陳艷艷崔丹丹呂林張東

(1.江蘇省海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測中心 南京 210017;2.南京師范大學(xué) 南京 210023)

0 引言

江蘇省是海洋大省,海岸帶空間資源豐富。20世紀(jì)80年代以來,江蘇省充分利用潮灘資源優(yōu)勢,拓展發(fā)展空間,沿海海洋經(jīng)濟(jì)得以迅速發(fā)展。潮灘圍墾為全省提供了大量的土地資源,有效地緩解了沿海地區(qū)耕地資源量銳減、環(huán)境惡化和資源短缺等問題,但是沿海大規(guī)模的開發(fā)活動(dòng)已經(jīng)開始對沿海地區(qū)的水流泥沙動(dòng)力條件和生態(tài)環(huán)境造成影響。為加強(qiáng)江蘇省沿?？臻g資源監(jiān)測,了解全省海岸帶資源現(xiàn)狀、存量與變化趨勢,掌握全省的自然岸線保有率情況以及海岸帶空間資源利用情況,量化不同岸段的沖淤速率和沖淤強(qiáng)度,把握海岸線變化的規(guī)律,集約節(jié)約利用海域和岸線資源,江蘇省連續(xù)多年開展全省及典型岸段沖淤動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測工作。隨著衛(wèi)星對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展,進(jìn)一步開展海岸線時(shí)空動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)研究,將逐漸成為岸線岸灘資源調(diào)查與變化監(jiān)測的重要技術(shù)支撐,并將在海洋環(huán)境保護(hù)和海岸帶開發(fā)管理中發(fā)揮重要作用。

1 研究內(nèi)容

本研究基于江蘇海岸線時(shí)空動(dòng)態(tài)變化遙感分析需求,擬分5個(gè)專題進(jìn)行研究。包括:海岸線遙感提取與推算的二級(jí)分類體系;海洋水體信息增強(qiáng)與水邊線精確提取關(guān)鍵技術(shù);水邊線離散點(diǎn)的潮位分帶插值校正關(guān)鍵技術(shù);岸灘剖面形態(tài)自適應(yīng)的海岸線遙感推算方法關(guān)鍵技術(shù);海岸線遙感推算的業(yè)務(wù)化技術(shù)體系研究。

1.1 海岸線遙感提取與推算的二級(jí)分類體系研究

針對江蘇省不同的海岸物質(zhì)組成、岸線形態(tài)和岸線功能,提出將海岸線首先劃分為自然岸線和人工岸線2個(gè)一級(jí)類,然后進(jìn)一步細(xì)分,將狹義的自然岸線類型與海岸帶的類型相對應(yīng),同時(shí)增補(bǔ)廣義的自然岸線類型來滿足自然岸線的保護(hù)與恢復(fù)需求,綜合分析江蘇省的海岸開發(fā)利用現(xiàn)狀,最終形成9個(gè)自然岸線二級(jí)類和5個(gè)人工岸線二級(jí)類的海岸線二級(jí)分類體系。

1.2 海洋水體信息增強(qiáng)與水邊線精確提取關(guān)鍵技術(shù)

通過系統(tǒng)分析江蘇沿海的潮汐動(dòng)力環(huán)境和沉積環(huán)境特征,提出利用海岸帶地物光譜在近紅外、紅、綠波段的反射率變化梯度差異,分別采用歸一化差值水體指數(shù)(NDWI)、改進(jìn)的歸一化差值水體指數(shù)(MNDWI)和三波段梯度差水體指數(shù)(TGDWI)進(jìn)行海洋水體信息增強(qiáng),來突出水陸邊界信息;結(jié)合閾值分割法和Sobel、Canny等邊緣檢測算子提取水體邊界,生成矢量水邊線,實(shí)現(xiàn)遙感瞬時(shí)水邊線的精確提取。

1.3 水邊線離散點(diǎn)的潮位分帶插值校正關(guān)鍵技術(shù)

