張 穎, 閆玉茹, 章家保, 李 靜, 裘露露

潮灘沖淤觀測(cè)技術(shù)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(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

針對(duì)潮灘研究中最重要的沖淤觀測(cè)工作, 本文對(duì)20多種可行的技術(shù)在點(diǎn)、線、面狀觀測(cè)分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行了梳理。重點(diǎn)闡釋每種觀測(cè)技術(shù)的基本原理、適用性及技術(shù)間的異同點(diǎn)、發(fā)展路徑, 對(duì)其中新型的手段進(jìn)一步分析了其質(zhì)量指標(biāo)、核心技術(shù)要點(diǎn)及在潮灘的實(shí)踐應(yīng)用情況。以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)潮灘沖淤觀測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的整體認(rèn)識(shí)。

潮灘; 沖淤觀測(cè); 技術(shù)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(hù)帶, 同時(shí)還是港工碼頭、旅游觀光、圍墾造地等所依托的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶, 自然成為各類研究關(guān)注的區(qū)域[1]。受泥沙供應(yīng)、水動(dòng)力等影響, 潮灘存在不同時(shí)間尺度的侵蝕或淤積現(xiàn)象, 對(duì)沖淤的觀測(cè)是所有潮灘研究中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。

和水下地形測(cè)量從原始的測(cè)深桿、測(cè)深錘逐步升級(jí)到多波束、機(jī)載Lidar等新方法的發(fā)展路徑類似, 潮灘沖淤觀測(cè)的技術(shù)發(fā)展也是一個(gè)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(jìn)步的過(guò)程。本文梳理國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有可行的潮灘沖淤觀測(cè)手段并進(jìn)行技術(shù)分類, 重點(diǎn)闡釋每種觀測(cè)技術(shù)的基本原理和適用性, 對(duì)其中現(xiàn)代新型的手段同時(shí)分析質(zhì)量指標(biāo)、核心技術(shù)要點(diǎn)及在國(guó)內(nèi)潮灘的應(yīng)用情況。以此實(shí)現(xiàn)對(duì)潮灘沖淤觀測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的整體認(rèn)識(shí)。

1 潮灘沖淤觀測(cè)方法分類

中國(guó)潮灘岸線總長(zhǎng)近4 000 km, 本身特點(diǎn)不一, 必須要有多樣化的潮灘沖淤觀測(cè)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(xì)沙灘、貝殼堤等不同底質(zhì)之分。底質(zhì)不同, 物性指標(biāo)迥異, 限制某些手段的有效探測(cè)(如激光測(cè)量對(duì)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(wú)水區(qū)、有水區(qū)及不同水深區(qū), 完整的觀測(cè)同一潮灘或需要多種技術(shù)相配合; 第三, 觀測(cè)要求不同, 主要體現(xiàn)在觀測(cè)的廣度與精度上。即以遙感觀測(cè)和斷面點(diǎn)測(cè)比較, 前者優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)廣度, 后者優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)精度。

在分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行潮灘觀測(cè)技術(shù)總結(jié)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(cè)分類, 陸基、?；?、空基、天基觀測(cè)分類, 觀測(cè)精度、效率分類等。本文從潮灘沖淤觀測(cè)的核心是灘面高程觀測(cè)這一認(rèn)識(shí)入手, 參比水下地形測(cè)量發(fā)展的分類模式, 擬從觀測(cè)目標(biāo)由點(diǎn)、線、面逐步擴(kuò)大范圍的角度進(jìn)行歸類分述。需要說(shuō)明的是, 點(diǎn)、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(guò)渡。事實(shí)上, 線和面也就是由密集的點(diǎn)所構(gòu)成的。

2 點(diǎn)狀觀測(cè)技術(shù)

點(diǎn)狀觀測(cè)一般指定點(diǎn)的實(shí)地觀測(cè), 是較‘傳統(tǒng)’的觀測(cè)手段, 不過(guò)也是較可靠、精確的觀測(cè)手段。點(diǎn)狀觀測(cè)技術(shù)由純?nèi)斯せ蚝?jiǎn)單機(jī)械間斷觀測(cè)到利用主動(dòng)或被動(dòng)傳感器連續(xù)觀測(cè), 是自動(dòng)化程度逐步提高的過(guò)程。

2.1 標(biāo)志樁法、SET(RSET)法、反射測(cè)距、沉降板法

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

Boumans等設(shè)計(jì)的沉積侵蝕水平面測(cè)量方法(SET)[4], Donald等在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的高程水平面基準(zhǔn)桿測(cè)量方法(RSET)[5], 原理上和標(biāo)志樁法(尤其是雙標(biāo)志樁法)是近似的。同樣是測(cè)量裝置上某一基準(zhǔn)點(diǎn)到灘面的距離。所不同的是將標(biāo)志樁操作中的直接測(cè)量改進(jìn)為利用簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置來(lái)進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量精度更高, 且可以同時(shí)測(cè)得測(cè)量點(diǎn)周圍面上多個(gè)點(diǎn)的值以反映局域的變化趨勢(shì)。SET方法用來(lái)測(cè)量松散的淺水區(qū)或潮灘的高程變化, 精度達(dá)到±1.5 mm。RSET精確度在紅樹(shù)林沼澤達(dá)到±1.3 mm, 鹽沼為±4.3 mm。

如將上述測(cè)量灘面高程變化的機(jī)械類裝置替換為基于聲、光、電反射原理的反射測(cè)距儀進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量[6-7], 可以避免人為誤差得到更準(zhǔn)確的灘面相對(duì)高程, 也易實(shí)現(xiàn)高頻測(cè)量和無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸。需要指出,這一類測(cè)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(yùn)用, 有的需要漲潮后在水體介質(zhì)中運(yùn)用。

