（自然地理学专业论文）闽江下游干流水深遥感与河道演变分析.pdf

中文摘要 中文摘要 随着遥感技术的发展，人们开始了遥感测深方法的探讨。遥感测深方法可以迅 速、准确获得大范围、同时相的水深信息，弥补传统水深测量方法的局限。本文运 用遥感技术，结合实测水下地形资料和遥感数据，以闽江下游干流竹岐至侯官段为 研究对象，以e t m + 为数据源，建立了河道水深遥感反演模型。并引入适合二类水体 的泥沙遥感参数，对水深模型进行修正，对削弱悬沙对遥感测深影响起到了一定作 用。结果表明：( 1 ) 与单波段阈值法、水体指数法和条件操作函数三种基于地物波 谱特征的方法相比，应用多波段谱间关系法提取研究河段水体信息整体效果较好： ( 2 ) 应用2 0 0 3 年遥感影像和实测水下地形资料建立的水深遥感反演模型表明，该河 段水深与部分波段及波段组合因子为多元线性关系；( 3 ) 以l o m 水深为界，进行分 段建模得到的方程反演精度更高，其中l o m 以下水深反演模型具有更好的适用性； 应用二类水体悬浮泥沙反演模式，借鉴适用e t m + 影像的低浓度泥沙遥感参数x s 对 该水深遥感模型进行修正，最后所得水深模型的平均相对误差为1 7 0 8 1 ( 4 ) 利用 多波段谱间关系法提取的2 0 0 1 、2 0 0 2 和2 0 0 3 年三期影像水体信息表明，2 0 0 1 年至 2 0 0 3 年两年间竹岐至侯官河段的岸线变化复杂；( 5 ) 应用建立的水深遥感模型，利 用2 0 0 1 、2 0 0 2 和2 0 0 3 年三期遥感影像分别反演研究区水深，水深变化反映出该河 段2 0 0 1 2 0 0 3 年间河床下切严重。 关键字：相关性，辐亮度值，水深遥感模型，平均相对误差 中文文摘 中文文摘 随着遥感技术的发展，遥感测深方法的不断深入。理论上，遥感测深方法可以 迅速、准确获得大范围、同时相的水深信息，弥补传统水深测量方法的局限。但由 于不同区域水质和水体底质差别较大，加之建模式时常常遇到遥感资料和实测水深 不同步等问题，故至今尚无统一的水深遥感模式。闽江下游河道演变剧烈，但由于 水下地形测量所需费用甚巨而资料不足，难以进行深入分析。本文以闽江下游竹岐 至侯官河段为研究区，试图建立适合该区域的水深遥感模型；并用以反演不同时相 水深变化，分析该河道演变规律。对于研究区的河道整治，以及防洪航运安全管理 具有重要意义，水深遥感模型的探讨也有一定的理论意义。 水域范围的界定是水深分析的一个重要步骤，选择一种适合研究区的水体提取 方法尤为关键。通过对研究区主要典型地物选取训练样本，分析各典型地物的地表 反射率特征，分别采用单波段阈值法，多波段谱间关系法，水体指数n d w i 、m n d w i 和条件操作函数五种方法提取水体信息。其中：单波段阈值法、n d w i 、m n d w i 和条 件操作函数提取的水体中，非水体噪音干扰或是水体像元缺失相对比较严重。谱间 关系法提取的结果中，丢失部分湖泊和一些细小水体，较好的抑制了流域中的非水 体信息，整体提取效果相对最好。 经过影像增强后的辐亮度值与各波段、波段组合因子的相关性有所提高。因此， 应用增强后的2 0 0 3 年2 月6 日e t m + 遥感影像与2 0 0 3 年1 0 1 1 月实测水下地形资料， 采用逐步线性回归法，建立水深遥感反演模型。结果表明，该河段水深与部分波段 及波段组合因子的多元线性关系较好。 分析不同水深段模型结果表明，l o m 以上水深部分效果较差，因此以l o m 水深 为界分为两段，进行分段建模。得到的方程反演精度有明显提高，其中l o m 以下水 深反演模型具有更好的适用性，故采用l o m 以下水深点建立的水深遥感模型模拟整 体河段，平均相对误差减低4 4 4 。应用二类水体悬浮泥沙反演模式，借鉴适用e t m + 影像的低浓度泥沙遥感参数x s 对该水深遥感模型进行修正，最后所得水深模型为： 弘- 占刀- 7 蛳力删跏7 z ，彳9 肋6 刎2 删，该模型模拟的平均相对误差为1 7 0 8 。 利用多波段谱间关系法提取的2 0 0 1 年3 月4 日、2 0 0 2 年1 月2 日及2 0 0 3 年2 月6 日三期影像水体信息表明，2 0 0 1 年至2 0 0 3 年两年间竹岐至侯官河段的岸线变 i i i 中文文摘 化复杂。应用建立的水深遥感模型，利用2 0 0 1 年3 月4 日、2 0 0 2 年1 月2 日及2 0 0 3 年2 月6 日三期遥感影像分别反演研究区相同水位下的水深，水深变化可以反映河 道的演变情况。将反演得到的2 0 0 1 年遥感水深图与2 0 0 2 年遥感水深图、2 0 0 2 年遥 感水深图与2 0 0 3 年遥感水深图相减，利用密度分割法对相减后的图进行分区，分析 2 0 0 1 2 0 0 3 年冲淤情况。结果表明，2 0 0 1 2 0 0 3 年，竹岐至侯官河段冲刷严重。