基于高分辨率遥感影像的海岛潮间带的界定

基于高分辨率遥感影像的海岛潮间带的界定

潮汐和湿地是岛屿的重要组成部分。它们是海洋和岛的连接纽带，在调整岛屿的生态环境方面发挥着重要作用。准确的界定海岛潮间带和湿地的范围,不仅有利于确定海岛生态系统的范围,保护海岛生态环境,对于我国即将开展的海岛有偿使用也具有积极作用。由于多数海岛远离大陆,且其潮间带和湿地受海水高潮和低潮交替变化的影响,采用实地调查的方法,不仅耗时耗力,而且,其范围往往难以准确确定。采用遥感手段,结合海洋学知识及GIS技术进行海岛潮间带和湿地范围的界定,具有准确、实时、全面等优点。东沙岛位于南海东沙环礁之上,地理中心位置为20°41′57″N,116°43′10″E,东西长约2.8km,南北宽约865m,形状像支钳子,钳子开口内为小岛湖,全岛蜿蜒的海岸线将近8km,陆地面积约1.74km2,是南海诸岛中第一大岛。东沙岛的地理位置十分重要,它是台湾海峡南疆的门户,位居南海要冲,是巴士海峡进出南海船舰的必经之途,扼控巴士海峡的咽喉。东沙环礁为典型的珊瑚环礁,近于圆形,直径约22km,环礁面积约350km2,在南海近百个环礁中,属中型。本文利用高分辨率的多源卫星遥感数据和东沙岛水深地形图,结合东沙岛潮汐调和常数,在解译东沙岛遥感影像的基础上,对东沙岛潮间带、湿地的范围和面积进行了确定。1东沙岛同潮时段的量测潮间带是高潮线与低潮线之间的地带,在实际计算中,高潮线、低潮线大都以多年平均高潮线与多年平均低潮线为准。该区域较为特殊,处于海陆交汇处,交替地暴露于空气和淹没于水中,既受陆地环境因子的影响,又受海水水文规律的支配。此外,由于受波浪、潮汐的冲刷作用明显,底质复杂。在这一区域,栖息着不同类型的生物,生物资源极其丰富。利用卫星遥感图像确定海岛潮间带的宽度,可采用如下相似三角形的原理:图1中,H2为实时水边线高程;H1和H3分别为多年平均高潮线高程和多年平均低潮线高程,可通过海岛所在海域潮位的多年统计平均得到;S2为高潮线至实时水边线的距离,在遥感图像上可直接量测。则潮间带的宽度为:L=S1+S2=(H2−H3)/(H1−H2)×S2+S2(1)L=S1+S2=(Η2-Η3)/(Η1-Η2)×S2+S2(1)其中,实时水边线潮位高程可表示为:H2=H−h/2×[1−cos(t/T×180)](2)Η2=Η-h/2×[1-cos(t/Τ×180)](2)式中,H为当日高潮的高程;h为当日的潮差;T为落潮历时;t为高潮时至遥感图像获取时间的间隔。进行东沙岛潮间带的量测,首先需要确定东沙岛多年平均高潮线高程和多年平均低潮线高程。为此,本文收集了1999-2005年东沙岛潮汐资料,经过统计分析,得到了各年平均高潮和平均低潮的高程,并以此计算得到了东沙岛多年平均高潮线高程和多年平均低潮线高程(表1)。高潮线至实时水边线距离的量算是进行东沙岛潮间带量测的关键。本文采用QuickBird和IKONOS全色图像作为遥感数据源。QuickBird全色图像星下点的地面分辨率为0.61m×0.61m,IKONOS全色图像的地面分辨率为1m×1m,以它们作为高潮线至实时水边线距离的提取,精度较高,对于利用卫星遥感手段提取海岛潮间带信息来说极为理想。基于GIS软件的量算功能,分别在2003年5月12日获取的东沙岛IKONOS全色图像(图2)和2004年4月19日获取的东沙岛QuickBird全色图像(图3)上的选定区域(见放大区域),对应同一地理位置进行多次测量并取均值,得到了该时刻高潮线至实时水边线的距离S2。根据上述图像的获取时刻,利用东沙岛潮汐表并结合式(2),即可算出实时水边线S2对应的高程H2,然后,通过式(1)得到所求位置潮间带的宽度(表2)。表2中,加入了SPOT-5图像的计算结果。