針對江蘇沿海潮位觀測站少、潮位資料缺乏的客觀事實(shí),提出采用空間大范圍潮汐數(shù)值模擬結(jié)合定點(diǎn)潮汐調(diào)和計(jì)算的方法,利用近海高精度潮波數(shù)值計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)江蘇近海潮波運(yùn)動(dòng)過程的精確模擬;利用潮汐數(shù)值模擬結(jié)果驅(qū)動(dòng)潮汐調(diào)和計(jì)算模型,獲得定點(diǎn)潮汐調(diào)和參數(shù),實(shí)現(xiàn)潮汐控制站點(diǎn)在遙感影像成像時(shí)刻的潮位過程精確模擬。

1.4 岸灘剖面形態(tài)自適應(yīng)的海岸線遙感推算方法關(guān)鍵技術(shù)

突破目前海岸線遙感推算方法中采用的岸灘坡度單一的假設(shè),提出岸灘剖面形態(tài)自適應(yīng)擬合的淤泥質(zhì)海岸線遙感推算模型,在計(jì)算和判別岸灘下凹、平緩、雙S、上凸等剖面形態(tài)的基礎(chǔ)上,利用5個(gè)水邊線離散點(diǎn)進(jìn)行擬合,優(yōu)選剖面擬合方程,通過模擬岸灘的沖刷與淤積形態(tài)特征,改善海岸線位置模擬時(shí)與岸灘剖面形態(tài)的貼合性。

1.5 海岸線遙感推算的業(yè)務(wù)化技術(shù)體系研究

海岸線遙感提取與推算是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,目前鮮有成熟的海岸線遙感監(jiān)測技術(shù)體系能夠支持實(shí)際的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。本研究提出線性對象遙感提取、線性對象柵格矢量化、潮位特征線推算、海岸線拓?fù)浜铣伞毒€岸灘動(dòng)態(tài)變化分析五大技術(shù)模塊,形成完整的海岸線遙感監(jiān)測技術(shù)體系。通過遙感影像解譯和模型推算,能夠直接從多源遙感影像得到高精度的遙感海岸線成果,從而為海岸帶空間資源的動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測提供完整的技術(shù)支撐。

2 技術(shù)路線

以江蘇省為研究區(qū),利用多源、多分辨率衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)結(jié)合地面實(shí)測,開展岸線岸灘信息遙感提取技術(shù)與方法研究,形成完整可行的海岸線遙感推算、岸線岸灘動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測技術(shù)體系,并集成研究成果,在江蘇沿海三市灘涂資源現(xiàn)狀和變化趨勢的合理評(píng)價(jià)中應(yīng)用(圖1)。

圖1 項(xiàng)目總體技術(shù)路線

對江蘇省沿海多時(shí)相、多分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、潮灘野外采樣數(shù)據(jù)、潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立海岸帶線性地物信息遙感提取模型,實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)水邊線、基巖岸線、砂質(zhì)岸線、植被岸線和人工岸線的遙感提取。建立潮位過程推算模型,完成江蘇省沿海潮位控制站點(diǎn)的潮汐過程推算以及多時(shí)相水邊線成像時(shí)刻的潮位計(jì)算,建立潮位特征線推算模型,分別推算潮灘的平均大潮高、低潮點(diǎn)位,形成平均大潮高、低潮線。將潮位特征線和人工岸線基于GIS空間拓?fù)浞治?形成遙感海岸線。