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y , i tc a l lb ea p p l i e dt od e t e c tt h e w a t e rd e p t hm o r ew i d e l y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，r st e c h n o l o g yc a l lo b t a i n t h ew a t e rd e p t hi n f o r m a t i o ni nt h es a m ep h a s ea n di nal a r g er a n g em o r eq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y c o m b i n e dw i t ht h er e m o t es e n s i n gd a t aa n dt h eu n d e r w a t e rt o p o g r a p h y , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ht h ed a t as o u r c eo fe t m + i m a g ew a sb u i l ti nt h el o w e rr e a c ho f m i n ji a n gr i v e rf r o mz h u q it oh o u g u a nb yr st e c h n o l o g y t h el o w c o n c e n t r a t i o n s e d i m e n tr e m o t es e n s i n gp a r a m e t e rw a si n t r o d u c e dt om o d i f yt h er e g r e s s i o nm o d e l t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) t h ew a t e rb o d i e si nr e s e a r c ha r e ah a v eb e e ne x t r a c t e dw i t ht h e m e t h o d so ft h r e s h o l d i n g ，s p e c t r o - p h o t o m e t r i c ，i n d e xm o d e l sa n dc r i t e r i a f u n c t i o n ， r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so ft h et e s ti n d i c a t et h a ts p e c t r o - p h o t o m e t r i ch a st h eb e s t p e r f o r m a n c ei nt h ew a t e rb o d ye x t r a c t i n g ( 2 ) r s - b a s e dr e t r i e v a lm o d e li n d i c a t e dt h a t d e p t h o ft h e r i v e rh a dam u l t i l i n e a r r e l a t i o n s h i p w i t hs o m eb a n da n db a n d c o m b i n a t i o n s ( 3 ) c o n s i d e r e d 10 ma sal i m i t ，s u b m o d e l sw e r ef o u n d e d t h er e s u l t i l l l a m i n a t e dt h a ta n a l o gm o d e lh a dab e t t e rp e r f o r m a n c ea t0 10 m t h el o w c o n c e n t r a t i o n s e d i m e n tr e m o t es e n s i n gp a r a m e t e rw a si n t r o d u c e dt o m o d i f yt h er e g r e s s i o nm o d e l f i n a l l y ，t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro ft h er s - b a s e dr e t r i e v a lm o d e lf e l lt o17 0 8 ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ew a t e rb o d i e sg a i n e df r o mt h er si m a g e si n2 0 01 ，2 0 0 2a n d2 0 0 3w h i c h w e r ee x t r a c t e db a s e do ns p e c t r o - p h o t o m e t r i c ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h es h o r e l i n ec h a n g e s c o m p l i c a t e d l