基于遥感影像的北部湾金滩滩滩地形坡度研究

基于遥感影像的北部湾金滩滩滩地形坡度研究

0海岸变化监测和遥感技术应用海滩是高度和低点之间的区域。它被洪水淹没，在撤退时露出水面。它是一个动态和不稳定的海洋资源，存在明显的浪费变化。海滩是人类赖以生存与持续发展的重要基础,是海岸带资源与环境保护的重要对象,了解其性质和分布对合理开发潮滩资源非常有益。海滩变化的常规测量需要多年数据,且对于面积大的海滩,常规测量难以实现。卫星遥感具有强大的数据获取能力,具有大面积、同步、重复、高精度等优越性,目前应用遥感影像对海滩变化监测研究也日趋成熟。海岸线提取及变化检测对海岸线资源管理、环境保护、发展规划及航海安全都具有重要意义,遥感应用的技术关键是信息提取与反演,即从携带地物信息的电磁波信号中提取地物特征。国内外学者进行了大量研究,主要利用海岸线的空间关系,对水、陆区域的光谱特征来提取边缘线。如Bagli等利用数学形态学方法提取了欧洲大陆海岸的岸线;韩震和恽才兴利用遥感数据首次应用水边线高程反演技术对伶仃洋大铲湾潮滩冲淤进行了研究;王琳等利用TM图像使用直接光谱对比法对厦门岛海岸线进行提取;孙美仙等使用人工目视解译与计算机分类相结合的方法对福建省海岸线进行了调查;韩震和金亚秋以长江口九段沙淤泥质潮滩为实验区,利用星载反射红外数据为主,提取水边线,采用水边线高程遥感反演技术,对九段沙面积动态变迁进行了定量评估;周亚男等运用融合纹理特征和空间关系对TM影像海岸线进行了自动提取,并进行了精度评定,实验效果良好。坡度的准确性直接关系到海滩的变化的准确性,尤其是沉积高度或冲淤变化。以往的学者研究海滩变化时,没有提及坡度计算。本文应用遥感数据水位线原理,通过多断面分析求取地形坡度。在假定多年坡度不变的情况下,根据坡度公式可以求取沙滩年垂直变化量,得出金滩海滩演变规律,为金滩综合整治项目提供依据,同时研究方法可为砂质海滩沉积演变起借鉴作用。1潮位特征选取以北部湾防城港西侧的金滩海滩(潮间带)为研究区。金滩位于108.2°E,21.5°N,是北部湾重点规划的海滩旅游区,海滩岸线为人工建设的堤坝岸线,长5657m。金滩以正规全日潮为主,其特点是:当全日分潮显著时,潮差大,涨潮历时大于落潮历时,憩流时间短;当半日分潮显著时,潮差小,涨落潮历时大致相等,憩流时间长。根据防城港海洋环境监测站1996~2008年的实测潮位资料统计,其潮位特征值如下(理论最低低潮面):最高潮位:5.23m(2008-11-1607:09);最低潮位:0.31m(2002-12-818:53);平均潮位:2.34m;平均高潮:3.64m;平均低潮:1.20m;最大潮差:5.14m;平均潮差:2.44m。平均潮差以6月和12月最大,3月份最小。冬、夏的平均潮差相对比春、秋季大。潮流场特性是周期性的往复流潮流,大潮期间实测最大落潮流速79cm/s,流向东南偏东;最大涨潮流速0.61m/s,流向西北偏西。该区滩面为泥沙主要来自北仑河推运及海洋动力冲积而成,潮滩平坦宽广,宽约0.3km,组成物质主要为极细砂和粉砂,粒径介于0.125~0.016mm之间。2方法和材料2.1年垂直冲淤变化坡度是指地面两点间高差与水平距离的比值,高差表示地面间的高程上的差值。用公式表示为:A=H/L(1)式中:A为坡度,H为高差,L为水平距离。具体到求该海滩的垂直冲淤变化,即滩涂沉积速率时,以多年平均为计算结果。应用坡度公式,求取砂质海滩的年垂直冲淤变化,要求知道坡度和年平均水平距离。