基于遙感影像和中軸線法的小廟洪水道演變分析

顧 燕，張 鷹，龔明劼

(1.南京郵電大學地理與生物信息學院，江蘇南京 210023;2.南京師范大學地理科學學院，江蘇南京210023;3.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

江蘇中部近岸淺海區存在呈輻射狀分布的一系列水下沙脊，稱為輻射沙脊群，它們基本上以弶港為中心，自北向南由東沙、竹根沙、蔣家沙、冷家沙、條子泥等大型沙洲組成，岸灘輻射狀潮汐水道極為發育，主要的潮流通道有:西洋(西洋西通道及西洋東通道)、小夾槽、小北槽、大北槽、陳家塢槽、草米樹洋、苦水洋、黃沙洋、爛沙洋(大洪、小洪)、網倉洪、小廟洪等11 條［1-2］。在2009年6月江蘇近海海洋綜合調查與評價(簡稱“江蘇908 專項”)即將完成時，國務院批準了《江蘇沿海地區發展規劃》，江蘇開始建設“海上蘇東”，進行灘涂圍墾與港口建設，呂四港是輻射沙脊群港口之一，具有較大發展潛力，了解其周圍潮汐水道的變化情況對呂四港建設有重要意義。呂四港所處小廟洪水道位于呂四岸外5 km，該水道位于輻射沙脊群南側，是距岸最近的潮流通道，小廟洪水道的演變情況會對自然和社會帶來較深的影響，直接影響到呂四港的建設(圖1)。

圖1 小廟洪區域圖(底圖為1979年MSS 影像)Fig.1 Research area of Xiaomiaohong creek (the image is MSS of 1979)

潮汐水道是開敞海域的潮汐分叉，潮水及其荷載的潮能等隨著潮汐的變化周期性地進出深入陸地的納潮區［3］。作為一種特殊的海岸地貌體，潮汐水道一直以來都是國內外海岸開發的重點，是港口、航道等建設研究的課題。由于其開口較小，沖淤變化強烈、水動力復雜，因而其發展演化具有獨特的規律和特征［4］。國外對潮汐水道演變的研究主要集中在地質地貌和沉積動力兩個方向，把航空、遙感技術用于對潮汐水道的潮流、波浪以及水質等方面的研究［5-9］。在國內，喻國華、陸培東［10］從港口建設的角度，在輻射沙洲區潮汐通道、沙洲—水道系統的穩定性等方面進行了大量的研究工作;謝東風等［11］從數學模型的角度，建立了潮汐水道發育演變至均衡態的長時間尺度模型，探討了潮汐水道演變過程中的控制因素。

針對潮汐水道的演變研究，實測數據、長時間序列的水下地形圖是進行演變分析的必備數據資料，而實測水深數據往往要耗費大量的人力物力，且測量范圍有限，受自然影響大。因此水道分析在缺乏實測數據的情況下難以實現。隨著遙感技術的發展，衛星影像覆蓋面廣、獲取方便、時間選擇靈活、費用低等優點，足以彌補常規調查手段的困難與不足之處。因此，遙感技術為潮汐水道的動態演變研究提供了技術手段，并顯示出強大的優勢。許多學者基于遙感技術對不同海區的潮汐水道演變進行了大量研究，傳統的疊合分析方法總體來說用的較為廣泛，其方法是疊合不同時相的潮汐水道衛星影像解譯圖，通過比較水道兩側輪廓的變化分析其變化趨勢［12-14］。

通常在河道的研究中，研究者常常通過繪制河道的中泓線或者深泓線來反映河道的多年演變情況，進而對其加以計算并預測河道變遷的趨勢。這種方法不僅適用于河道研究、同時也適用于輻射沙洲潮汐水道演變研究。黃海軍等［15-17］利用實測資料得到南黃海輻射沙洲區主要潮溝的深泓線位置圖，并對不同時期的位置圖進行疊加對比潮溝深泓線的遷移。中泓線是河道各橫斷面表面最大流速點的連線，深泓線是河道各橫斷面深度最深的連線，兩者都是建立在實測斷面獲取流速和水深數據的基礎上生成的，而從遙感影像上獲取中泓線和深泓線是十分復雜困難的過程，中軸線的生成則相對簡便。

