沙洲整體形態(tài)復(fù)原。通過對(duì)河口沙洲兩個(gè)月的視頻觀測(cè)，臺(tái)風(fēng)作用下的沙洲地貌動(dòng)力演變過程被準(zhǔn)確詳實(shí)地記錄下來，為揭示極端自然環(huán)境條件下海岸帶的劇烈水沙動(dòng)力過程及其機(jī)理機(jī)制提供了第一手的觀測(cè)資料。

圖5 天龍川河口沙洲演變過程Fig.5 Morphological evolution of the sand spit at Tenryn estuary

與此同時(shí)，近岸視頻觀測(cè)系統(tǒng)也可對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行數(shù)年長(zhǎng)時(shí)間的圖像記錄。通過對(duì)圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析獲取該區(qū)域內(nèi)海岸帶各動(dòng)力要素的變化特征，對(duì)相關(guān)物理量進(jìn)行后報(bào)(hindcasting)和預(yù)報(bào)(forecasting)。用于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的手法包括各種線性[28]和非線性方法[29]。其中線性的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法(empirical orthogonal function)[25，30-31]和非線性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(artificial neural network)[32]是常用的兩種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法。這兩種方法可以用于分析數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期演變規(guī)律和特征，并可對(duì)相關(guān)物理量今后的演變過程進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，通過對(duì)視頻圖像的分析可以提取近岸波速信息，利用線性水波的頻散關(guān)系可反演出沿岸的海底地形[17,33-34]?？紤]到近岸水波非線性的影響，Yoo等[35]通過視頻圖像成功反演出破波帶內(nèi)的水深(誤差小于0.1 m)。同傳統(tǒng)的水深測(cè)量方法相比，基于視頻圖像分析可以廉價(jià)的費(fèi)用獲得高時(shí)間分辨率、高空間解像度的沿海海底地形數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用上述統(tǒng)計(jì)學(xué)手法，可歸納總結(jié)出相關(guān)海岸帶的長(zhǎng)期泥沙運(yùn)動(dòng)變化(離對(duì)岸方向和沿岸方向)及地形地貌的演變規(guī)律。

此外，近年來隨著人們對(duì)海灘利用(如度假娛樂)的增加，近岸視頻觀測(cè)系統(tǒng)還可以通過記錄的圖像來分析海灘的利用情況，提出海岸帶狀態(tài)指標(biāo)(coastal state indicator)[36]，獲取諸如海灘旅游資源承載能力等信息，為海岸帶的綜合利用和管理服務(wù)。Guillen 等[37]利用ARGUS圖像記錄分析了四年間巴薩羅那兩處海灘使用者數(shù)量隨時(shí)間、季節(jié)和年間的變化情況。Liu 等[38]利用視頻圖像分析了指定海岸帶內(nèi)沖浪者數(shù)量在一年內(nèi)的變化規(guī)律，并探尋了其與溫度、時(shí)間段等外部因素間的相互關(guān)系。視頻觀測(cè)方法還可以用于分析海岸帶水質(zhì)環(huán)境等的變化信息，如滸苔的分布[39]。

5 我國(guó)首套ARGUS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)首套已建好并投入運(yùn)行的ARGUS系統(tǒng)安裝在浙江省舟山市朱家尖島海天臺(tái)賓館的樓頂上，該系統(tǒng)可用于實(shí)時(shí)在線觀測(cè)整個(gè)東沙海灘的動(dòng)態(tài)環(huán)境信息。它由六臺(tái)攝像機(jī)組成，其中南邊兩臺(tái)用于監(jiān)測(cè)海灘南部區(qū)域，北邊四臺(tái)用于監(jiān)測(cè)海灘的中部和北部區(qū)域(如圖6(a)所示)。通過對(duì)記錄視頻圖像的拼接可獲得整個(gè)東沙海灘的圖像數(shù)據(jù)。攝像機(jī)安裝固定在鋼制支架上，與站點(diǎn)電腦相連，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸、查看和下載，數(shù)據(jù)采集的頻率設(shè)定為半個(gè)小時(shí)一次。圖6(b)顯示了該ARGUS系統(tǒng)所記錄的東沙海灘南部的時(shí)均圖像，該圖像的分辨率為數(shù)厘米到數(shù)米。

圖6 我國(guó)首套ARGUS系統(tǒng)Fig.6 The first ARGUS system in China

6 其他近岸視頻觀測(cè)技術(shù)