沉降板法也同樣是測(cè)量裝置上某一基準(zhǔn)點(diǎn)到灘面的距離, 不同的是沉降板埋于潮灘面之下。測(cè)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(cè)量變化值正值為侵蝕, 負(fù)值為淤積。沉降板法同樣可以達(dá)到厘米級(jí)精度但一般用作短期的沖淤觀測(cè), 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(shí)驗(yàn)(ATE)是用人工方法標(biāo)識(shí)的物質(zhì), 摻入天然母質(zhì)沉積物中, 通過(guò)追蹤示蹤沙, 可獲得沉積物的運(yùn)動(dòng)方向、搬運(yùn)速度和搬運(yùn)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(cè)與統(tǒng)計(jì)計(jì)算的原理差異, 研究示蹤沙的變化有空間積分法、時(shí)間積分法和連續(xù)投放法之分。但無(wú)論哪種方法, ATE方法在實(shí)際操作上有一定的困難, 主要表現(xiàn)在確定實(shí)驗(yàn)的空間范圍、活動(dòng)層厚度、對(duì)‘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(duì)象的時(shí)空尺度的影響等。ATE的工作效率偏低, 一次實(shí)驗(yàn)只能獲得一個(gè)測(cè)點(diǎn)或一條測(cè)線的沉積物輸運(yùn)率, 技術(shù)仍需進(jìn)一步完善[9]。

示蹤棒方法是利用熒光素染色的砂棒觀測(cè)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(duì)取自海灘的中砂進(jìn)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(shí), 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(huì)將砂棒中的膠溶解掉, 染色過(guò)的砂子即可被波浪和海流帶走。準(zhǔn)確測(cè)量殘留砂棒的長(zhǎng)度就可以了解侵蝕和沉積的量, 根據(jù)這些量還可以計(jì)算沉積平衡和沉積交換的量, 測(cè)量精度能達(dá)到1 mm。

圖1 示蹤砂棒測(cè)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(guò)砂棒原始長(zhǎng)度值、殘留砂棒長(zhǎng)度值、沉積厚度值等通過(guò)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算得到[10]。

砂棒法最大的特點(diǎn)是能定量測(cè)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(cè)量分析和紅樹(shù)林潮灘再沉積影響因素的研究[11-12], 在我國(guó)黃河三角洲潮灘、遼河三角洲濕地和膠州灣潮灘的觀測(cè)中都使用過(guò)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(dòng)式傳感器同樣可以‘感受’潮灘的沖淤變化。以光學(xué)傳感器為例:

光電侵蝕管(PEEP)可通過(guò)光感度變化記錄沖淤數(shù)據(jù)。將裝有多個(gè)可見(jiàn)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(zhǎng)度, 感應(yīng)器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓強(qiáng)度, 電壓值通過(guò)一定的運(yùn)算法即可轉(zhuǎn)化成潮灘沖淤厚度而被記錄下來(lái)。光電侵蝕管的缺點(diǎn)是依賴于光照, 水下光的強(qiáng)度不足時(shí), 得到的水下沖淤值準(zhǔn)確度也會(huì)降低[13]。

在水下則可以用光纖光柵技術(shù)代替。當(dāng)光纖光柵受到外界應(yīng)變變化時(shí), 光柵柵格周期會(huì)發(fā)生變化, 同時(shí)光彈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵有效折射率變化, 從而改變光柵中心波長(zhǎng), 通過(guò)觀測(cè)反射光譜中光柵中心波長(zhǎng)的變化可得到外界應(yīng)變的變化情況。有很多種光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)和安裝方法可以促使產(chǎn)生這種應(yīng)變并被觀測(cè)到[14-15]。

如將傳感器按一定間距安裝于一剛性支撐管側(cè)壁, 將剛性管插入待觀測(cè)點(diǎn)的灘面之下并確保固定。進(jìn)行沖淤觀測(cè)時(shí), 位潮灘面以上的傳感器能夠觀測(cè)到由水流紊動(dòng)所引起的振動(dòng), 而那些位于潮灘面以下的傳感器則觀測(cè)不到相同數(shù)量級(jí)的振動(dòng), 所以通過(guò)比對(duì)按一定間距沿軸線布置在管側(cè)壁上的傳感器觀測(cè)到的振動(dòng)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(cè)到各種水位條件下的沖淤深度, 還能觀測(cè)到潮灘沖淤發(fā)展的整個(gè)過(guò)程, 并且觀測(cè)精度主要取決于傳感器的本身的尺寸、分辨率、布設(shè)間距等[16]。

在光學(xué)使用受限時(shí), 類似的觀測(cè)方式還可以使用熱傳感器[17]、電導(dǎo)率傳感器[18]、時(shí)域反射計(jì)[19]等?？偟膩?lái)說(shuō), 傳感器的使用(主動(dòng)或被動(dòng))明顯提高了觀測(cè)的效率和精度。遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸, 使對(duì)潮灘的監(jiān)測(cè)及對(duì)特殊沖淤事件作出快速反應(yīng)成為可能。

<

圖2 光纖光柵傳感器沖淤監(jiān)測(cè)示意圖

3 線狀觀測(cè)技術(shù)

點(diǎn)位觀測(cè)不便于在潮灘上密集展開(kāi), 要反應(yīng)潮灘向海剖面線上完整的沖淤變化趨勢(shì), 更多采用線狀觀測(cè)技術(shù)。更高效觀測(cè)設(shè)備和平臺(tái)的使用, 是線狀技術(shù)的特點(diǎn)。

3.1 全站儀、地面三維激光技術(shù)

全站儀是一種集光、機(jī)、電為一體的測(cè)量?jī)x器, 有垂直角、水平角、距離、高差測(cè)量等多種功能, 廣泛用于陸地精密工程測(cè)量或變形觀測(cè)領(lǐng)域。由于其測(cè)點(diǎn)速度快, 同樣適用于潮灘的沖淤線狀觀測(cè)。在測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘后選擇合適的點(diǎn)位作為測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn), 簡(jiǎn)單的標(biāo)定調(diào)試后便可對(duì)潮灘剖面線進(jìn)行測(cè)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(cè)距遠(yuǎn), 但需要人工沿測(cè)線跑點(diǎn), 效率較低, 同時(shí)不便于在人工跑灘困難區(qū)實(shí)施。對(duì)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(shè)反射棱鏡的情況下獲取一定距離范圍內(nèi)目標(biāo)的三維坐標(biāo), 這個(gè)特點(diǎn)使人員難至區(qū)的潮灘測(cè)量成為可能。部分全站儀免棱鏡模式標(biāo)稱測(cè)距可以達(dá)到2 000 m(如拓普康GPT-4002LN), 高程分辨率達(dá)到毫米級(jí)。不過(guò), 在現(xiàn)場(chǎng)反射條件、目標(biāo)點(diǎn)入射角度等環(huán)境因素不利時(shí), 測(cè)距和測(cè)量分辨率均會(huì)降低, 以測(cè)距1 200 m的拓普康GPT-3002LN為例, 測(cè)量條件不利時(shí), 僅能在300 m范圍內(nèi)有效使用, 高程分辨率也僅為厘米級(jí)[21-22]。