yf r o mz h u q it oh o u g u a nd u r i n g2 0 01 2 0 0 3 ( 5 ) i m a g e si n2 0 01 ，2 0 0 2a n d 2 0 0 3w e r eu s e dt or e t r i e v et h ew a t e rd e p t hb a s e do nr s b a s e dr e t r i e v a lm o d e l t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e s c e n d i n go ft h er i v e r b e di nt h er e a c hf r o mz h u q it oh o u g u a n b e c a m es e v e r e l yd u r i n g2 0 0 1 2 0 0 3 k e yw o r d s ：r e l e v a n c e ，s p e c t r a lv a l u e ，r e m o t es e n s i n gm o d e lo fw a t e rd e p t h ，a v e r a g e r e l a t i v ee r r o r i i 福建师范大学硕士学位论文 福建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名) 迕赶学号至q q 鱼q 昼垒q 专业自然丝理堂所呈交的论 文( 论文题目：闺江工鲎王逾丞邃暹蹙皇逦道渲变佥板) 是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果口尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。本人了解福建师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查阅 和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文 签名日期 指导老师签名 绪论 绪论 1 问题的提出 1 1 闽江下游河道演变分析的重要性 人们自古逐水而居，河道两岸优越的水土资源、便利的交通给人类的生存和发 展提供了良好的环境条件。河流是文明的发祥地，发展经济的基础，生态系统的要 素，景观的依托。河道是行洪的通道，河道的防洪安全、行洪畅通，对抗御洪水灾 害具有重要作用n 1 。静止的、不变的河床是不存在的。天然河流总是处在不断发展 变化的过程之中。在河道水流与河床边界相互作用下，河床在垂直和水平方向上会 发生变形。河床的自然变形和人为变形总是交织在一起的。在河道上修建水利工程、 治河工程或其他工程之后，受建筑物的干扰，河床变化将更为显著。为了保护水环 境，更有效的整治河道，必须掌握河床演变的基本规律心1 。 闽江是福建省最大的河流，南平市以上为上游，南平市至水口坝为中游，水口 坝以下为下游。近年来由于水口水库的蓄水，水库下游河道来沙量大幅度减少，河 段进出沙量和水量失去平衡，造成河床断面形态发生变化，引发河床不断刷深，纵 比降变缓。再加上大规模的采砂挖砂取走大部分的推移质或河床质粗砂及河卵石， 河床无法形成稳定的粗化层，加剧了河道演变过程，引起了闽江下游水环境的一系 列问题： ( 1 ) 河床下切导致同流量水位降低，对沿江取水工程和岸、堤的稳定，及河道 通航都产生了一定的影响： ( 2 ) 南北港分流比明显发生变化，严重影响河流两岸人民的生命财产安全以及 经济建设； ( 3 ) 闽江下游潮区界从侯官上延到竹岐以上，潮流界也从旧洪山桥下游向上延 伸到侯官一带；引起咸潮上溯，导致了福州地区部分时间饮用水的安全问题口3 。因 此，研究闽江下游干流河道演变，分析河床冲淤、水下地形变化对进行河道整治、 采砂工程规划以及防洪措施的制定有着重要的意义。 1 2 水深遥感技术的适用性 实测水下地形图是河道演变分析等河流研究工作必要的基础数据。然而，水下 地形测量周期长，工作量大，需要花费大量的人力物力，受自然条件影响大，且往 福建师范大学硕士学位论文 往测量区域范围有限，导致实测水下地形资料不足，使得许多研究工作无法进行系 统地开展。随着遥感技术的发展，人们在对水体光谱特性的研究中，发现水体吸收 系数与波长的相关关系，开始了水深遥感的探索。遥感测深方法可以迅速、准确获 得大范围、同时相水深信息，弥补传统水深测量方法的局限。r s 结合g i s 技术在河 道河势变化分析中的应用开始逐渐得到人们的重视。 2 基于遥感信息的水体提取方法研究现状 水域范围的界定是基于遥感信息的水体研究中一个重要的步骤。因此，选择一 种适合研究区的水体提取方法尤为关键。研究不同地物类型在遥感影像上的表现特 征及相应的表达模型，可以为有效提取专题信息提供基础。而所有信息中最直接应 用的就是地物的光谱信息h 1 。利用遥感影像获取水体信息，主要是依据波谱特性或 空间特征信息( 如形状、纹理信息等) 找出水体与其他地物的区别，分离水体信息。 近3 0 年来，s p o t 、r a d a r s a t 、l a n d s a t 等各种卫星都已介入水体信息的获取， 各种传感器的数据都已得到试验和应用，其中以l a n d s a t t m 影像的应用最为广泛。 