(1)針對不同的海岸物質(zhì)組成、岸線形態(tài)和岸線功能,在長期開展的江蘇省海岸帶動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測研究中,將海岸線劃分為自然岸線和人工岸線2個(gè)一級(jí)類;將狹義的自然岸線類型與自然海岸的類型相對應(yīng),分為基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線(植被岸線)和河口岸線5種類型;針對自然岸線的保護(hù)需求,將廣義的自然岸線類型補(bǔ)充增加自然恢復(fù)的自然岸線、整治修復(fù)的人工海灘岸線、整治修復(fù)的海岸濕地岸線和海洋保護(hù)區(qū)生態(tài)功能岸線4種類型;綜合分析江蘇省的海岸開發(fā)利用現(xiàn)狀,將人工岸線類型分為鹽養(yǎng)圍堤岸線、港口碼頭岸線、建設(shè)圍堤岸線、道路海堤岸線和河流河堤岸線5種類型。

(2)對于岸線平直、水陸邊界清晰的岸段,采用監(jiān)督分類的方法,分離出影像中的水體部分;利用波段比值處理方法計(jì)算NDWI,對水體信息進(jìn)行增強(qiáng);利用閾值分割法進(jìn)行影像處理,得到影像的水體部分。對于水體含沙量高、潮灘表層有殘留水、潮灘含水量變化大、岸線曲折的岸段,以及水陸邊界模糊,不易準(zhǔn)確確定水邊線的位置,采用TGDWI指數(shù)法,利用地物光譜在近紅外、紅、綠波段的反射率變化梯度差異,來增強(qiáng)和突出水體邊界信息。結(jié)合閾值分割法進(jìn)行處理,分離出影像中的水體部分。

(3)采用大范圍網(wǎng)格潮汐數(shù)值模擬結(jié)合定點(diǎn)潮汐調(diào)和計(jì)算的方法,利用自主開發(fā)的近海高精度潮波數(shù)值計(jì)算模型,進(jìn)行江蘇近海潮波運(yùn)動(dòng)過程的精確模擬;利用潮汐數(shù)值模擬結(jié)果驅(qū)動(dòng)潮汐調(diào)和計(jì)算模型,獲得定點(diǎn)潮汐調(diào)和參數(shù),實(shí)現(xiàn)潮汐控制站點(diǎn)在遙感影像成像時(shí)刻的潮位過程精確模擬;利用雙線性插值方法,實(shí)現(xiàn)所有水邊線離散點(diǎn)的潮位賦值處理,得到離散點(diǎn)的高程結(jié)果,用于進(jìn)一步的海岸線遙感推算。

(4)突破了目前海岸線遙感推算方法中岸灘坡度單一的假設(shè),提出岸灘剖面形態(tài)自適應(yīng)擬合的淤泥質(zhì)海岸線遙感推算模型,模型思路為:沿海岸帶走向分割出多個(gè)剖面,根據(jù)同一個(gè)剖面上大致均勻分布的3個(gè)水邊線離散點(diǎn)判別剖面形態(tài)特征;利用同一個(gè)剖面上大致均勻分布的5個(gè)水邊線離散點(diǎn)進(jìn)行擬合,確定剖面擬合方程,通過模擬岸灘的沖刷與淤積形態(tài)特征,改善海岸線位置模擬時(shí)與岸灘剖面形態(tài)的貼合性;將推算得到的潮位特征線與遙感解譯的自然岸線和人工岸線進(jìn)行拓?fù)浞治?得到遙感推算的海岸線。

(5)按照線性對象遙感提取、線性對象柵格矢量化、潮位特征線推算、海岸線拓?fù)浜铣?、岸線岸灘動(dòng)態(tài)變化分析五大技術(shù)模塊,形成完整的海岸線遙感監(jiān)測技術(shù)體系。通過遙感影像解譯和模型推算,直接從多源遙感影像得到高精度的遙感海岸線成果,為海岸帶空間資源的動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測提供了完整的技術(shù)支撐

3 與國內(nèi)外研究比較

3.1 海岸線分類技術(shù)體系

對自然岸線的分類,國內(nèi)的研究結(jié)果相對一致,即與自然海岸的類型相對應(yīng)。如:孫偉富等[1]、姚曉靜等[2]、索安寧等[3]提出了狹義上的自然岸線類型,主要包括:基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線(植被岸線)和河口岸線。