地面三維激光掃描技術(shù)(TLS)是一種地形測(cè)量新技術(shù), 能快速獲取大面積、高精度的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在地學(xué)領(lǐng)域, TLS技術(shù)被有效運(yùn)用于火山活動(dòng)觀測(cè)、海岸線測(cè)繪、地表形變研究等工作[23-25], 近年來(lái), 有學(xué)者將TLS技術(shù)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(biāo)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(cè)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(jī)接收, 通過(guò)測(cè)量激光往返時(shí)間可計(jì)算得儀器與目標(biāo)之間的距離; 同時(shí)測(cè)得激光光束的水平角度與垂直角度, 根據(jù)三角關(guān)系, 可求得目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于儀器的三維位置,,。由于儀器在地理框架下坐標(biāo)已測(cè)定, 故通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換, 最終可得目標(biāo)點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)[26], 如圖3所示。

圖3 地面激光三維測(cè)量原理圖[26]

潮灘地形測(cè)量時(shí), 激光掃描設(shè)備置于岸邊一固定點(diǎn), 確保一定的架設(shè)高度, 經(jīng)坐標(biāo)準(zhǔn)確校正后, 向海進(jìn)行灘面觀測(cè)。不同的TLS設(shè)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(cè)量精度為15 mm, 重復(fù)測(cè)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(yīng)及其他環(huán)境因素對(duì)激光電磁波傳播過(guò)程產(chǎn)生影響, 獲取的點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)中不可避免地產(chǎn)生噪聲點(diǎn), 為了從點(diǎn)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(shù)是濾波算法的研究, 目前主要的濾波算法有形態(tài)學(xué)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(fù)掃描技術(shù)對(duì)于大部分覆蓋有鹽沼植物的潮灘尤為重要[28]。

除了直接測(cè)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(jié)合有學(xué)者提出的利用含水量法反演潮灘地形的技術(shù)[30], 為TLS潮灘觀測(cè)提供了一種新的思路。

3.2 RTK、PPK、測(cè)深技術(shù)

GNSS測(cè)量是當(dāng)前最通用的地形測(cè)量方法之一, 同樣適用于潮灘觀測(cè)。由于衛(wèi)星單點(diǎn)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)(RTK)起源于20世紀(jì)90年代, 目前業(yè)已普及。RTK系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和軟件系統(tǒng)三部分組成, 其基本工作原理是基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站信息一起傳送給同樣在獨(dú)立記錄觀測(cè)值的流動(dòng)站, 兩站的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)處理, 在運(yùn)動(dòng)中初始化, 數(shù)秒鐘內(nèi)即可得到流動(dòng)站的高精度三維定位坐標(biāo)。

使用RTK技術(shù)進(jìn)行潮灘觀測(cè), 一般在近岸選取控制點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站, 同時(shí)建立控制網(wǎng)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù), 流動(dòng)站則需要按設(shè)定的測(cè)線進(jìn)行人工‘跑灘’打點(diǎn)[31]?；鶞?zhǔn)站和流動(dòng)站之間的實(shí)時(shí)通訊有電臺(tái)模式或網(wǎng)絡(luò)模式, 但無(wú)論是哪種通訊, 要使RTK得到固定解, 確保垂直觀測(cè)精度達(dá)到厘米級(jí), 基準(zhǔn)站、流動(dòng)站之間的距離是有限制的(多在5 km內(nèi))[32]。

對(duì)于寬廣的潮灘(如蘇北潮灘), 使用動(dòng)態(tài)后處理差分技術(shù)(PPK)則更合適。PPK是近些年來(lái)發(fā)展使用的測(cè)量方法, 測(cè)量原理是通過(guò)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)采集最少兩個(gè)歷元的觀測(cè)時(shí)間, 從而解算主站和移動(dòng)站的基線解。其點(diǎn)位的測(cè)量精度同樣能達(dá)到厘米級(jí)。相較于RTK技術(shù), PPK技術(shù)最大的特點(diǎn)是基站流動(dòng)站間無(wú)需數(shù)據(jù)通訊, 但各自單獨(dú)采集的數(shù)據(jù)需進(jìn)行后處理[33]。有研究表明, PPK技術(shù)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(duì)于人行不便的潮灘, 可以將RTK(PPK)設(shè)備架設(shè)在氣墊船等平臺(tái)上工作, 不僅增加安全性, 同時(shí)提高工作效率[35]。如果潮灘過(guò)于寬闊, 潮下帶等區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間被水覆蓋, 此時(shí)則需要利用淺水測(cè)深設(shè)備進(jìn)行水下地形測(cè)量。淺水高精度水下地形測(cè)量需要從儀器選定、數(shù)據(jù)濾波等各方面作對(duì)應(yīng)的特殊處理, 但最核心的工作是水位控制技術(shù)[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(wú)驗(yàn)潮一體化測(cè)深技術(shù)是更合適的方案, 研究表明, 該技術(shù)在潮灘高程測(cè)量中可達(dá)到10cm的精度級(jí)別[37]。

4 面狀觀測(cè)技術(shù)