多邊形的中軸線是幾何學的基本問題，可以反映多邊形的形狀特征，在GIS 空間分析中有重要作用。將研究較為廣泛的中軸線概念與遙感方法相結合，從平面角度將水道作為面狀要素，提取不同時期的水道中軸線以實現動態演變分析，對潮汐水道動態演變進行快速、準確的監測。以往的研究中［18］僅僅提出利用中軸線代替深泓線，但是從未有學者探討過兩者之間的偏差是由哪些因素造成的。基于實測地形和遙感影像，首先提出影響偏差的影響要素，然后結合疊加分析方法定量計算出該偏差與各要素之間關系。將中軸線法應用于小廟洪區域獲得小廟洪水道演變情況，從而為港口工程建設提供周邊地形變化情況。

1 小廟洪水道研究區與數據介紹

1.1 研究區

小廟洪水道是輻射沙洲區有代表性的一條潮汐水道，也是距岸最近的一條深槽，目前總的特征是水道走向與呂四海堤基本平行，呈NWW-SEE 向，深槽0 m 線距海堤3.5 ～6.0 km 不等。水道長約38 km，口門寬15 km，水道中段寬4.5 km，尾部在如東淺灘消失。水道內有一系列水下沙洲，其中口門處兩條線以上的沙洲把口門分成北水道、中水道和南水道［10］。

1.2 數據獲取與處理方法

為分析小廟洪水道歷年來的移動、變遷情況，收集了1979年MSS 影像1 景，1987 ～2009年的TM 影像6景，各時相影像均為低潮位或接近低潮位，云量極少，岸線清晰。影像具體參數見表1。為了分析中軸線與深泓線的關系，收集了2003年小廟洪地區實測地形圖。

表1 小廟洪區域遙感影像Tab.1 The images of Xiaomioahong creek

對影像選擇高斯-克呂格21 度帶(GK Zone 21)投影，WGS-84 坐標系統，然后選取圖像上清晰可辨且不易變動的地物作為控制點，進行圖像-地面控制點配準。對影像采用統一的23 個地面控制點和二次多項式函數來校正，并統一選用最臨近的重采樣方法，校正的均方根誤差(RMS)均小于0.3 個像元。之所以選擇相同的控制點和重采樣方法對每景影像幾何校正，是因為這樣可以使各景影像的幾何校正誤差相近，以便于后續的中軸線疊加分析。

2 遙感中軸線法

遙感中軸線法的特點是從平面的角度研究地物特征，因此將潮汐水道作為面狀要素，引入數學中的中軸線概念，提取不同時期的潮汐水道中軸線來實現動態演變分析，這是與傳統實測方法的最大區別，也是其獨特之處。

2.1 中軸線概念

多邊形中軸也叫多邊形的對稱軸、骨架線，或多邊形的中線。因為多邊形的中軸捕捉到了平面形體最本質的幾何特征，可方便地代表形體的構成方式，用于形體的描述和特征識別。多邊形的中軸線上各點與多邊形中不同邊(或多邊形邊的延長線)兩個或兩個以上點距離相等［19-20］。

文中探討的潮汐水道從平面角度看是凸多邊形，沒有涉及到邊的延長線，因此中軸線就是到多邊形兩個或兩個以上的基本元素(頂點和邊)距離相等的點的軌跡。結合遙感手段，利用中軸線可以從平面直觀地得到潮汐水道的軌跡及幾何輪廓，將面元素轉變成線元素，通過線元素的變化掌握潮汐水道的擺動情況，實現空間分析。

中軸線主要采用垂線族法［21］和柵格形態變換法［22］兩種傳統方法以及基于矢量數據的利用約束Delaunay 三角網/Voronoi 圖法。此外，還有基于ArcGIS 軟件的中軸線提取方法［24-25］:運用ArcScan 模塊的自動矢量化功能，提取遙感影像中水域的中軸信息，得到其矢量化數據，從而進行空間統計與分析。可見，利用矢量化軟件提取中軸線不失為一種快捷、簡便的方法。在了解中軸線提取的基本思想及其本質的基礎上，從數據格式、操作及實用等角度綜合考慮，最終選用ArcScan 模塊來提取小廟洪潮汐水道中軸線。

2.2 中軸線生成方法

中軸線生成方法主要包括水陸分離和提取中軸線兩部分。

2.2.1 水陸分離

將潮汐水道作為面狀要素提取中軸線，首先要將潮汐水道從影像中分離出來。目前遙感影像水體提取方法有很多種，其中閾值法是比較常用的一種。根據TM5 良好的水陸對比性，采用閾值分割進行水陸分離。以1995年影像為例，取水陸交界處任意斷面，觀察TM5 波段影像DN 值的變化(圖2(a))，發現5 波段水體閾值為25，因此選取25 作為水陸分界的閾值，建立掩膜，將水體與陸地分離開來。