通过比较可以看出,IKONOS和QuickBird图像的量算结果稍有差异,考虑到潮间带坡度一般较缓,小的潮位高程差就可导致结果产生较大偏差,按此分析,两者的结果一致性较好。但是,由SPOT-5计算出的结果差别比较明显,考虑到其分辨率与以上遥感图像相比相对较低,产生较大误差也在预料之中。基于上述计算方法,本文以QuickBird全色图像为依据,在GIS软件的辅助下,进行东沙岛潮间带范围的确定和面积的量算。最终得到的东沙岛潮间带面积为215995.97m2。2网格化的海底湿地根据国际《湿地公约》的定义,湿地是指天然或人工的、永久性或暂时性的沼泽地,泥炭地和水域,蓄有静止或流动、淡水或咸水水体,包括低潮时水深浅于6m的海水区。对于海岛,从广义概念来说,其范围还应包括岛屿或湿地范围内低潮超过6m的海域。本文取其狭义概念,即将湿地界定在陆地和水体之间的过渡区域,不包括岛屿本身。概括说来,海岛湿地范围可在水深地形图上通过6m海水等深线加以确定。但是,通常由于海岛近岸区域地形起伏变化较大,大比例尺的水深地图一般难以给出浅水区域的海水等深线。为此,简单的利用水深地图进行海岛湿地范围的划定存在一定困难,即便划定,也不能准确地反映海岛湿地信息。在海岛近岸浅水区域,大比例尺水深地图虽然缺乏较为详细的海水等深线信息,但常常会提供一定量的水深点数据信息。在水深点较为丰富的情况下,采用插值方法进行网格化处理,在制图软件的支持下,可以较为真实的显现海岛近岸的水下地形,在此基础上绘制浅水区域海水等深线,以此作为海岛湿地范围的确定依据。同时,结合高分辨率遥感数据进行修正,就能够较为准确的划定海岛的湿地范围,进而提取湿地的面积。东沙岛位于东沙环礁之上,东沙环礁为珊瑚礁类型。珊瑚礁在发育过程中,一旦长期处于空气中,大部分珊瑚就会死亡,所以珊瑚礁生长高度一般在最低潮位上。根据上述方法,本文采用克里格(Kriging)插值方法,对水深数据点信息进行单元网格化计算。克里格方法的选则是基于以下考虑:在估计元观测样本数值时,该方法不仅考虑了待插值点与邻近有观测数据点的空间位置,还考虑了各邻近点之间的位置关系,这种对已有观测值空间分布的结构特点的考虑,使其估计比传统方法更精确,更符合实际,同时,也能有效的避免系统误差产生的“屏蔽效应”。经插值计算之后,东沙环礁水深数据单元网格大小为0.46km×0.46km。以此为依据,在制图软件的支持下,就可以较为真实的显示出东沙环礁的水下地形,进而初步确定环礁湿地的范围。由初步确定的湿地范围可知,东沙岛湿地主要位于环礁之上。在上述计算过程中,由于东沙环礁面积较大,部分区域的水深点信息不够丰富,导致插值后这些区域海水等深线较为稀疏,影响了湿地范围界定的准确性。为此,需要采用高分辨率遥感影像进行修正。在多种高分辨率卫星遥感数据中,本文采用多光谱分辨率为10m,全色为5m的SPOT-5遥感影像。经融合后,其分辨率可达5m。该图像地物清晰,光谱信息丰富,区别明显,尤其是数据量相对较小,易于处理。本文用于湿地修正的东沙环礁SPOT-5图像获取时间为2003年7月6日,经几何精校正和融合之后,把上述网格化的水深数据与影像进行几何配准。在影像中,选取对应于水深图中水深数据密集区域的图像光谱特征作为湿地信息的解译标志,以此为依据对水深点信息缺乏的区域进行修正。最终界定的东沙岛湿地范围见图4,图中红线所围区域均属湿地范围。本文所用水深数据无潮时信息,故未引入潮位修正。以上述东沙岛湿地修正结果为依据,在GIS软件的量算功能支持下,进行东沙岛湿地面积的量算。最终得到了东沙岛湿地面积。3图像的结果分析综上所述,采用相似三角形原理,结合海岛多年的潮汐分析,在高分辨率遥感数据的支持下,可以比较准确地确定海岛潮间带范围,特别是对于分辨率为1m左右的IKONOS和QuickBird图像,提取结果保持了较高的一致性,因而,结果的可信度较高;SPOT-5图像与它们相比,由于地面分辨率较低,图像上高潮线与实时水边线间宽度的测量容