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

4.1 機(jī)(星)載激光測(cè)量

機(jī)載激光測(cè)量是將脈沖式激光測(cè)距設(shè)備裝配在飛機(jī)之上對(duì)地進(jìn)行測(cè)量的一種新的測(cè)量手段。在測(cè)距基本原理上, 機(jī)載激光測(cè)量和地面三維激光掃描或其他脈沖式測(cè)距雷達(dá)并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別, 也是通過(guò)測(cè)定脈沖激光光波在測(cè)線上的往返時(shí)間, 來(lái)求得測(cè)點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)之間的距離。不同點(diǎn)在于, 機(jī)載激光掃描依托高頻激光器作連續(xù)的高速測(cè)量, 測(cè)量光束可按設(shè)計(jì)要求改變測(cè)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(cè)中使用機(jī)載激光測(cè)量有兩種模式: 一種是采用單一紅外激光器, 波長(zhǎng)為800~1 064 nm, 可以對(duì)潮灘干出部分進(jìn)行測(cè)量; 另一種是同時(shí)采用紅外和藍(lán)綠兩種激光器, 適用對(duì)被淺水覆蓋的潮灘水底地形進(jìn)行測(cè)量, 紅外激光波長(zhǎng)仍為1 064 nm, 負(fù)責(zé)形成水面回波, 藍(lán)綠激光波長(zhǎng)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(dá)接收器的時(shí)間差, 加以系統(tǒng)校準(zhǔn)、姿態(tài)改正、折射改正、潮位改正, 可計(jì)算得被水覆蓋潮灘的水底三維坐標(biāo)。

機(jī)載激光測(cè)量獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)編輯、濾波、校驗(yàn)等過(guò)程才能最終提取到特征點(diǎn)的準(zhǔn)確值。處理過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)是針對(duì)不同環(huán)境設(shè)計(jì)選擇不同的濾波算法[40], 以及測(cè)量過(guò)程中各種參數(shù)改正。使用機(jī)載激光方案進(jìn)行潮灘觀測(cè)最大的優(yōu)勢(shì)是高效與測(cè)量準(zhǔn)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(shí)際更多的設(shè)備使用時(shí)能單次覆蓋1.8 km以上[41]。潮灘測(cè)量準(zhǔn)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(duì)兩個(gè)測(cè)區(qū)共218個(gè)外業(yè)控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)絕對(duì)精度檢測(cè)顯示, 高程中誤差分別為0.130 m和0.108 m, 可以達(dá)到潮灘觀測(cè)要求[42]。不過(guò), 對(duì)于紅藍(lán)激光穿透水層測(cè)水底高程而言, 潮灘淺水區(qū)水表波動(dòng)、渾濁水體等因素對(duì)這種方法的使用仍帶來(lái)諸多影響和限制。

圖4 機(jī)載激光測(cè)量原理示意圖[39]

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展及激光掃描設(shè)備的輕便化, 使用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光測(cè)量使用更便捷, 也更具成本優(yōu)勢(shì)。以該技術(shù)在福建興化灣附近幾個(gè)典型灘涂海灣的應(yīng)用為例, 測(cè)區(qū)為海水養(yǎng)殖密布的淤泥質(zhì)潮灘, 屬于傳統(tǒng)測(cè)量難點(diǎn)區(qū)。無(wú)人機(jī)激光測(cè)量設(shè)置測(cè)線間距250 m, 飛行高度30 m, 速度小于10 m/s, 無(wú)人機(jī)總飛行測(cè)線229 km, 其中檢測(cè)線31 km, 已可覆蓋25 km2的區(qū)域。檢測(cè)結(jié)果顯示, 檢測(cè)線交叉點(diǎn)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(jì)采用衛(wèi)星平臺(tái), 運(yùn)行軌道高, 觀測(cè)范圍廣, 能全天時(shí)對(duì)地觀測(cè), 在地形地貌測(cè)繪、預(yù)警和觀測(cè)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有的星載激光高度計(jì)的平面和高程分辨率都較低, 還不適于進(jìn)行潮灘觀測(cè)。計(jì)劃中美國(guó)的全球成像激光高度計(jì)(GILA)、激光雷達(dá)地形測(cè)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(lái)潮灘觀測(cè)的重要數(shù)據(jù)源。

4.2 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)是一種新的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù), 它利用雷達(dá)向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射微波并接收目標(biāo)回波, 得到同一目標(biāo)區(qū)域成像的SAR復(fù)圖像對(duì), 在有相干條件時(shí), SAR復(fù)圖像對(duì)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(jì)算出目標(biāo)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(cè)等[46]。

InSAR技術(shù)對(duì)地觀測(cè)獲得的地面高程絕對(duì)精度并不高, 直接構(gòu)建地面DEM模型的中誤差多在10m以上[47], 但其特點(diǎn)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(cè), 其觀測(cè)精度實(shí)測(cè)能達(dá)到5 mm量級(jí)[48]。不過(guò), 潮灘高含水量環(huán)境不利于InSAR測(cè)量, 以該技術(shù)在江蘇鹽城大豐潮灘的試驗(yàn)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(qiáng)度值由大到小, 光灘的雷達(dá)回波后向散射強(qiáng)度甚至接近于水體的回波強(qiáng)度。說(shuō)明離海越近, 地物含水量越高, 后向散射強(qiáng)度越小, 進(jìn)而失相干就越嚴(yán)重, 而失相干導(dǎo)致干涉效果差, 解纏不連續(xù), 致使最終的探測(cè)結(jié)果可靠性低[49]。利用InSAR進(jìn)行潮灘觀測(cè)更適合潮上帶, 整體上仍處于探索研究階段。

4.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

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

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量通過(guò)在同一無(wú)人飛行器平臺(tái)上搭載 5 鏡頭, 同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)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(shí), 同時(shí)記錄航高, 航速, 航向和旁向重疊, 坐標(biāo)等參數(shù)。采集到影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行建模計(jì)算, 經(jīng)空三處理, 生成點(diǎn)云構(gòu)建格網(wǎng), 即可得到測(cè)量對(duì)象的三維模型。整個(gè)處理過(guò)程如圖5所示。

圖5 傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程[52]

使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影方法對(duì)潮灘進(jìn)行測(cè)量, 除了方法本身的一般工作流程外, 更需要考慮潮灘特點(diǎn)而作相應(yīng)處理, 如: 退潮后的潮灘往往仍有殘余水分, 為了避免太陽(yáng)耀斑的影響, 無(wú)人機(jī)適宜在多云天氣或清晨、傍晚弱光時(shí)段進(jìn)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(xì)的分別率以獲得紋理信息, 無(wú)人機(jī)的飛行高度要足夠低; 需要人為大范圍布設(shè)一定數(shù)量的高空清晰可見(jiàn)的灘面控制點(diǎn)等。

