基于多时相卫星遥感影像的潮滩高程反演及应用

基于多时相卫星遥感影像的潮滩高程反演及应用

中国的泥质潮滩约占该大陆海岸线的1.4%，主要分布在长江、黄河、珠江、龙江等河口三角洲及其两侧的海岸平原和一些沿海港口。污泥的大规模形成具有广阔的水域特征。淤泥质潮滩在周期性的潮汐作用下,高潮时被水淹没低潮时又漏出水面,部分区域无法到达,这为潮滩上的地形测量增加了一定的难度。海图上的水深数据多用于航海的需求,水深数据一般都是从海图理论深度基准面开始,往往缺少0m等深线以上区域的高程信息,对于已有的潮滩高程数据,它的更新也远不如水深数据更新的频繁。因此在平坦宽阔的潮滩上,往往缺少系统的高程数据。这种系统数据的不完善在某些研究和应用中会造成一些瑕疵,本文所研究和探讨的问题是在存在大面积潮滩海域进行潮流数值模拟时,如何利用多时相卫星遥感影像水边线高程反演技术,解决由于潮滩高程信息的缺失,导致潮滩附近的潮流数值模拟结果不是特别准确。潮流数值模拟已经广泛用于研究海岸、河口物理现象,并且也常用于解决各种海岸、河口水动力问题,如河口整治工程、环境保护工程等。近年来,随着国家许多重大工程都对潮流数值模拟提出了新的问题和要求,根据研究和实际工程的需要,我国潮流数学模型有了较快的发展。与物理模型相比,数值模拟具有经济、快速、修改方便等优点,数值模拟的精确程度,往往不完全由数学模型和数值模拟本身所决定,有时还经常由边界条件,初始条件以及选用参数等因素的处理是否合适所控制。卫星遥感数据具备大面积、快速、同步观测的优势,能够弥补传统地貌调查方法的不足,近年来卫星遥感在海岸带的应用越来越多,国内也有很多学者通过海岸带卫星遥感技术对淤泥质潮滩的海岸线变迁、沉积物类型、地貌发育、冲淤变化等方面进行了研究。尤其在长江口、黄河口、苏北浅滩、渤海湾等地区的研究较多。本文通过对渤海湾西南部淤泥质潮滩高程进行卫星遥感反演,并将反演结果应用到潮流数值模拟当中,取得较好的效果,这对潮滩上的泥沙输运以及冲淤演变等方面的研究也具有重要的参考价值。1研究区地理位置渤海湾是中国渤海三大海湾之一,是位于渤海西南部的一个半封闭的海湾,其海岸是我国典型的淤泥质海岸带。研究区地理位置如图1所示。黄河、滦河、海河等多条河流为渤海湾带来了丰富的泥沙来源,该地区的淤泥质潮滩宽广平坦,岸线平直,地貌类型简单。在做该海域的潮流、泥沙等数值模拟时,如此大范围的潮滩高程数据很难通过实地测量获得。2研究区域内朝滩高度遥感的反演2.1潮滩的高程插值淤泥质潮滩高程遥感反演的核心是利用卫星遥感影像上的水陆分界线(即水边线)对潮滩高程的指示作用,作者假设在小区域范围内的水边线可以认为是一条等高线,由于水边线是随潮位的升降而处于动态变化中,因此只要获得不同时间水边线对应的潮位值,那么潮滩的地形也就可以通过对已有水边线进行高程插值获得。因此,这是具有可操作性的潮滩高程遥感反演方法。利用海岸带卫星遥感技术对潮滩高程进行反演的技术流程如图2所示。2.2遥感影像的校正和成像本文所使用到的卫星遥感影像资料为美国陆地卫星LANDSAT系列TM数据,该类遥感影像具有资料丰富,跨越时间较长,研究成果较多,成本较低等特点。本文主要选取研究区内2006年的3幅卫星遥感影像作为应用数据源进行潮滩高程遥感反演,所用到的卫星遥感影像资料见表1。在对遥感影像进行水边线提取之前,需要做以下几个方面的预处理:(1)几何精校正。通过野外实地测量和从大比例尺地形图上采集特殊点的方法选取了一定数量的地面控制点,这些地面控制点均匀的分布在整个研究区域内,控制点一般选用典型地物、人工建筑物或人工海岸的拐角。然后采用imagetomap的校正方式将2006年9月23日的影像校正到0.5个像元精度内,再将已经精确校正好的遥感影像为基准,采用imagetoimage的校正方式,对研究区其它的遥感影像做几何精校正。通过几何精校正,使不同时相的遥感影像基本达到完全吻合,确保消除不同时相影像之间由于像元错位所引起的虚假变化信息,满足本次研究的精度要求。(2)投影转换。直接获得的卫星遥感影像一般为WGS84坐标系下UTM投影,而我国常用的地图投影方式为墨卡托投影和高斯-克吕格投影,坐标系统多为北京54和西安80坐标系。本文通过投影变换将所有卫星遥感影像转换为北京54坐标系下高斯-克吕格投影,在ENVI4.8平台可以通过投影设置,对卫星遥感影像进行重采样来实现。(3)波段组合。对TM遥感影像主要采用4、5、3(R、G、B)的波段组合方式。该波段组合利用了1个红波段、2个红外波段,凡是与水有关的地物在图像中都会比较清楚,强调显示水体,特别是水体边界很清晰,便于水边线的信息提取。2.3残余水体的提取研究区潮滩多为粉沙淤泥质,且潮滩滩面平坦宽广,水边线附近水体有时含沙量较大,含沙量的增加会导致反射率提高,使光谱曲线发生变化,落潮时在平坦宽广的滩面上往往存有大量的残余水体,高浓度的悬浮泥沙和残余水体往往会给水边线的提取带来一定的干扰。