同时，阈值法、谱间关系法、指数模型法、决策树等各种水体提取方法也逐步得到 发展。徐涵秋嘲在对归一化差异水体指数n d w l 分析的基础上，提出改进的归一化差 异水体指数删d w i ，并对水库、湖泊、河流、海洋四种不同类型的水体提取进行了 实验。实验结果表明，对于城镇范围内的水体，m n d w i 指数方法提取效果更好。颜 梅春锄结合谱间关系法，并辅于适合的阈值对南京市的水域变化进行监测分析。李 小曼等订1 利用谱间关系法提取了研究区中的水库、坑塘和宽的河流信息，将假彩色 合成图转换到h i s 彩色空间，构建模型提取细小水体，最后将两种方法的提取结果 进行合并，有效地提高了细小水体的提取精度。易善桢等阳仲1 对洞庭湖水域采用指 数模型法、监督分类法和决策树法三种不同水体遥感提取方法，比较三者之间的不 同之处，得出心d w i 指数模型法相对其他两种方法在水体提取方面均较好。陈华芳 等n 在云南省香格里拉县湿地研究中，以l a n d s a t e t m + 影像作为数据源，采用三种 方法对湿地进行识别。结果表明：采用阈值法难以将灰度值接近的山体阴影和水体区 分开来，差值法和阈值法的结合、多波段谱间关系法和阈值法的结合运用提取到的 水体信息精度较高，多波段谱间关系法对于消除阴影的效果最好。 3 水深遥感研究现状 3 1 国外研究 遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和 绪论 感知的一种技术n 。地球上的物体都在不停地发射、发射和吸收电磁波，且不同物 体具有不同的电磁波特征。遥感技术根据收集到的电磁波判断目标地物和自然现象。 遥感技术凭借其监测范围大，瞬时成像、实时传输、快速处理、迅速获取信息和实 施动态监测的优点，在环境、大气、海洋、地质、农业等各个领域得到了广泛应用。 遥感技术既可观测水体本身的特征和变化，又能对其周围的自然地理条件及人类活 动的影响提供全面的信息。它为岸线调查和动态监测、水下地形测量提供了新的思 路。 6 0 年代末，美国密执安环境研究所的一个研究小组就开始遥感测深的研究。7 0 年代，随着第一颗陆地卫星成功发射，遥感水深测量技术得到迅速发展。国外一些 学者相继提出了水深测量的定性、定量分析方法。国外学者主要通过一些光学参数 的测定来建立水深遥感模型，以半理论半经验模式和统计相关模式为主，多将遥感 测深的方法应用于河口海岸及浅水港湾地区。 l y g e n g a n 2 门1 针对利用波段比值算法计算水深的不足，假设水深和辐射强度对数 呈线性关系，提出一种新的计算水深和获取水体底质信息的方法。试验表明，运用 该方法计算出的水深误差明显低于波段比值算法。b e n n y n 耵提出一种水深反演算法， 该算法考虑了底部反射光的衰减，并结合研究区实际水深范围和与水深值相对应遥 感资料的密度值确定模型参数值。由于该模型根据研究区实际情况对遥感资料进行 校正，因而能较好的反映实际情况。s p i t z e r 等n 司提出双向流辐射传输模型，该模 型将光谱特性，不同的水体特征和底质类型作为输入参数。利用l a n d s a tm s s 和t m ， s p o th r v 和t i r o s - na v h r r 扫描仪中光谱带的光学信号，确定出多种识别底质类型 所需的运算法则，适用于水深3 - 2 0 m 的区域。g g e n g e 等n 踟基于双向流辐射传输模 式，提出了几种水深反演算法和底质组成算法，并根据这些方法利用t m 影像对荷兰 近海水域进行了多时相水深测图。结果表明，空间分辨率较大的t m 和s p o t 比分辨 率较低的a v h r r 、c z c s 更适用于海岸带制图。w e i j i 等n 刀建立基于水体后向散射机 理的水体散射遥感测深模型，可用于反演深水和水质较混浊水域的水深情况。将水 体后向散射模型和水底后向散射模型应用于t m 和s p o t 影像，结果表明，前者更适 于反演水深。文中还提出了利用实测光谱量计算水体衰减系数的方法，且给出了基 于水体散射理论的最大可测水深的数值表达式。b i e r w i r t h 等n 钔假设研究区水质和 水体底质为均一的，利用删影像建立多波段模型，提取水深和底部反射率信息。并 运用该方法计算s h a r k 海湾，有效消除了水深变化对水体底部反射率的影响，但在 福建师范大学硕士学位论文 反演较深的水深信息时误差较大。j u a n i t e 等n 钔建立水深信息和辐射亮度之间的白p 人工神经网络模型，反演了佛罗里达州t a m p a 海湾附近的水深，得出人工神经网络 方法优于传统的统计方法。t r f p a t h i 等乜们将i r s - i dl i s s - i i i 卫星数据应用于印度 k a k i n a d a 海湾的水深制图，利用g p s 技术和回音探测器确定水深样本点和收集水深 信息，建立基于最小二乘法的水深遥感经验模型，且用浊度影响因子对模型进行校 正。用该模型对研究区的水深进行反演，效果较好。 3 2 国内研究 国内水深遥感技术的研究开始于8 0 年代，主要应用于水质较浑浊、水动力较大 的长江和黄河口地区，以及水质较清、水动力较小的浅水水域的岸线变迁、冲淤分 析、水下地形变化分析等。