近年來，X波段雷達(dá)影像系統(tǒng)在海岸工程研究中也得到不斷的應(yīng)用。圖7(a)為一X波段雷達(dá)影像圖的實(shí)例(解像度1 024×1 024)[40]。圖中每一像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)2 m×2 m的正方形，該雷達(dá)每2秒記錄一張圖片。由于波浪波峰位置處對(duì)雷達(dá)信號(hào)反射強(qiáng)烈，在圖中顯示為白色帶狀區(qū)域。通過對(duì)圖像的連續(xù)記錄可以推斷相關(guān)海岸帶的動(dòng)力參數(shù)信息。此外，X波段雷達(dá)可24小時(shí)運(yùn)行，彌補(bǔ)ARGUS視頻系統(tǒng)無法在夜間觀測(cè)的缺點(diǎn)。

圖7 雷達(dá)影像和紅外線影像(記錄于日本天龍川河口)Fig.7 Radar image and infrared image (image recording at Tenryu estuary,Japan)

此外，紅外線成像技術(shù)也逐漸被引入到海岸工程的實(shí)地觀測(cè)中，尤其是河口區(qū)域。該技術(shù)也可在夜間實(shí)施觀測(cè)?？紤]到河水與海水溫度的不同，通過紅外線成像可以探知河口區(qū)域河水和海水的表面混合過程，進(jìn)而推斷該區(qū)域的泥沙輸移過程[41]。圖7(b)為一典型的河口區(qū)域紅外線成像合成圖，從圖中可以清晰地觀察到河水入海的過程(懸沙輸移)并非在河口周邊均勻的擴(kuò)散開來，而是沿著河口左岸的一個(gè)狹長(zhǎng)的水道注入海中(如箭頭所示)。

7 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，區(qū)別于傳統(tǒng)的定點(diǎn)定時(shí)野外測(cè)量方法，各種海岸帶實(shí)時(shí)實(shí)地視頻觀測(cè)技術(shù)是獲取大范圍、長(zhǎng)時(shí)間海岸帶動(dòng)力環(huán)境要素(諸如波浪、水流、岸線、地貌特征等)實(shí)測(cè)資料的有效手段，也是研究海岸水動(dòng)力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)、地形地貌演變等本學(xué)科方向關(guān)鍵問題的有力支撐。通過對(duì)監(jiān)測(cè)記錄圖像的分析，可以準(zhǔn)確再現(xiàn)相關(guān)各物理參數(shù)的時(shí)空分布變化特征和耦合關(guān)系，進(jìn)而探討和揭示各物理因素間的動(dòng)力響應(yīng)關(guān)系。

由于文中所述的各種近岸視頻觀測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用在我國(guó)還未深入展開，現(xiàn)有的該研究方向上的科研基礎(chǔ)和條件相對(duì)薄弱和欠缺，不僅還遠(yuǎn)不能和美國(guó)、歐洲、日本、澳大利亞等先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)相比，和我國(guó)海岸工程實(shí)踐的現(xiàn)狀需求也很不相適應(yīng)。本文通過對(duì)適用于海岸帶野外研究的ARGUS視頻觀測(cè)技術(shù)的回顧，簡(jiǎn)要概述了該技術(shù)的發(fā)展概況和實(shí)際應(yīng)用情況，期望進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)在我國(guó)海岸工程野外考察研究中的應(yīng)用和發(fā)展，以獲取海岸帶數(shù)值模型驗(yàn)證和實(shí)際工程設(shè)計(jì)施工中所急需且必需的實(shí)地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為海岸帶的綜合管理利用及合理開發(fā)規(guī)劃提供相應(yīng)的科學(xué)支撐，同時(shí)促進(jìn)各相關(guān)學(xué)科間(如海岸工程、測(cè)繪、圖像分析等)的交叉合作。

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Nearshore real-time in-situ video monitoring technique——the ARGUS system

LIU Haijiang1,2,SHI Lianqiang3

(1.College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China; 2.Key Laboratory of Offshore Geotechnics and Material of Zhejiang Province,Hangzhou 310058,China; 3.State Research Centre for Island Exploitation and Management,The Second Institute of Oceanography,Hangzhou 310012,China)

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.011

1005-9865(2016)02-0080-08

2015-07-22

浙江省杰出青年基金資助項(xiàng)目(LR14E090002)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201405037)

劉海江(1978-)，男，山東平度人，教授，主要從事海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的研究。E-mail:haijiangliu@zju.edu.cn