以該方法在江蘇斗龍港潮灘的應(yīng)用為例, 無(wú)人機(jī)飛行高度設(shè)置為80 m, 單張照片拍攝范圍為92 m×69 m,空間分辨率可達(dá)2 cm。通過(guò)結(jié)合運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法等處理過(guò)程生成的DEM地形和正射影像, 對(duì)潮灘高程測(cè)量精度優(yōu)于9 cm, 水平精度優(yōu)于2 cm, 除了能有效觀測(cè)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(guò), 對(duì)于植被覆蓋的灘面, 傾斜攝影還不能像激光測(cè)量那樣對(duì)植被有一定的穿透力, 只能獲得植被頂部高程而無(wú)法得到灘面高程[54]。

4.4 遙感特征線技術(shù)

遙感特征線(多指水邊線)技術(shù)是目前潮灘沖淤觀測(cè)中最常用、宏觀、便捷的手段。該技術(shù)是在水邊線是一條等高線這一總的認(rèn)識(shí)前提下, 通過(guò)從空基、天基的光學(xué)、微波遙感影像中, 識(shí)別提取水陸分界線, 進(jìn)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(shí)刻的影像資料提取瞬時(shí)水邊線, 通過(guò)觀察水邊線的水平位移來(lái)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(guò)程便捷, 是潮灘沖淤定性對(duì)比的常用手段; 另一種是提取瞬時(shí)水邊線外的多元特征線作為分析對(duì)象進(jìn)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(biāo)在遙感影像上均清晰可見(jiàn), 有明顯的空間分布規(guī)律[55]。第二類半定量分析是對(duì)定性分析的補(bǔ)充或修正。主要是從兩期相近日期的影像中提取兩條瞬時(shí)水邊線(水平距要盡量大), 分別賦予影像成像時(shí)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(shí)期的某一特定潮位線(如大潮高潮線)用于對(duì)比或者對(duì)該時(shí)期的其他瞬時(shí)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(shí)或幾期數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(duì)每一條水邊線給出精確的高程標(biāo)定數(shù)據(jù), 這樣所有的水邊線即可構(gòu)成一組潮灘地形等高線, 進(jìn)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(biāo)定越準(zhǔn)確, DEM精度越高。對(duì)水邊線的高程標(biāo)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(cè)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(shù)的精度主要取決于特征線提取的準(zhǔn)確度和匹配高程信息準(zhǔn)確度兩個(gè)方面。特征線提取準(zhǔn)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(zhǔn)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(cè)或預(yù)報(bào)困難導(dǎo)致的數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量情況。綜合目前國(guó)內(nèi)使用遙感特征線技術(shù)在長(zhǎng)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(jí)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(duì)地遙感成像的技術(shù)。其在可見(jiàn)光到短波紅外波段的光譜分辨率高達(dá)納米級(jí), 可以收集到上百個(gè)非常窄的光譜波段信息, 在對(duì)地觀測(cè)和環(huán)境調(diào)查中有廣泛的應(yīng)用。潮灘地表光譜信息中隱含著灘面高程信息, 通過(guò)分析高光譜影像反射率與實(shí)測(cè)高程之間的相關(guān)關(guān)系, 建立兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系模型, 可實(shí)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(guān)性分析基礎(chǔ)上的反演技術(shù), 應(yīng)用的重點(diǎn)是建立起光譜與高程之間有效而明確的相關(guān)性, 故需要在地形分區(qū)、波段選擇、反演模型等方面進(jìn)研究。以該技術(shù)在江蘇大豐潮灘的應(yīng)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(duì)地形平坦區(qū)、起伏區(qū)分別建模, 驗(yàn)證結(jié)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(shì), 研究區(qū)兩處灘面高程的平均絕對(duì)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(cè)提供了一種可能的途徑[60]。

5 結(jié)語(yǔ)

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

[1] 沙宏杰. 江蘇淤泥質(zhì)潮灘海岸線遙感推算方法與岸灘演變研究[D]. 南京: 南京師范大學(xué), 2019. Sha Hongjie. Remote sensing method for coastline estimation and beach evolution of muddy tidal flat in Jiangsu Province[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2019.

[2] 王穎, 朱大奎. 中國(guó)的潮灘[J]. 第四紀(jì)研究, 1990, 10(4): 291-300. Wang Ying, Zhu Dakui. Tidal Flat of China[J]. Quaternary Sciences, 1990, 10(4): 291-300.

[3] 趙敏. 潮灘沖淤監(jiān)測(cè)方法與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào), 2009, 31(4): 437-441. Zhao Min. Tidal Flat Erosion-deposition Observation Methods and Research of Real-time Observation System[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2009, 31(4): 437-441.

[4] Day B J W, Jr. High precision measurements of sediment elevation in shallow coastal areas using a sedimentation-erosion table[J]. Estuaries, 1993, 16(2): 375- 380.

[5] Cahoon D R, Lynch J C, Hensel P, et al. High-Precision Measurements of Wetland Sediment Elevation: I. Recent Improvements to the Sedimentation-Erosion Table[J]. Journal of Sedimentary Research, 2002, 72(5): 730-733.

[6] 胡湛, 周娟伶, 李裕龍, 等. 用于潮灘高程探測(cè)器的安裝裝置及潮灘高程測(cè)量系統(tǒng): 中國(guó), 201810693252.5[P/OL]. 2018-06-29[2020-08-31]. Hu Zhan, Zhou Juanling, Li Yulong, et al. Installation devi-ce for tidal flat height detector and tidal flat elevation measurement system: China, 201810693252.5[P/OL]. 2018-06- 29[2020-08-31].

[7] Jestin H, Bassoullet P, Hir P L, et al. Development of ALTUS, a high frequency acoustic submersible recording altimeter to accurately monitor bed elevation and quantify deposition or erosion of sediments[C]. oceans conference, 1998: 189-194.