2.2.2 提取中軸線

首先，將用于水陸分離的掩模文件(圖2(b))，即生成的0，1 二值化影像圖重采樣，用以適應ArcScan 最大線寬的設置。重采樣的像元大小的設置很關鍵，需要根據對象的尺寸設置合理的像元大小。設置過大不但會影響影像的細節，比如較細的潮汐水道在重采樣間隔過大的情況下會產生丟失現象，設置偏小會出現在潮汐水道較寬的區域無法生成中軸線。

然后，將重采樣后的二值影像導入到ArcGIS 中后加載ArcScan 模塊，再加入新建的shp 線文件，使之處于編輯狀態下，激活ArcScan 模塊。使用Vectorization 功能，選擇Vectorization Setting 進行屬性值設置。最大線寬設置值域為0 ～100，這里根據重采樣的大小確定最大線寬，通常將其設為最大值100。在Options 里將要提取的部分設置成前景色，另一種為背景色。這些設置完成后，即可對圖像進行矢量化提取。

最后，將提取結果中較細的分支去除，并對照影像去除延伸到岸灘的多余分支，得到小廟洪潮汐水道的中軸主軸線。提取的結果是每條中軸線由若干條細小的線段組成，將它們合并，并做平滑處理，得到最終結果(圖2(c))。

圖2 小廟洪中軸線提取過程(1995年)Fig.2 Extraction process of axis line in Xiaomiaohong creek (1995)

2.3 中軸線分析

為分析中軸線與深泓線之間的偏差，基于實測地形和遙感影像，首先提出影響偏差的影響要素，然后結合疊加分析方法定量計算出該偏差與各要素之間關系。

將2003年中軸線與2003年小廟洪地區地形圖疊加(圖3(a))，可見中軸線走勢與深槽走勢相似。為進一步分析中軸線與深槽的關系，選擇3 個剖面進行分析，剖面1 與中軸線相交于A、B 兩點，剖面2、3 分別相交于C、D 點。圖3(b)中，剖面1 有兩個以上的深槽，中軸線表示為兩條分叉線，其中A 點與深槽符合較好，B 點也處于另一個深槽中，但是比最深點往北偏。圖3(c)、3(d)中，剖面2、3 都只有一個深槽，交點C、D 同樣位于深槽中，但是位置也往北偏移。當潮汐水道兩岸坡度大致相同時，中軸線與深泓線匹配較好，如A點;當潮汐水道兩岸坡度不一致時，中軸線往坡度較緩的一方偏移，C、D 點的偏移正是如此。小廟洪潮汐水道在剖面2、3 處往南彎曲，造成南岸沖刷北岸堆積，從而南坡陡北坡緩，這一點從剖面圖上也可以看出，因而C、D 點往北偏移，而且D 北偏距離比C 大，這是因為剖面3 的南北坡度相差更大。

對2003年實測地形與中軸線疊加分析可得:中軸線的走勢與潮汐水道深槽走勢相似，可以用來代表潮汐水道的走勢情況，但是中軸線與具體的潮汐水道深泓線還有一定的偏移，造成偏移的原因是潮汐水道兩岸坡度不一，坡度相差越大，偏移范圍越大。

進一步研究中軸線與深泓線的偏差Δx，該偏差與研究區潮汐水道剖面形態相關。當剖面形態為對稱U型時，Δx =0;當潮汐水道形態為不對稱U 型，Δx 與潮汐水道兩岸坡角α1、α2以及該剖面最大水深h 相關，h的大小與潮位有直接的關系，即潮位越高h 越大，潮位越低h 越小。

圖4 給出了呈不對稱U 型的潮汐水道剖面。假設α1＞α2，α1是潮汐水道陡坡的坡角，α2是潮汐水道緩坡的坡角，G 為中軸線與該剖面交點，G'為深泓線與剖面交點。那么中軸線偏向緩坡一側。

而由三角函數可求得:

由式(2)和式(3)可得:

可見，影響中軸線與深泓線偏移的主要因素:h 為剖面最大水深，h 與潮位呈正相關關系;α1和α2為剖面坡角。它們之間的關系可以用式(4)表示。

圖3 中軸線剖面分析Fig.3 Analysis of axis lines

圖4 中軸線與深泓線偏移分析示意Fig.4 Analysis of offset between axis lines and thalweg

3 研究結果與分析

通過以上方法分別繪出7 個時期的小廟洪水道中軸線。水道中軸線的情況:整個水道呈NWW-SEE 走向，頭部分支較多，呈爪狀，主要為潮灘集水，中部有新開河港水道匯入，尾部有較大擺動。