应用遥感影像,首先,要对影像的成像时间进行确认,确定其瞬间水位;其次,要统一到坐标系统下,利用水位线技术勾画出水边线,计算出水边线距人工海岸线的水平距离。对时间相近内影像数据水位线和瞬间水位进行分析,求得坡度;然后,找出水位相同的水位线,分别计算出水边线距人工海岸线的水平距离,求取两者的差,该差值可以得知海滩向海方向发展还是向陆地方向发展和平移水平距离;最后利用坡度公式,计算海滩的年垂直变化高程,即冲淤变化量。主要技术流程如图1所示。2.2金滩卫星成像位置的确定根据研究要求,选择了空间分辨率为28.5m的LandsatETM+遥感影像数据,共计20个时相,时间跨度为2000~2010年。首先对选择多幅遥感影像进行了几何精校正,然后经过图像增强处理,利用改进的归一化差异水体指数(mndwi)提取水边线,本次应用的软件为ERDASIMAGINE8.7。根据当地潮位站的实测水位高程,得到金滩卫星成像时刻水位高程。使用ARCGIS9.2相关技术自动勾画出水边线,利用提取的水边线,求取水边线与人工海堤岸线的平均水平距离,具体数据见表1。续表13结果分析为保证计算精度,在选取遥感影像数据时,水位高程差控制在10cm范围内,则可以比对两个数据。3.1在线实测数据处理遥感影像是正射影像图,假定短期(一年)内的滩涂坡度一直不变,在影像上选定3个断面,断面为垂直海岸线向海方向,其中,断面L1是经过点108°10′55.29″,21°31′50.86″垂直于海岸线的线、断面L2是经过点108°09′52.04″,21°31′38.02″垂直于海岸线的线、断面L3是经过点108°08′41.71″,21°31′22.21″垂直于海岸线的线;分别沿断面量取人工岸线的距水边线得距离,计算出不同水边线的水平距离差,利用水位计算高差,利用坡度公式(1),分析坡度;影像数据选取见表1,坡度分析见表2~6。遥感影像及实测数据分析得出的坡度值相近,所以可以应用遥感影像数据分析的坡度结果。故本文章用坡度2.3%做为研究区的坡度值。3.2潮位高程误差的校正及沉积分析海滩(潮间带)冲淤变化是一种复杂的物理过程,它包括许多自然因素和人类诱发因素。自然因素包括研究区域的地质过程和海平面升降、水动力条件、泥沙来源及沉积物变化等。人类诱发因素包括滩涂围垦、水产养殖、潮汐、通道开挖、港口、码头及防波堤建设、航道疏浚、潮滩及近岸取沙等。为了保证演算精度,在选取遥感信息样本时,潮位高程误差限定在0.05m范围以内。对风浪引起的增减水位误差可不予考虑。在结合卫星成像时刻的潮位高程的基础上,选择了2000年~2010年的影像,将其分为7个组。并对影像进行了平均沉积垂直高度分析,见表7。通过上述同水位的遥感影像的潮滩和水体边界线的对比分析,发现等高程的水边线具有向水域方向移动的现象。对上述的数组边界线之间的位移距离进行了量算,得到了不同年份潮滩的平均沉积垂直高度(见表4),得到的同高程向海方向2.7m/a,多年平均沉积垂直高度为0.068m。水边线平移距离的量算的精度取决于遥感图像的最高空间分辨率的大小,其最大误差小于0.15个像元,本次使用的最高空间分辨率图像为ETM+,其分辨率可达15m,因此,水边线平移距离的量算的最大误差小于2.25m,坡度最大误差小于±0.005,潮滩年平均淤涨速率最大误差小于0.05m。4金滩土壤等高程水边线应用高分辨遥感影像数据,结合水位线提取技术,对金滩