輻射沙脊群海域地貌骨征線遙感解譯探討

張 潔，丁賢榮，葛小平，潘 進

（1.河海大學 水文與水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

地貌骨征線是指能反映地貌單元骨架地形特征的線形標志，是研究地貌空間結構、構造的重要依據，它不僅體現了各個地貌單元的空間總體特征和動力地貌屬性，還建立了地貌時空演變的參考系。輻射沙脊群的地貌骨征線包括正地貌的沙脊線和負地貌的溝槽線2類。

隨著遙感應用研究的發展和深入，遙感技術應用于輻射沙脊群研究，利用地貌骨征線進行遙感演變分析也逐漸增多。丁賢榮等[1]利用二分水線演變來分析條子泥演變規律；康彥彥[2]利用遙感影像提取基本地貌特征線，確定潮水溝、分水灘脊線的二維平面位置，對潮水溝、分水灘脊線三維建模，利用三維信息插值模擬納潮盆地地形；陳君等[3-5]利用地貌特征線對輻射沙脊群東沙、條子泥潮溝系統穩定性及輻射沙洲區域動態變化展開研究。傳統地貌骨征線是通過對遙感影像的處理和研究者專家知識的積累進行提取，地貌特性的正確構建存在困難，且缺乏理論上的依據，地貌骨征線的唯一性得不到保證。

本文主要利用遙感影像光譜值與實測地形的相關性選取敏感因子，提取輻射等值線，利用其反映的水下地形特征來提取地貌骨征線，并結合地貌規律和歷史地形地貌資料對骨征線進行檢驗。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

輻射沙脊群分布于江蘇中部海岸，自射陽河口向南到長江口的蒿枝港[6]，整個沙脊以弶港為頂點，呈褶扇狀向海輻射，脊槽相間分布[7]。該地區水動力條件復雜，水下地形多變，潮汐通道眾多，水文資料匱乏。傳統的隨船定點調查的方式十分困難，且只能獲取在時間、空間分布上離散的少量點的數據。遙感技術具有實時、連續、快速、高效的對地觀測特點，借助其進行解譯，快速提取水下地形信息，有助于研究輻射沙脊群動力地貌過程，為開發利用該區的土地資源、港口資源、風電資源、特色旅游資源和其他資源等提供必要的技術支撐。

研究區選擇在廢黃河口以南至長江口以北的江蘇海域，包含了整個輻射沙脊群海域。

1.2 數 據

遙感影像數據采用2012-04-26成像的HJ1_A星CCD2數據，影像數據質量較好，成像時天氣晴朗，研究區無云層覆蓋，水流清晰，水體信息豐富且層次感強，沙脊和潮溝分界明顯。對遙感影像進行幾何校正、水陸分離等預處理得到需要的研究區影像。

地形資料包括歷史海圖和實測地形資料，實測地形資料為2009年輻射沙脊群部分的實測水深數據，對地形資料進行幾何校正和高程基準統一處理。

2 研究方法

本文基于同相水深-輻射關系率定原理[8]，利用輻射等值線提取輻射沙脊群區域的地貌骨征線，旨在尋求地貌骨征線提取的理論依據。技術路線如圖1。

2.1 敏感因子選取

不同波段及波段組合對水下地形的敏感程度明顯不同。為了選取最佳的地形敏感因子，本文對實測地形（麻菜珩與外磕角之間海域的542個實測點）與同時期影像各波段及波段組合進行相關性分析。表1為各波段與地形的相關性分析結果。通過表1可以看出，Band1～Band4相關系數逐漸增大，Band4達到最大，相關性最好。

圖1 技術路線圖

表1 地形與HJ影像各波段相關性

對HJ星影像4個單波段進行組合運算，與實測地形數據進行相關性分析。通過表2可以看出，B3+B4波段相關系數最高為0.698 6，其次是B1/B4、B1-B4和B2/B4，說明它們與水下地形的相關性較好，對地形高程值的變化較敏感。

表2 地形與HJ影像各波段組合相關性

2.2 地形修正模型

由于本文研究的HJ星影像和實測地形數據未進行過同步或準同步的水文泥沙測驗，無法直接進行相關性分析，因此直接引用MODIS影像選取的懸沙敏感因子，將波段組合B3-B2、B3/B2和(B3-B2)/ (B3+B2)作為基于HJ星影像的懸沙敏感因子[9]來建立地形修正模型：

式中，A表示地形敏感因子；B表示懸沙敏感因子標準化值；C表示修正后地形敏感因子；α為修正系數。設定修正系數α分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8和1，并將懸沙敏感因子進行Min-Max標準化處理，將其轉換為無量綱化的指標測評值代入修正模型進行計算（結果如表3），發現地形與修正后地形敏感因子的相關系數最大增幅為0.005 5，地形修正效果極不明顯，因而直接選相關系數最大的B3+B4作為最佳地形敏感因子。

表3 地形與修正后地形敏感因子相關性

2.3 輻射等值線

經過研究區裁剪、水陸分離和地形敏感因子運算后，遙感圖像的像元集中于一個很窄的光譜范圍內，降低了人眼對光譜差異的分辨能力。因而，需要對敏感因子B3+B4進行拉伸處理，增大圖像的水體光譜差異，增強不同深度水體的層次感。同時對影像進行卷積增強處理，削弱噪聲對水深信息的干擾，突出圖像中的水深信息。增強處理后的影像水下地形的直觀性提高，水體輻射的等值分布得到改善，遙感影像呈現地形等高線的效果