采用的遥感数据源集中于t m 、e t m 和s p o t 影像，建立的 水深遥感模式由半理论半经验模型发展为以统计相关模型为主。 任明达馏u 以琼州海峡为例，进行海岸带卫片解译。并在雷州半岛南部和海南岛 北部地区进行实地考察，对卫片解译结果作了验证。平仲良胁1 以胶州湾卫星照片为 数据源，在对其进行密度分割处理后，分析得出可以利用反射率来测量海水的深度。 根据海水透射率、后向散射系数、海底反射率及海面反射率之间的关系，推导出海 洋遥感浅海水深的理论公式，并估计可见光遥感测深的理论极限。梁顺林在分析 阳光穿透深度z 的基础上，提出了遥感透视深度z 。的概念，并推导出二者的关系式。 采用m s s 数据，以长江口一吕泗近海水域为研究区，对该表达式进行分析，得出结论： 当水体悬浮泥沙浓度较高时，z 。 z ；当悬浮泥沙浓度较低或水体只含叶绿素物质 时，则相反。张鹰等船4 1 结合r s 和g i s 技术，对大范围浅水水域水深测量的可能性进 行了探讨，效果较好。王国兴晗5 1 采用s p o t 影像，建立两个波段比值模型的水深遥 感模型，提取武昌湖水下地形。经过四个切面实测资料对模型进行的精度分析，得 其平均几何精度为8 9 4 7 。张东等啪儿州呦1 选取长江口水域影像与实际水深资料相关 性较好的一个断面，建立统计相关水深遥感模式。通过非线性修正项的修正，整体 平均误差减少为1 7 。并探讨了g i s 技术在水深遥感测量中的应用。邸凯昌等3 通 过各种改进技术，建立了适用于较大海域的水深遥感模型，均方根误差为2 m 左右。 钟瑚穗啪1 结合地理信息系统和水深遥感技术，应用于海岸工程中，反演水下地形， 对渔港、基湖水域进行冲淤分析。得到基湖水域沙滩的冲刷强度与波浪输沙计算结 果接近。黄家柱m 1 建立该长江南通河段水深遥感模型，反演河床水下地形，对常规 水深测量起到辅助作用。陈鸣等口2 1 针对长江口水域水沙特性，建立分段模式的水深 4 绪论 遥感比值模型。研究的1 6 个断面的平均一致率达8 2 。党福星口朝利用南海永暑礁景 区的硎数据和实测水深资料，建立水深反演模型，估算浅海岛礁的水深，总标准准 误差为2 1 4 m 。陈一梅等口4 1 选用1 9 9 6 1 2 2 2 和1 9 9 8 1 2 2 7 ，两个时相t m 影像为数 据源，建立闽江竹岐至侯官段遥感光谱值与水深值的数学模型。用设计最低通航水 位时的水域边界截取研究水域，消除边界点的影响，减小遥感水深平均误差。进而 利用该模型对研究河段的枯水河床冲淤进行分析，控制相对误差在1 0 以内。王艳 姣口鄙建立动量b p 人工神经网络水深反演模型，反演长江口南港河段水深，结果较好。 王晶晶啪3 以江苏南通小洋口港外辐射沙脊群海域为研究区，分别建立多种水深反演 模型，对比研究各模型在不同水深的适用及反演情况。王艳姣等口 总结了国内内外 遥感测深应用方法，指出要提高水深遥感反演的精度必须加强遥感传感器和反演模 型的研究，从大气模型和水体模型两个方面对反演模型进行改进。刘为峰等啪1 给出 遥感图像处理的小波去噪方法，结合r s 、g i s 实现水深探测系统，提高了水深探测 精度。已有的研究表明了利用遥感技术进行水深测量，应用于水下地形变化、河床 冲淤、河道演变分析的可能性。 3 3 存在的问题 目前国外学者利用多光谱影像反演水深多是在水质较好、水动力较小的浅水水 域，所建模型大都是针对清澈水体的区域( 如内陆湖泊和珊瑚礁水域等) ，大部分不 适合我国水质浑浊、水动力较大的河口区。国内学者针对我国水域情况，也提出了 相应的模型，但由于我国不同区域水质和水体底质差别较大，加之建模时常常遇到 遥感资料和实测水深不同步等问题，故至今尚无统一的定量模式。目前水深遥感研 究的重点是去除或削弱环境因素的影响，特别是水体底质的影响，借以提高水深遥 感解译的定量化水平。尽管国内外学者在水深遥感领域做了许多研究，但由于水体 的光学特性十分复杂，加之影响遥感测深的因素很多，如水体悬浮物浓度、水体底 质等，故至今尚无统一的定量模式或可靠的模型参数，定量模式多为具有区域特性 的经验或半经验模式，使用中针对性强，所以必须结合研究水域特点，建立水深遥 感模式。针对以上存在的问题，本文根据研究区实际情况，采用不同方法构建水 深遥感模型，并引入泥沙遥感因子，以削弱悬沙对遥感测深的影响，提高遥感测深 精度及其在水深动态变化分析中的可靠性。 福建师范大学硕士学位论文 4 闽江下游河道河床演变研究概况 4 1 闽江下游河道概况 4 i i 区域自然环境概况 闽江是福建省第一大河流，源于福建、江西交界的建溪、富屯溪、沙溪单条支 流在南平市附近汇合而成，穿过沿海山脉至福州市附近分南北两支，至罗星塔复合 为一折向东北流注入东海。闽江全长5 4 1 k m ，流域面积近6 1 0 0 0 k m 2 ，豹占福建全 省面积的一半0 1 。南平市以上为上i 5 字，南平市至水口坝为中游，水口坝以下为下游。 闽江下游坡降变小，江面开阔河水流速减缓，竹歧以下又受潮水顶托作用，沉积 作用显著，沙洲、边滩发育。在福州附近，南台岛将闽江分为南港和北港两支。南 港水量较北港太，并有支流太漳溪汇入，但河道曲折而宽浅，泥沙淤积严重；北港 比较平直狭深，主流线较稳定，利于航行。两港在马尾附近汇合折向东北入海。