[8] 何小勤, 戴雪榮, 顧成軍. 崇明東灘不同部位潮周期沉積分析[J]. 人民長(zhǎng)江, 2008, 39(6): 106-108. He Xiaoqin, Dai Xuerong, Gu Chengjun. Analysis of tidal periodic deposition in different parts of Chongming Dongtan[J]. Yangtze River, 2008, 39(6): 106-108.

[9] 賈建軍, 高抒, 汪亞平. 人工示蹤沙實(shí)驗(yàn)的原理與進(jìn)展[J]. 海洋通報(bào), 2000, 2: 80-89. Jia Jianjun, Gao Shu, Wang Yaping. Artificial Tracer Techniques for Sediment Transport Studies: A Review[J]. Marine Science Bulletin, 2000, 2: 80-89.

[10] 周良勇, 高茂生, 徐剛, 等. 黃河三角洲潮灘的侵蝕和再沉積: 示蹤砂棒法的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)通報(bào), 2014(10): 1602-1608. Zhou Liangyong, Gao Maosheng, Xu Gang, et al. Erosion and redeposition in tidal flats of the Yellow River delta: Result of tracer stick monitoring[J]. Geologcal Bulletin OF China, 2014(10): 1602-1608.

[11] Schwarzer K, Diesing M. Sediment Redeposition in Nearshore Areas: Examples from the Baltic Sea[C]// Coastal Dynamics O1, American Society of Civil Engi-neers, Proceedings of the Conference, Lund, Sweden, 2001: 808-817.

[12] Schwarzer K, Thanh N C, Czemiak P, et al. The influence of tropical rainfall on sediment redeposidon in mangrove environments-examples from Can Gio, SE Viemam[C]//JSPS and CCOP/GsJ/AIST Joint Seminar on Monitoring and Evaluating Coastal Erosion in Deltas, Haiphong, Vietnam, 2010.

[13] Lawler D M, Couperthwaite J, Leeks G. Using the Photo- Electronic Erosion Pin (PEEP) automatic monitoring system to define bank erosion event timings: the River Wharfe, UK[C]// 7th Federal Interagency Sedimentation Conference on ‘Sediment: Monitoring, Modeling and Managing’, Reno, Nevada, USA, 2001: 25-29.

[14] 丁勇, 姚慶雄, 關(guān)云飛, 等. 基于側(cè)向土壓力確定沖淤深度的可行性研究[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015, 1: 47-52. Ding Yong, Yao Qingxiong, Guan Yunfei, et al. Feasibility study of scour depth determination based on lateral soil pressure measurement[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015, 1: 47-52.

[15] 方海東, 施斌, 姚慶雄, 等. 基于光纖光柵技術(shù)的沖淤深度測(cè)量方法[J]. 工程勘察, 2016, 44(7): 27-30. Fang Haidong, Shi bin, Yao Qingxiong, et al. Sediment depth measurement method based on the technology of fiber Bragg grating[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2016, 44(7): 27-30.

[16] 房世龍, 施小飛, 倪飛. 橋墩局部沖刷遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 公路工程, 2015, 6: 88-95. Fang Shilong, Shi Xiaofei, Ni Fei. Research situation of monitoring technologies for the local scour around piers in alluvial rivers[J]. Highway Engineering, 2015, 6: 88-95.

[17] Lawler D M. Advances in the continuous monitoring of erosion and deposition dynamics: Developments and applications of the new PEEP-3T system[J]. Geomorphology, 2008, 93(1): 17-39.

[18] Michalis P, Saafi M, Judd M. Capacitive sensors for offshore scour monitoring[J]. Proceedings of Institution of Civil Engineers Energy, 2013, 166(EN4): 189-196.

[19] Yu X, Yu X B. Assessment of an automation algorithm for TDR bridge scour monitoring system[J]. Advances in Structural Engineering, 2011, 14(1): 13-24.

[20] 彭聰, 周興華, 庫(kù)安邦, 等. CORS聯(lián)合全站儀在潮灘海岸線測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2018, 6: 141-143. Peng Cong, Zhou Xinghua, Ku Anbang, et al. Application of CORS combined with total station in tidal flat coastline measurement[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2018, 6: 141-143.

[21] 徐柏松. 免棱鏡全站儀用于困難地區(qū)地形測(cè)量[J]. 地理空間信息, 2009, 6: 39-41. Xu baisong. Non-prism total station use for survey in tough area[J]. Geospatlal Information, 2009, 6: 39-41.

[22] 夏立福, 李井春, 胡友健, 等. 免棱鏡全站儀測(cè)距性能的測(cè)試及精度分析[J]. 地理空間信息, 2008, 2: 133-135.Xia Lifu, Li Jingchun, Hu Youjian, et al. Test and precision analysis of ranging performance of reflectorless total station[J]. Geospatlal Information, 2008, 2: 133-135.

[23] Hunter G, Pinkerton H, Airey R, et al. The application of a long-range laser scanner for monitoring volcanic activity on Mount Etna[J]. Journal of Volcanology & Geothermal Research, 2003, 123(1): 203-210.

[24] 李杰, 孫楠楠, 唐秋華, 等. 三維激光掃描技術(shù)在海岸線測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 海洋湖沼通報(bào), 2012, 3: 90-95. Li Jie, Sun Nannan, Tang Qiuhua, et al. Application of three dimensional laser scanning technology in coastline surveying[J]. Transactions of Oceanology and Li-mnology, 2012, 3: 90-95.

[25] 袁小祥, 王曉青, 竇愛(ài)霞, 等. 基于地面LIDAR玉樹(shù)地震地表破裂的三維建模分析[J]. 地震地質(zhì), 2012, 34(1): 39-46. Yuan Xiaoxiang, Wang Xiaoqing, Dou Aixia, et al. Ter-restrial lidar-based 3D modeling analysis of surface rupture caused by yushu earthquake[J]. Seismology and Geology, 2012, 34(1): 39-46.