為了更清楚地對小廟洪水道進行分析，將其中軸線劃分為上、中、下3 段，上、中段的分界線為121°25'36″E;中、下段的分界線為121°34 '10″E，如圖5。上段主要為小廟洪水道頭部分支密集處，該段變化可以反映出小廟洪水道閘外匯水道的變化，中段考慮了新開河港的入水情況。

3.1 小廟洪水道上段中軸線變化

小廟洪水道中軸線上段在121°25'36″E 以西(圖6)，1979 ～2009年間變化如下:

1)上段中軸線的長度變化。上段中軸線的整體變化趨勢是變長的，1989年略有縮短。從1979年到2009年增加近50%。但是中軸線起點的變化卻非常微弱，說明上段中軸線的彎曲度增加。

2)上段中軸線的主線擺動情況。以121°24'57″E 為界，該線以西，中軸線往北擺動，最大值為724 m，該線以東，中軸線往南擺動，最大值達860 m。整個主線的走勢除1979年以外，其余5年走勢基本相同。

3)上段中軸線分支變化。從分支分布來看，小廟洪水道上段中軸線的分支大部分分布在主線以北;從數量上看，1979 ～1989年是分支的發展增長階段，從1979年的2 個分支到1987年的4 個，1989年時達到頂點，共有5 個分支，1989年后分支數量迅速減少，到1995年后只剩1 個;從分支長度來看，同樣1989年是長度最長的年份，各分支長度都在3 000 m 左右，1993年時各分支長度就明顯減少至1 000 m 左右。

圖5 小廟洪1979 ～2009年中軸線變化示意Fig.5 Changes of axis lines in Xiaomiaohong from 1979 to 2009

圖6 中軸線上段變化示意Fig.6 The change of upper section of axis line

3.2 小廟洪水道中段中軸線變化

小廟洪水道中段中軸線在121°25'36″E 到121°34'10″E 之間(圖7)，1979 ～2009年間變化如下:

1)中段中軸線的長度變化。整體變化范圍不大，控制在14 200 m 左右，說明中段中軸線的彎曲度變化不大。

2)中段中軸線的主線擺動情況。1979 ～2003年間中段中軸線以121°27'26″E 為界，該線以西，中軸線往南擺動，最大值為1 150 m，擺動幅度最大出現在1979 ～1987年時間段;該線以東，中軸線往北擺動，最大值在500 m 左右。整個主線的走勢除1979年以外，其余5年走勢基本相同。

3)中段中軸線分支變化。1987年開始在中段中軸線以南出現分支。從分支的入主線點來看，從1987年開始匯入點往下游移動，1987 ～1989年移動幅度最大達1 500 m，1993年后又開始往上游移動;從分支的長度看，1987 ～1993年分支增長到最大值，之后開始縮短;從分支的擺動來看，以121°28'5″E 為界，以西擺動較小，以東往東南向擺動，最大幅度600 m。

3.3 小廟洪水道下段中軸線變化

小廟洪水道下段中軸線在121°34'10″E 之東，1979 ～2009年間小廟洪水道下段中軸線的擺動情況:擺動范圍在32°9'15″N 和32°8'16″N 之間，1979年主線在最北端，1989年到達最南端，之后在這兩者之間擺動(圖8)。

從小廟洪水道分支的變化情況可以看出小廟洪水道的上段起始處處于淤長狀態，分支逐漸減少。而小廟洪水道中部南方出現了新的分支說明在小廟洪水道南部水動力較強。整體來說小廟洪水道在1979 ～2009年期間總長度變化不大，出現了南北的擺動情況，但擺動范圍較小，相對來說整個小廟洪水道中泓比較穩定。

圖7 中軸線中段變化示意Fig.7 The change of middle section of axis line

圖8 中軸線下段變化示意Fig.8 The change of bottom section of axis line

4 結 語

1)通過對中軸線與同年地形數據疊加分析，發現中軸線的走勢與潮汐水道深槽走勢相似，可以用來代表潮汐水道的走勢情況;但是中軸線與具體的潮汐水道深泓線還有一定的偏移，造成偏移的主要因素為潮位和潮汐水道坡角。進行分析計算后得到:偏移量與潮位呈正相關關系，公式中α1＞α2。