对渤海湾不同时期潮滩水边线的提取,本文采用了遥感分类与目视解译相结合的方式。通过对遥感影像进行几何校正、辐射校正和掩模处理等预处理后,在ENVI平台下,利用非监督分类和监督分类的方法进行水边线解译提取,最终将分类结果归为潮滩和海水两大类,然后将分类结果转换为矢量文件,导出dxf格式利用AutoCAD软件对矢量数据进行比对分析,对分类结果存在一定偏差的地方予以修正,直到得出较为可靠的水边线解译结果。水边线的解译提取如图3所示。2.4潮位资料分析研究区选取黄骅港潮位站的潮位信息作为确定水边线高程值的依据,该站潮位资料通过2006年《潮汐表》获得,该站为长期潮位观测和预报站位,潮位资料可信度较高,精度基本可以满足本次研究的需要。通过水边线高程遥感反演方法获得的2006年渤海湾西南部潮滩高程结果见图4。2.5水边线高程剖面对比利用2004年对套尔河河口西侧潮滩进行的实地测量高程数据,通过对研究区实测高程数据与遥感反演得到的高程数据进行对比来验证潮滩高程反演的准确程度,实测高程与反演高程对比结果如图5所示。本文选取了2个高程剖面(L1和L2)做了进一步的比较,通过对比发现,利用水边线高程遥感反演得到的结果能够准确反映出潮滩高程的变化趋势,但结果存在一定的误差,反演潮滩高程要比实测高程略低,误差范围主要集中在10～30cm之间,这个误差可能是由于潮位误差和遥感影像的解译精度较低造成的。通过此种方法获得的潮滩高程数据与实测高程存在一定的误差,不能完全替代测量数据,但是完全可以应用在潮流数值模拟中,既可以反映潮滩高程的变化趋势,又对潮滩高程精度的要求相对不高。3海洋防洪工程模拟软件本文对渤海湾西南部海域潮流数值模拟采用的是丹麦水力学研究所研制的MIKE21数值计算与分析软件,该软件是国际上比较成熟的数值模拟工具,已经在海洋、海岸和河口地区得到了广泛的应用。模型采用非结构三角形网格,利用标准Galerkin有限元法进行水平空间离散,在时间上采用显式迎风差分格式离散动量方程与输运方程,本文模拟了研究区M2、S2、K1和O14个主要分潮。3.1模型高程分带与时间步长海岸线数据是利用对2006年卫星遥感影像解译所获得的海岸线。水深数据主要来自海图以及海湾临港工业建设中实测的水深,在水深处理过程中将所有水深均转化到以平均海平面为基准。另外,潮滩的高程数据是根据前面利用水边线高程遥感反演所获得的结果。模型计算时间步长可以根据CFL条件进行动态调整,本次数值模拟的最小时间步长设为0.3s,能够确保模型计算稳定运行。模型底床糙率通过曼宁系数进行控制,本次数值模拟的曼宁系数取值在0.3～0.45m1/3/s之间。3.2确认了朝庆和朝庆(1)对潮汐位置的验证为了检测数值模拟结果的可靠性和真实性,本文利用黄骅港潮位站的潮位资料,对模拟结果进行了潮位验证。潮位验证曲线如图6所示。(2)流观测点位置利用研究区内2006年7月11～12日的2个海流观测点对潮流模拟结果进行了验证,潮流观测点位置见图1。本文将实测海流资料经调和分析后,选用M2、S2、K1和O14个分潮的调和常数预报出与模拟时间相对应的潮流,对潮流模拟结果进行验证,潮流验证曲线如图7所示。从潮位和潮流验证结果可以看出,模拟结果基本能够准确反映出研究区的潮流特点。3.3潮滩的流速图7所示分别为研究区高、低潮时刻潮流场图,从图上可以看出,研究区潮流高、低潮时刻流速均较小,一般小于0.4m/s,高潮时刻潮滩被海水淹没,潮流以很小的速度向岸流动,低潮时刻大面积的潮滩漏出水面,潮滩滩面宽广。潮滩上潮流场分布与潮滩高程具有良好的对应关系,潮流动边界效果良好,能够较为真实的反映出潮滩上的潮流特点。4潮滩水边线高程遥感反演的误差本文所采用的卫星遥感影像资料主要为LANDSAT系列中分辨率卫星遥感影像资料,而目前高分辨率遥感卫星应用也越来越广,如SPOT5,IKONOS,QuickBird等商用卫星,但他们却存在资料相对缺乏、成本较高等不足。倘若有更为详尽、系统的高分辨率遥感影像,水边线的提取精度必将有所提高,潮滩高程遥感反演结果将更为准确。利用多时相卫星遥感影像对淤泥质潮滩高程进行反演,能够弥补传统潮滩测量的一些不足,但是反演结果存在一定误差。通过潮滩水边线高程遥感反演所获得的潮滩高程的精度主要取决于3个方面,一是卫星成像时瞬时水边线所对应的潮位值的精度,二是对卫星遥感影像水边线位置的解译精度,三是水边线的疏密程度。理论上讲,通过潮滩水边线高程遥感反演可以非常准确的确定出潮滩的高程,然而鉴于以上误差不可避免,以及资料的连续性和同步性等原因,潮滩高程遥感反演可以很好的反映出潮滩地形趋势及地貌特征,但完全消除高程误差值是不可能的。此种方法获得的潮滩高程数据用于潮流数值模拟尚可,但还不足以完全替代实测数据。5潮滩上潮流场分布本文利用海岸带卫星遥感水边线高程反演技术,对渤海湾西南部的潮滩高程进行了反演,结果能够准确反映出潮滩高程的变化趋势。通过将获得的潮滩高程信息应用在研究区潮流数值模拟中,发现潮滩上潮流场分布与潮