[26] 謝衛(wèi)明, 何青, 章可奇, 等. 三維激光掃描系統(tǒng)在潮灘地貌研究中的應(yīng)用[J]. 泥沙研究, 2015, 1: 1-6. Xie Weiming, He Qing, Zhang Keqi, et al. Application of the terrestrial laser scanner to measuring geomorphology in tidal flats and salt marshes[J]. Journal of Sediment Research, 2015, 1: 1-6.

[27] 魏偉. 基于地面激光掃描的崇明東灘潮灘地形構(gòu)建及沖淤演變分析[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2019. Wei Wei. Study on topography retrieval and Scouring and Deposition of Chongming Dongtan Tidal Flat based on Terrestrial Laser Scanner[D]. Shanghai: East China Normal University, 2019.

[28] 魏偉, 周云軒, 田波, 等. 基于地面激光掃描的典型海岸帶鹽沼潮灘地形反演[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 2018, 48(6): 283-291. Wei Wei, Zhou Yunxuan, Tian Bo, et al. Topography retrieval on typical salt marsh of coastal zone based on terrestrial laser scanning[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2018, 48(6): 283-291.

[29] 陳錦, 譚凱, 張衛(wèi)國(guó). 基于地面三維激光掃描強(qiáng)度數(shù)據(jù)的潮灘表層含水量估算[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 22(2): 290-297. Chen Jin, Tan Kai, Zhang Weiguo. Estimation of surface moisture of tidal flat based on intensity data of terrestrial laser scanner[J]. Journal of Geo-Information Science, 2020, 22(2): 290-297.

[30] 李歡. 潮間帶露灘地形的遙感測(cè)量方法研究[D]. 南京: 南京師范大學(xué), 2012. Li Huan. Study on remote sensing measurement method of open beach topography in intertidal zone[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2012.

[31] 王春瑞, 李景福, 王吉平. GPS RTK技術(shù)在灘涂測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 海洋測(cè)繪, 2002, 5: 40-41. Wang chunrui, Li Jingfu, Wang Jiping. The Application of GPS RTK in the Tidal-Flat Area Surveying[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2002, 5: 40-41.

[32] 張文祥, 楊世倫, 陳沈良. 一種新的潮灘高程觀測(cè)方法[J]. 海岸工程, 2009, 28(4): 30-34. Zhang Wenxiang, Yang Shilun, Chen Shenliang. A new method for observing tidal-flat elevation[J]. Coastal Engineering, 2009, 28(4): 30-34.

[33] 李哲, 高立, 喬輝. GPS PPK技術(shù)在測(cè)量外業(yè)中的應(yīng)用探討[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2012, 5: 120-121. Li Zhe, Gao Li, Qiao Hui. Discussion on the application of GPS PPK technology in field measurement[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2012, 5: 120-121.

[34] 趙建虎, 董江, 柯灝, 等. 遠(yuǎn)距離高精度GPS潮汐觀測(cè)及垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào): 信息科學(xué)版, 2015, 40(6): 761-766. Zhao Jianhu, Dong Jiang, Ke Hao, et al. High precision GPS tide measurement method in a far-distance and transformation model for the vertical datum[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(6): 761-766.

[35] 吳敬文, 張正明, 杜亞南. 基于多技術(shù)融合的潮間帶地形測(cè)量應(yīng)用實(shí)踐[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪, 2018, 41(2): 44-47. Wu Jingwen, Zhang Zhengming, Du Yanan. Application practice on topographic survey in intertidal zone based on multi technology fusion[J]. Modern Surveying and Mapping, 2018, 41(2): 44-47.

[36] 張穎, 趙剛, 李靜, 等. 近岸淺水區(qū)測(cè)深數(shù)據(jù)精處理方案對(duì)比研究[C]//第十八屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集(上). 2017. Zhang Ying, Zhao Gang, Li Jing, et al. Comparative study on precision processing schemes of sounding data in nearshore shallow water area[C]// Proceedings of the 18th China Ocean Engineering Symposium. 2017.

[37] 張穎, 沈衛(wèi)明, 李靜, 等. 南黃海輻射沙脊群海域GPS-PPK海測(cè)方案應(yīng)用分析[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪, 2019, 42(3): 46-48. Zhang Ying, Shen Weiming, Li Jing, et al. Application nalysis for GPS-PPK bathymetric survey in radial sand ridges of South Yellow Sea[J]. Modern Surveying and Mapping, 2019, 42(3): 46-48.

[38] 陳煒, 胡廣倫. 機(jī)載激光掃描測(cè)量原理及其發(fā)展與應(yīng)用[J]. 測(cè)繪科技通訊, 1997, 20(2): 16-21. Chen Wei, Hu Guanglun. Airborne laser scanning mea-surement principle and its development and Application[J]. Geomatics Technology and Equipment, 1997, 20(2): 16-21.

[39] 許寶華. 機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)在潮間帶測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 人民長(zhǎng)江, 2019, 50(11): 95-98. XU Baohua. Application of airborne LIDAR measurement technology in intertidal zone measurement[J]. Yangtze River, 2019, 50(11): 95-98.

[40] 郭忠磊, 滕惠忠, 申家雙, 等. 灘涂機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波方法研究[J]. 海洋測(cè)繪, 2019, 4: 49-52. Guo Zhonglei, Teng Huizhong, Shen jiashuang, et al. Fliter algorithms of airborne lidar data in coastal tidal flat[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2019, 4: 49-52.

[41] 陳松堯, 程新文. 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)原理及應(yīng)用綜述[J].測(cè)繪工程, 2007, 1: 27-31. Chen Songyao, Cheng Xinwen. The principle and application of airborne LIDAR[J]. Engineering of Surveying and Mapping, 2007, 1: 27-31.

[42] 鄭斌, 王朝輝. 江蘇省沿海灘涂機(jī)載LiDAR航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)[C]//江蘇省測(cè)繪地理信息學(xué)會(huì)2018年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 2018. Zheng bin, Wang Chaohui. Quality evaluation of airborne lidar data in coastal beach of Jiangsu Provin-ce[C]//Collection essays of the academic annual meeting of Jiangsu society for geodesy photogrammetry and cartography in 2018.