2)用遙感中軸線方法對小廟洪水道進行演變分析，通過7 景不同時期的遙感影像獲取小廟洪中軸線，將中軸線分為上、中、下三段分別進行討論，獲得該水道1979 ～2009年間的演變情況:小廟洪水道的上段起始處處于淤長狀態，分支逐漸減少，南部水動力較強，整個小廟洪水道中泓線比較穩定，對呂四港建設影響較小。總的來說，就是整體穩定，南部水動力強導致沖刷發展。

3)在得知造成中軸線偏移的因素后，可以對提取的中軸線進行糾正，以便更好地代表潮汐水道深泓線的走勢，使監測結果更為準確。

志謝:感謝李歡、吳得力對于本文給予的幫助，感謝國際科學數據服務平臺提供的免費遙感影像資料。

［1］王 穎，朱大奎.海岸地貌學［M］.北京:高等教育出版社，1994.

［2］王 穎，薛鴻超，朱大奎.黃海陸架輻射沙脊群［M］.北京:中國環境科學出版社，2001.

［3］張忍順.中國潮汐汊道研究的進展［J］.地球科學進展，1994，9(4):45-49.

［4］邊淑華.基巖海灣潮汐通道動力地貌及其發育演變［D］.上海:華東師范大學，2004.

［5］Stefano L.Long-term evolution and morphodynamic equilibrium of tidal channels［J］.Journal of Geophysical Research，2002，107:1-13.

［6］Himba A，de Vriend H J，Stive M J F.Numerical modeling of shoal pattern formation in well-mixed elongated estuaries［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2003，57:981-991.

［7］Himba A，Schuttelaars H M，de Vriend H J.Initial formation and long-term evolution of channel-shoal patterns［J］.Continental Shelf Research，2004，24:1637-1650.

［8］Schuttelaars H M，Swart H E.An idealized long-term morphodynamic model of a tidal embayment［J］.European Journal of Mechanics (B/Fluids)，1996，15:55-80.

［9］Schrankowski G P，Schuttelaars H M，Swart H E.Non-linear channel-shoal dynamics in long tidal embayments［J］.Ocean Dynamics，2004，54:399-407.

［10］喻國華，陸培東.江蘇呂四小廟洪淹沒性潮汐汊道的穩定性［J］.地理學報，1996，51(2):127-134.

［11］謝東風，高 抒，汪亞平.砂質底質潮汐水道均衡態模擬初探［J］.海洋學報，2006，28(6):86-93.

［12］吳曙亮，蔡則健.江蘇省沿海沙洲及潮汐水道演變的遙感分析［J］.海洋地質動態，2002，18(6):1-5.

［13］龔文平，陳明和，溫曉驥，等.海南陵水新村港潮汐汊道演變及其穩定性分析［J］.熱帶海洋學報，2004，23(4):25-32.

［14］周湘彬，吳碧玉.新村港瀉湖潮汐通道的形成和演變及整治初探［J］.海洋湖沼通報，2008(3):183-190.

［15］黃海軍，李成治.南黃海海底輻射沙洲的現代變遷研究［J］.海洋與湖沼，1998，29(6):640-645.

［16］黃海軍.南黃海輻射沙洲主要潮溝的變遷［J］.海洋地質與第四紀地質，2004，24(2):1-8.

［17］黃海軍，樊 輝.黃河三角洲潮灘潮溝近期變化遙感監測［J］.地理學報，2004，59(5):723-730.

［18］劉燕春，張 鷹.遙感中軸線法在江蘇輻射沙洲潮汐水道演變監測中的應用［J］.海洋科學，2011，35(2):72-76.

［19］胡 鵬，游 漣，楊傳勇，等.地圖代數［M］.武漢:武漢大學出版社，2006.

［20］Francis Chin，Jack Snoeyink，Cao An Wang.Finding the medial axis of a simple polygon in linear time［C］// Proc.6th Ann.Int.Symp.Algorithms and Computation(ISAAC95).1995.

［21］Olson.An algorithm for generating road centerlines from road right-of-way［C］// Proceedings of the 12th International Symposium on Computer-Assisted Cartography.1995:11-12.

［22］Federico Thomas.Generating street center-lines from inaccurate vector city maps［J］.Cartography and Geographic Information Science，1998，25(4):221-230.

［23］黨安榮，賈海峰.ArcGIS8Desktop 地理信息系統應用指南［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［24］吳秀芹，張洪巖，李瑞改，等.ArcGIS9 地理信息系統應用與實踐［M］.北京:清華大學出版社，2007:150-151.

［25］魏士春，金寶石，周葆華，等.基于ArcScan 的遙感影像中水域信息快速提取方法［J］.合肥工業大學學報:自然科學版，2008，31(11):1744-1747.