闽 江下游遥感影像圈如图i 所示。 图12 0 0 3 年闽江下游遥感影像圈 f i g ie t m + i m a g e h l t h e l o w e r m i n j i a n g r i v e r i n2 0 0 3 竹岐至侯官河段位于分流口之上，长约1 2 k m 。该河段为丘陵与平原相间地貌， 河床宽窄不一，一般河床宽浅，多洲滩及河汉。河床由中粗沙组成，岸滩多粘土和 沙土，抗冲性差，易崩塌，枯水期河宽约为4 5 0 m 。竹歧断面较窄，枯水期河宽约为 绪论 4 0 0 m ，洪水期河宽1 1 0 0 m 。竹岐向下为甘蔗洲滩地，甘蔗洲断面洪水水面宽可达3 k i n ， 甘蔗洲下的白头，洪水河宽急剧缩小到1 1 5 k m ，白头至侯官约4 1 5 k i n 。为了改善航行 条件，2 0 世纪6 0 - 8 0 年代，沿着枯水河槽的南北两侧修建了4 0 条左右的低丁坝、 低顺坝，枯水河槽受到控制，竹岐至侯官在中水枯水期已形成了2 个弯道，第1 个 弯道的弯顶在甘蔗洲附近，第2 个弯顶在荆溪洲对面眉毛洲一带。侯官以下河道顺 直，至淮安头上游水流分为两汊分别进入南、北港1 。 4 i 2 水文特征 ( 1 ) 降水、径流 闽江流域位于1 1 6 0 2 3 e 1 1 9 0 4 3 e ，2 5 0 2 3 ，n 2 8 0 1 9 n 之间，多年平均气温为 1 7 1 9 。c ，地处亚热带海洋季风气候区，气候温和，雨量充沛。春夏两季受亚热带 海洋季风影响，产生历时长、范围广的锋面雨：夏秋季常受到太平洋热带气旋的侵 袭，形成暴雨。受地理位置、地形和气候条件的影响，流域内降水分布由上游往下 游，由西北山区向东南沿海逐渐减少。流域多年平均降水量为1 7 2 4 m m 。 闽江流域降水量年际变化较为明显，年内分配极不均匀。每年3 6 月为雨季， 降雨由锋面形成，笼罩面广，雨期长，雨量集中。5 、6 月份是闽江流域的主汛期， 降水强度为全年最大，2 个月的雨量占年降雨量的3 0 以上。下游地区在7 9 月， 受台风影响明显，降水量比上游内陆地区大。所以5 , - - 8 月为多年平均连续降水量最 大的四个月。1 0 月至次年1 月是少雨季节，最小月降水量一般出现在1 1 月或1 2 月， 其月降水量约占全年降水量的2 - - 3 口3 。闽江流域水量丰富，多年平均径流量为 5 9 1 7 亿m 3 ，占全省地表径流量的5 1 8 。居全国第七位，多年平均径流深为9 7 0 i m m ， 全年径流量主要集中在汛期，4 - - 9 月径流量占年径流量的7 5 左右。 闽江源短流急，平均约5 年就会发生一次较大洪水。闽江洪水就暴雨成因而论， 主要有梅雨型和台风雨型两种。梅雨型洪水主要是由锋面暴雨所形成的，出现时间 一般是4 6 月。台风雨型洪水是由台风天气系统的暴雨所形成的，出现时间多在7 9 月。下游地区受台风影响明显，洪水主要是由台风型暴雨造成，特点是峰高、量 大、历时短。1 9 4 8 年以来，闽江干流共发生了1 1 次大的洪水，最大的三次洪水依 次是“9 8 6 2 3 、“9 2 7 7 ”和“6 8 6 1 9 特大洪水。竹岐站相应的洪峰流量分别 为3 3 8 0 0 m 3 s 、3 0 3 0 0 m 3 s 和2 9 4 0 0 m 3 s ，洪水总量分别为1 7 0 亿m 3 、7 0 2 亿m 3 和8 8 6 亿r n 3 3 1 。 福建师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 潮流 闽江下游为感潮河段，闽江口属陆相正规强潮河口，潮型是正规半日潮，平均 潮差为4 1 m 。水i = 1 电站的建成蓄水后，最小下泄流量减少，加上河道采砂等原因， 导致的下游河道普遍刷深下切，使得枯季大潮潮区界上溯。枯季潮区界由原来的侯 官( 1 9 9 6 年以前) 上溯至竹岐水文站，枯水时的潮流界也从原来的旧洪山桥以下上 移，至现在的淮安头附近口1 。 ( 3 ) 泥沙 闽江属于少沙河流，悬移质输沙主要集中在汛期。流域内输沙量年际变化大， 竹岐站最大年输沙量为1 9 6 2 年的2 0 0 0 万t ，最小为1 9 9 6 年的1 2 7 万t 。输沙量的 年内分配主要集中在3 8 月，占全年的9 2 以上。其中，6 月份最大，输沙量占全 年的3 0 4 0 口】。 竹岐站悬移质中值粒径约为o 0 7 m m ，推移质泥沙中值粒径约为o 6 5 r a m 。由竹岐 水文站实测泥沙资料统计，1 9 8 0 年1 9 9 3 年多年平均年悬移质输沙量为6 1 3 万t 。 1 9 9 0 一- 1 9 9 6 年年输沙量减小，多年平均为4 8 7 1 0 4 t ，其中1 9 9 6 年仅为1 2 7 1 0 4 t 。 1 9 9 3 年4 月水口电站大坝蓄水后，使坝下河段的来沙量逐年减少。1 9 9 4 年实测资料 显示，有3 2 3 1 0 4 t 悬移质输沙停留在大坝库区，约占总输沙量的4 7 左右。1 9 9 4 年2 0 0 4 年多年平均年悬移质输沙量为2 0 9 万t ，水口建库前后河流多年悬移质年 输沙量减少6 5 9 “们。 4 2 河道演变研究 在闽江河道的研究，多数以实际观测资料为主，主要对水质、河床及河口的演 变进行研究，并提出一些整治方案和建议。