[43] 蔚廣鑫, 洪建勝, 王偉斌. 無(wú)人機(jī)激光測(cè)量技術(shù)在灘涂地形測(cè)量中的應(yīng)用初探[J]. 應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 1: 143-149. Wei Guangxin, Hong Jiansheng, Wang Weibin. Application of laser measurement technology with unmanned aerial vehicle on the tidal flat topographic survey[J]. Journal of Applied Oceanography, 2017, 1: 143-149.

[44] 于真真, 侯霞, 周翠蕓. 星載激光測(cè)高技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2013, 50(2): 52-61. Yu Zhenzhen, Hou Xia, Zhou Cuiyun. Progress and current state of Space-Borne laser altimetry[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50(2): 52-61.

[45] 王曉海. 國(guó)外星載激光高度計(jì)系統(tǒng)研究新進(jìn)展[EB/OL]. https://www.sohu.com/a/230985192_466840. 2018-05-08 Wang Xiaohai. New development of spaceborne laser altimeter system abroad[EB/OL]. https://www.sohu.com/ a/230985192_466840. 2018-05-08

[46] 趙英時(shí). 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003. Zhao Yingshi. Principle and method of remote sensing applications.[M]. Beijing: Science Press, 2003.

[47] 靳國(guó)旺. InSAR獲取高精度DEM關(guān)鍵處理技術(shù)研究[D].解放軍信息工程大學(xué), 2007. Jin Guowang. Research on key processing techniques for deriving accurate DEM from InSAR[D]. PLA Information Engineering University, 2007.

[48] 汪寶存, 遠(yuǎn)順立, 王繼華, 等. InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)精度分析與評(píng)價(jià)[J]. 遙感信息, 2015, 30(4): 8-13.Wang Baocun, Yuan Shunli, Wang Jihua, et al. Accu-racy analysis and evaluation of InSAR land subsi-dence moni-to-ring[J]. Remote Sensing Information, 2015, 30(4): 8-13.

[49] 王延霞. 顧及典型地理特征的時(shí)序InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用[D]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 2015. Wang Yanxia. A time series InSAR image processing method for land subsidence monitoring with consideration of typical geographic features[D]. Xuzhou: China Mining University, 2015.

[50] 陳勇. 海岸帶灘涂資源遙感應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2012, 2: 296-304. Chen Yong. Advance of Remote Sensing Application to Tidal Flat Resource Monitoring in Coastal Zone[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2012, 2: 296-304.

[51] 曹爽, 馬劍, 馬文. 基于單鏡頭無(wú)人機(jī)傾斜攝影的建筑物三維模型構(gòu)建[J]. 桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 39(3):643-649.Cao Shuang, Ma Jian, Ma Wen. Construction of 3D model of building based on oblique photography of single lens UAV[J]. Journal of Guilin University of Technology, 2019, 39(3): 643-649.

[52] 楊國(guó)東, 王民水. 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用及展望[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2016, 201(1): 13-15. Yang Guodong, Wang Minshui. The tilt photographic measuration technique and expectation[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2016, 201(1): 13-15.

[53] Jaud M, Grasso F, Dantec N L, et al. Potential of UAVs for monitoring mudflat morphodynamics (Application to the Seine Estuary, France)[J]. ISPRS International Journal of Geo-information, MDPI, 2016, Special Issue Unmanned Aerial Vehicles in Geomatics, 5(4), pp.50.

[54] 戴瑋琦, 李歡, 龔政, 等. 無(wú)人機(jī)技術(shù)在潮灘地貌演變研究中的應(yīng)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2019(3): 359-372. Dai weiqi, Li Huan, Gong Zheng, et al. Application of unmanned aerial vehicle technology in geomorpho-lo-gical evolution of tidal flat[J]. Advances in Water Science, 2019(3): 359-372.

[55] 張明, 蔣雪中, 郝媛媛, 等. 遙感水邊線技術(shù)在潮間帶沖淤分析研究中的應(yīng)用[J]. 海洋通報(bào), 2010, 29(2): 176-181. Zhang Ming, Jiang Xuezhong, Hao Yuanyuan, et al. Application of remote sensing waterline technique to analyze the changes of erosion and deposition in intertidal flat[J]. Marine Science Bulletin, 2010, 29(2): 176- 181.

[56] 蘇國(guó)賓, 陳沈良, 徐叢亮, 等. 基于GF-1影像的黃河口潮灘高程定量反演[J]. 海洋地質(zhì)前沿, 2018, 11: 1-9. Su Guobin, Chen Shenliang, Xu Congliang, et al. Qua-ntitative retrival of tidal flat elevation with GF-1 ima-ges in the Yellow River mouth[J]. Marine Geology Fro-ntiers, 2018, 11: 1-9.

[57] 楊立君, 王得玉, 姜杰, 等. 多元特征線遙感識(shí)別的灘涂DEM構(gòu)建[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2018, 8: 32-36. Yang Lijun, Wang Deyu, Jiang Jie, et al. Using remote sensing identification multi-feature line construction of tidal flat DEM[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2018, 8: 32-36.

[58] 蘇國(guó)賓. 黃河口淤泥質(zhì)潮灘高程定量遙感反演技術(shù)研究及應(yīng)用[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2020. Su Guobin. Research and Application of Quantitative Remote Sensing Inversion Technology for Mudflat Ele-vation in the Yellow River Estuary[D]. Shanghai: East China Normal University, 2020.

[59] 陶旭, 張東. 潮灘灘面高程的高光譜遙感反演研究[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2013, 31(4): 498-507. Tao Xu, Zhang Dong. Inversion of tidal flat elevation based on hyperspectral remote sensing[J]. Advances in Marine Science, 2013, 31(4): 498-507.

[60] 張?jiān)从? 黃榮永, 余克服, 等. 基于衛(wèi)星高光譜遙感影像的淺海水深反演方法[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 22(7): 1567-1577. Zhang Yuanyu, Huang Rongyong, Yu Kefu, et al. Estimation of shallow water depth based on satellite hyperspectral images[J]. Journal of Geo-Information Science, 2020, 22(7): 1567-1577.

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(xiàng)(蘇財(cái)資環(huán)202020號(hào))

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

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

(本文編輯: 康亦兼)