自然岸灘一般來說是人類拓展利用海岸帶空間資源的重要區(qū)域。近年來,自然岸灘的開發(fā)力度不斷增大。依據(jù)自然岸灘的特點(diǎn),開發(fā)形成了濱海旅游區(qū)、港口碼頭、圍海養(yǎng)殖區(qū)等。針對目前的海岸帶開發(fā)利用現(xiàn)狀和對自然岸線的保護(hù)需求,提出廣義的自然岸線,除了包含狹義的自然岸線類型以外,還應(yīng)包括自然恢復(fù)或整治修復(fù)后具有自然海岸形態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的海岸線,主要有4種,分別是自然恢復(fù)的自然岸線、整治修復(fù)的人工海灘岸線、整治修復(fù)的海岸濕地岸線和海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)具有生態(tài)功能的岸線。

針對人工岸線的分類,孫偉富等[1]參照“908”專項(xiàng)中海島海岸帶衛(wèi)星遙感調(diào)查對海岸線的劃分,認(rèn)為人工岸線是人工建筑物形成的岸線,建筑物一般包括防潮堤、防波堤、碼頭、突堤、養(yǎng)殖區(qū)和鹽田等。毋亭等[4]在綜合眾多研究的基礎(chǔ)上,將人工岸線根據(jù)用途的差異分為丁壩與突堤、港口碼頭、養(yǎng)殖與鹽田圍堤、交通圍堤、防潮堤等。楊玉娣等[5]研究認(rèn)為,一般碼頭岸壁、岸防工程的護(hù)岸外壁都可作為人工岸線?？梢钥吹?人工岸線通常是依據(jù)地域特點(diǎn)或岸線用途進(jìn)行劃分,暫時(shí)還沒有統(tǒng)一公認(rèn)的人工岸線劃分體系。

本研究重點(diǎn)針對不同的海岸物質(zhì)組成、岸線形態(tài)和岸線功能,將江蘇省的海岸線劃分為2個(gè)一級(jí)類和14個(gè)二級(jí)類,形成江蘇省海岸線二級(jí)分類體系。本分類體系不但涵蓋了目前已有的海岸帶類型,而且能夠用于分析自然環(huán)境條件變化和人類開發(fā)活動(dòng)造成的海岸線類型的轉(zhuǎn)化,分類體系完整性、系統(tǒng)性和實(shí)用性強(qiáng)。

3.2 海岸線遙感推算方法

現(xiàn)有的海岸線遙感識(shí)別或推算方法主要有兩種:一種是“一般高潮線法”,選用高潮時(shí)刻的遙感影像,提取其瞬時(shí)水邊線作為海岸線;另一種是“平均坡度法”,通過提取不同平面位置的兩條水邊線,分別賦予影像成像時(shí)刻的潮位值,然后根據(jù)潮差和平距求得岸灘平均坡度,推算得到平均大潮高潮時(shí)刻對應(yīng)的海岸線位置[6-7]。

對于“一般高潮線法”[8-9],受影像時(shí)間分辨率和影像成像質(zhì)量的影響,恰好在平均大潮高潮時(shí)刻成像的海岸帶遙感影像往往很難獲得;而“平均坡度法”理論上只適用于地形平緩、坡度單一的地區(qū)。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)方法中存在的缺陷,本研究提出了一種剖面形態(tài)自適應(yīng)擬合的海岸線遙感推算方法,通過模擬岸灘的沖刷與淤積形態(tài)特征,改善海岸線位置模擬時(shí)與岸灘剖面形態(tài)的貼合性,提高遙感推算的海岸線位置精度。主要技術(shù)步驟包括:①剖面形態(tài)判別;②基于剖面形態(tài)擬合方程優(yōu)選的潮位特征線推算;③海岸線拓?fù)浜铣伞?/p>