陈禄h 门根据今年闽江北港分流现状，提 出整治建议，改变南北港分流比，减轻北港防洪压力及解决南港淤积问题。江传捷 3 根据大量实测资料，分析闽江下游河床演变及水利条件变化，并提出采砂规划工 作和恢复河口测验工作的建议。冯明联“幻通过五次对闽江北港下游重点堤段的水下 地形测量，对闽江北港河演加剧的原因及趋势进行分析。黄永葛等n 3 1 结合正态物理 模型和遥控自航船模，分析闽江水口枢纽坝下水位降落幅度及河床地质条件，研究 闽江水1 ：3 枢纽坝下水位降落整治方法。刘梅冰h 钉建立了闽江下游河道一维动态水质 模型，探讨了北港不同排污口设置方案对南、北港分汉河道水质的影响。季杜鑫等 h 6 3 利用闽江口设置的5 个定点连续观测站的流速、盐度、温度、浊度与悬沙资料以 及同步观测的5 个潮位观测站的潮位资料，分析闽江河口的水文特征和悬浮泥沙含 绪论 量特征。陈一梅h 6 3 根据闽江口实测资料，分析了河口区演变规律，探讨了闽江口建 设深水港和深水航道的可行性。 针对闽江下游干流竹岐至侯官河段，已有的研究主要是根据实测资料分析该河 段的演变规律。李奕琼h 刀分析竹岐至侯官河段浅滩成因和演变特点，探讨该河段的 整治原则、整治方案，以及工程实施后的整治效果。陈一梅n 钔根据大量实测水文、 泥沙和地形资料，分析竹岐至侯官河段近年来的演变规律和影响因素。并用二维数 值模拟方法，研究整治建筑物对流场的影响。 遥感技术在闽江流域的应用研究主要集中在悬浮泥沙分析以及岸线解译等方 面。陈一梅h 钉通过对7 个时相l a n d s a tt m 影像资料处理与信息提取，研究闽江口在 不同时相、不同径流和不同时刻的悬浮泥沙来源、分布、扩散和潮汐动力。据此， 分析影响闽江口深水航道演变因素。周建军等咖3 结合多时相t m 遥感数据和地形图、 海图，对闽江河口地区岸线进行解译，分析河口地区河道演变情况。叶琳嘀订利用1 9 9 6 年和2 0 0 3 年两个时相的卫星遥感影像，对闽江流域福州段的悬浮物浓度进行了反演 和评估，分析水体悬浮物浓度在时间和空间上的分布变化。虞娟羽利用b p 神经网络 模型处理分析闽江竹歧至侯官河段河道岸线变形问题。 遥感测深技术在闽江下游干流的应用较少，陈一梅等羽选用1 9 9 6 年1 2 月2 2 日 和1 9 9 8 年1 2 月2 7 日，两个时相t m 影像为数据源，建立闽江竹岐至侯官河段遥感 光谱值与水深值的数学模型。用设计最低通航水位时的水域边界截取研究水域，消 除边界点的影响，减小遥感水深平均误差，进而利用该模型分析研究河段的枯水河 床冲淤情况。 5 研究内容及技术路线 5 1 研究内容 根据上述分析，本文以闽江下游竹岐至侯官河段为研究区，应用遥感影像与实 测水下地形，开展水深遥感模型研究，通过水深反演得到不同时期的水下地形，进 而分析不同时期的河道演变规律。主要内容有： ( 1 ) 遥感影像预处理。对2 0 0 1 年3 月4 日、2 0 0 2 年1 月2 日、2 0 0 3 年2 月6 日e t m + 影像数据进行预处理。辐射定标后，利用6 s 大气校正模型对影像进行校正。 将得到的地表反射率换算成光谱辐射亮度值，再进行几何校正，使之可以用以分析。 ( 2 ) 提取水体。水域范围的界定是水深分析的重要步骤。本文拟在详细分析研 究区的波谱特征的基础上，对比单波段阈值法、谱间关系法、水体指数法、条件操 9 福建师范大学硕士学位论文 作函数四种基于地物波谱特征的方法在研究区提取水体的不同，分析四种方法的优 劣，确定一种相对较优的水体提取方法。 ( 3 ) 实测水深与相应遥感信息提取的水体信息匹配，数字化得到水深数据。 将矢量数据与2 0 0 3 年2 月6 日e t m + 遥感影像叠合，提取出与水深点相对应的像元 辐亮度值。 ( 4 ) 建立水深遥感模型。分析水深数据与各波段像元辐亮度值、波段组合值之 间的相关关系。在a r c g i s 中剔除异常点。将各因子进行逐步回归，得到水深遥感模 型。引入适合二类水体的泥沙遥感参数，对建立的水深模型进行修正。 ( 5 ) 2 0 0 1 年至2 0 0 3 年河道演变分析。利用多波段谱间关系法提取水体信息， 制作岸线变化图。利用建立的水深遥感模型反演研究区水深，制作水下地形图，据 此分析2 0 0 1 年至2 0 0 3 年间研究区水深变化趋势。 1 0 绪论 5 2 研究技术路线 上述研究内容所采用的技术路线可以图2 示之。 图2 技术路线图 f i g 2t h er e s e a r c hf l o wc h a r t 第一章遥感影像及预处理 1e t i d + 影像特征 本文采用的是福州市的l a n d s a te t m + 遥感影像数据。l a n d s a t 是美国陆地探测 卫星系统。从1 9 7 2 年开始发射第一颗卫星l a n d s a t l ，到目前最新酌l a n d s a t 7 。 l a n d s a t 7 卫星于1 9 9 9 年发射，装备有e n h a n c e dt h e m a t i cm a p p e rp l u s ( e t m + ) 设备， e t m + 被动感应地表反射的太阳辐射和散发的热辐射，有8 个波段的感应器，覆盖了 从红外到可见光的不同波长范围。