3.3 海岸線遙感推算業(yè)務(wù)化應(yīng)用技術(shù)體系

淤泥質(zhì)海岸線遙感提取與推算是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。已有的研究主要有兩個(gè)方向:①關(guān)注海岸線遙感解譯的圖像處理相關(guān)技術(shù)與方法;②采用簡單海岸線識(shí)別方法,在此基礎(chǔ)上開展海岸線動(dòng)態(tài)變化分析。鮮有成熟的海岸線遙感監(jiān)測技術(shù)體系能夠支持實(shí)際的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

本研究通過方法創(chuàng)新與集成創(chuàng)新,形成了完善的海岸線遙感監(jiān)測技術(shù)體系,該技術(shù)體系從2014年起,在江蘇省的海岸帶沖淤動(dòng)態(tài)監(jiān)測中不斷調(diào)整與完善,最終形成可靠的業(yè)務(wù)化應(yīng)用技術(shù)體系。

4 預(yù)期結(jié)果

通過研究,形成了包含海岸線定義與遙感識(shí)別技術(shù)、線性對象遙感提取技術(shù)、線性對象柵格矢量化技術(shù)、岸灘剖面形態(tài)自適應(yīng)擬合的海岸線遙感推算技術(shù)和岸線岸灘動(dòng)態(tài)變遷分析技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)體系;培養(yǎng)了一支學(xué)科專業(yè)交叉融合、梯隊(duì)合理的高質(zhì)量研發(fā)隊(duì)伍;形成了具有自主創(chuàng)新知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高水平研究成果。

(1)運(yùn)用所提出的海岸線遙感監(jiān)測技術(shù)體系,系統(tǒng)開展江蘇省全省及典型沖淤岸段的海岸線遙感監(jiān)測以及海岸帶空間資源調(diào)查。為江蘇省及沿海的南通市、鹽城市和連云港市自然資源主管部門提供海岸線動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測分析報(bào)告和海岸線圖集。沿海市、縣自然資源主管部門以此為參考,進(jìn)行區(qū)域建設(shè)用海調(diào)查、岸線沖淤監(jiān)測和海岸線整治修復(fù)等工作。特別是江蘇省90%以上的岸灘都是淤泥質(zhì)岸灘,現(xiàn)場測量工作難度大,可通過采用海岸線遙感監(jiān)測技術(shù),節(jié)約大量的現(xiàn)場調(diào)查任務(wù),取得更加良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)運(yùn)用研究成果為江蘇省海岸線調(diào)查、海岸線保護(hù)與利用管理、江蘇省海洋生態(tài)紅線保護(hù)等提供依據(jù),為優(yōu)先保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境,加強(qiáng)海岸線保護(hù)與利用管理,實(shí)現(xiàn)自然岸線保有率管控目標(biāo),構(gòu)建科學(xué)合理的自然岸線格局提供基礎(chǔ)資料。

(3)運(yùn)用研究成果為優(yōu)化海岸線保護(hù)與利用格局,不斷提高海岸線整治修復(fù)水平提供參考。根據(jù)岸線類型,開展砂質(zhì)岸線恢復(fù)與養(yǎng)護(hù),開展沙灘平整清理、海堤防護(hù)、岸線景觀綠化,完善海濱岸線的休閑設(shè)施,恢復(fù)和優(yōu)化砂質(zhì)岸線的生態(tài)功能。

(4)利用江蘇省海岸線數(shù)據(jù)、海岸線再分析數(shù)據(jù),建立江蘇省遙感海岸線數(shù)據(jù)庫,與江蘇省海域使用綜合管控系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

(5)開創(chuàng)海岸線遙感監(jiān)測的業(yè)務(wù)化應(yīng)用新途徑,具備向海島監(jiān)測、臺(tái)風(fēng)災(zāi)后評(píng)估、漁業(yè)資源監(jiān)測等方面推廣的應(yīng)用前景,成為海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管體系中重要的監(jiān)測技術(shù)手段,可取得顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。