e t m + l l 起在l a n d s a t4 、5 上面装备的t h e m a t i c m a p p e r ( t b l ) 设备在热红外波段的分辨率更高，因此有更高的准确性。 l a n d s a t 7 数据概况：( 1 ) 7 个光谱波段和一个全色波段；( 2 ) 扫描宽度达1 8 5 k m ； ( 3 ) 1 5 、3 0 、6 0 m 精度；( 4 ) 离地7 0 5 k m 太阳同步轨道：( 5 ) 1 6 天运行周期；( 6 ) 覆盖范围为南北纬8 l 。之间的区域。 表1 - 1e t m + 各波段的主要参数 t a b 1 1m a i np a r a m e t e r si ne t m + b a n d s e t m + 各波段主要用途： 1 波段，用于水体穿透，土壤植被分辨： 2 波段，用于植被分辨； 3 波段，处于叶绿素吸收区域，用于观测道路、裸露土壤、植被种类的效果很 福建师范大学硕士学位论文 4 波段，用于估算生物数量，尽管这个波段可以从植被中区分出水体，分辨潮 湿土壤，但是对于道路辨认效果不如t m 3 ； 5 波段，用于分辨道路、裸露土壤、水，还能同植被之间有好的对比度，并且 具有较好的穿透大气和云雾的能力。 6 波段，感应发出热辐射的目标，分辨率为6 0 m ： 7 波段，对于岩石、矿物的分辨很有用，也可用于辨识植被覆盖和湿润土壤； 8 波段，全色波段，分辨率为1 5 m ，用于增强分辨率，提供分辨能力。( e t m + 与t m 相比增加的一个波段) 2 遥感影像预处理 本文用于建模的影像数据为2 0 0 3 年2 月6 日e t m + 遥感影像，研究区域有极少量 云的干扰，整体图像清晰。遥感在数据获取时，受到诸多因素的影响，比如，仪器 老化、大气影响、双向反射、地形因素及几何配准等，使其获取的遥感信息中带有 一定的非目标地物的成像信息，再加上地面同一地物在不同时间内辐射亮度随太阳 高度角变化而变化嗍1 。因而遥感信息定量化的前提是对遥感图像进行预处理，去除 以上非目标地物成像信息的影响。 2 1 辐射定标 传感器定标是遥感信息定量化的前提，遥感数据的可靠性及应用的深度和广度 在很大程度上取决于传感器的定标精度。所谓传感器定标是指建立传感器每个探测 像元所输出信号的数字量化值与该探测器对应像元内的实际地物辐射亮度值之间的 定量关系。传感器定标方法可分为三大类：飞行前实验室定标、星上内定标和场地 外定标。随着遥感信息定量化应用的迅速发展，对传感器的辐射定标提出了日益迫 切的高精度要求。 传感器在发射前，都己进行了地面定标，其系统指标如光学传递函数、光学效 率、探测灵敏度等均已获知。但是发射后的在轨运动中，由于振动、温差、辐照、 自身衰减等因素影响，系统性能有相当的变化，与发射前的地面定标存在差异，既 有长期趋势的衰减，也有短期的波动，为了使获取的数据真实的反映目标，获取信 号的同时必须进行定标。发射前的定标和在轨定标由于条件的限制，无法直接进行， 唯有星上定标是最直接可靠的方法喳5 1 。定标公式为： = g x 矶4 - 6 1 一l gx 和b x 分别为波段入的增益值与偏置值，参考表卜2 。对于本研究2 0 0 3 e t m + 1 4 第一章遥感影像及预处理 影像数据的增益值和偏置值采用2 0 0 0 年7 月1 日后高增益影像的参数值。 表1 - 2l a n d s a t7e t m + 辐射校正参数表 t a b 1 - 2l a n d s a t7e t m 【+ p a r a m e t e r s0 fr a d i a t i o nc a l i b r a t i o n 2 26 s 大气校正 进入传感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值，也就是灰度值。辐射强度越 大，亮度值越大。该值主要受太阳辐射照射到地面的辐射强度和地物的光谱反射率 两个物理量的影响。理论上，当太阳辐射相同时，图像上像元亮度值的差异直接反 映了地物目标光谱反射率的差异。但实际测量时，辐射亮度值还受到传感器仪器本 身产生的误差，和大气对辐射的影响而发生改变。改变的部分称为辐射畸变，也就 是需要校正的部分呻】。仪器引起的误差是由于多个检测器之间存在差异，以及仪器 系统工作产生的误差，这会使得图像产生条纹和“噪声”。一般来说，这种畸变由生 产单位根据传感器参数进行校正，无需用户自行校正了。因此，我们要考虑的就是 大气影响造成的畸变，这一部分校正又称为大气辐射校正。 大气辐射校正开始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 0 年c h a n d r a s e k h a r 提出了大气对太 阳辐射的影响机制，之后就出现了许多基于辐射传输理论建立的大气辐射校正方法。 目前常见的大气传输模型有6 s 、l o w t r a n 系列及m o d t r a n 系列等。6 s ( s e c o n d s i m u l a t i o no ft h es a t e l l i t es i g n a li nt h es o l a rs p e c t r u m ) 模型是目前世界 上发展比较完善的大气辐射校正模型之一，是2 0 世纪