增強處理后的影像反映水體輻射的等值差異，對處理后圖像進行柵格矢量化，提取輻射等值線如圖2所示。

圖2 水下地形輻射等值線分布

由于研究區水動力條件復雜多變，懸沙泥沙分布不均，受懸沙后向散射影響不一，傳感器成像時同物異譜和同譜異現象突出，懸沙高值區易被判讀為淺水區，沙洲附近靜水區易被判讀為深水區。圖像增強處理過程中，也削弱了部分水深信息，因而必須對輻射等值線進行合理性檢驗。檢驗過程中依據等深線特點、地形地貌規律和多時相遙感影像對輻射等值線進行制圖綜合，以恢復地形本相。

2.4 地貌骨征線提取

地貌骨征線的確定包括正地貌的沙脊線和負地貌的溝槽線的確定。傳統的地貌骨征線提取辦法是結合已有的地形資料和歷史海圖，在明確沙洲平面形態分布的基礎上，沿沙洲長軸方向勾畫水道最低點、沙脊最高點和兩邊邊界點的連線，即為深槽線和沙脊線。

正地貌的沙脊線主要包括沙脊脊線和沙洲脊線，沙脊脊線也稱二分水線[10]，是潮流沙脊2側潮汐水道的交匯點的連線；沙洲脊線是長軸方向地形最高點的連線。負地貌的深槽線主要是指潮汐水道深槽線，是潮汐水道內部相對較深或最深處的連線。輻射等值線具有地形等高線的視覺效果，可以顯現出水下沙洲、沙脊、深槽的平面形態分布和相對水深差異。穿過輻射等值線最高值區長軸方向的連線為沙洲脊線，如圖3所示。穿過輻射等值線最低值區或相對低值區長軸方向的連線為深槽線。通過該方法提取整個研究區的地貌骨征線，如圖4所示。

圖3 基于輻射等值線的地貌骨征線提取

圖4 輻射沙脊群地貌骨征線

3 檢驗與驗證

3.1 合理性檢驗

合理性檢驗是根據地貌規律的檢驗，主要是根據動力地貌體系的完整性、地貌單元的連續性與完整性、地貌單元之間的空間合理性和地貌類型之間的邏輯合理性等進行檢驗，如2條脊線之間必有一條槽線，2條槽線之間必有一條脊線等。合理性檢驗的基本原則是主要地貌特征合理，避免地貌骨征線提取結果出現某些原則性、概念性錯誤。本文在提取輻射沙脊群地貌骨征線的過程中，充分兼顧地貌規律，邊提取邊檢驗。經多次檢驗后認為，地貌骨征線提取結果沒有明顯的原則性錯誤，其分布規律是比較合理的。

3.2 對比驗證

對比驗證主要是依據同一研究區的地貌圖、地形圖、沉積圖和動力圖等進行對比分析，發現地貌骨征線提取結果的局部細節性變化或錯誤。輻射沙脊群水動力條件復雜，沖淤多變，實測地形資料匱乏，因此本文主要依據歷史海圖和2009年實測地形數據（高程數據）對利用輻射等值線提取的地貌骨征線進行驗證。但因輻射沙脊群沖淤多變，遙感影像與實測地形有一定時間間隔，局部地區不穩定，沙脊、潮汐水道會發生不同程度的擺動，地貌骨征線也會隨之發生變化。從地形角度驗證沙脊線和潮汐水道深槽線提取結果基本上符合實測地形，如圖5所示。

圖5 地貌骨征線的地形驗證

4 結 語

地貌骨征線遙感演變分析法是對遙感疊置分析法的深化，利用地貌骨征線構建實際地物中穩定、能代表地物標識的相對固定的特征點與遙感影像之間的橋梁，增加遙感方法的可信度。利用輻射等值線提取地貌骨征線，建立了輻射沙脊群地貌骨征線與遙感影像的一一對應關系，使地貌骨征線以特別的方式在遙感影像上形象化、直觀化。該方法使地貌骨征線的提取具有理論上的合理性與可視化的操作性，克服了傳統意義上依靠歷史地形資料勾畫地貌骨征線的局限性和依據專家經驗勾畫地貌骨征線的不確定性，對于缺乏實測數據的海區，也可以準確、快速、有效地提取地貌骨征線。

利用輻射等值線提取地貌骨征線在操作過程中對遙感影像質量要求較高（無云、低潮、息流、水體信息豐富且層次感較強的影像才能夠提取能反映水下地形特征的輻射等值線）。對于受懸沙影響較大的海域，傳感器成像時同物異譜和同譜異物現象突出，需要對輻射等值線進行合理性檢驗和制圖綜合。

[1]丁賢榮,康彥彥.輻射沙脊群條子泥動力地貌演變遙感分析[J].河海大學學報,2011,39(2):231-236

[2]康彥彥.基于納潮盆地地貌特征線的潮灘地形模擬研究[D].南京：河海大學,2011

[3]陳君,王義剛.江蘇岸外輻射沙脊群東沙穩定性研究[J].海洋工程,2007,25(1):102-110

[4]陳君,馮衛兵,張忍順.蘇北岸外條子泥沙洲潮溝系統的穩定性研究[J].地理科學, 2004, 24(1): 94-100

[5]陳君,張忍順.江蘇岸外輻射沙洲區域動態變化的遙感研究進展[J].海洋科學,2004,28(2):77-80

[6]張長寬.江蘇近海海洋綜合調查與評價專項總報告[M].北京：科學出版社, 2012

[7]王穎.黃海陸架輻射沙脊群[M].北京:中國環境科學出版社,2002

[8]丁賢榮, 張鷹, 王文.同相水深—輻射關系率定[J].河海大學學報, 1998, 26(6):73-76

[9]潘進,丁賢榮,康彥彥.輻射沙脊群海域懸沙場遙感反演方法[J].地理空間信息， 2013,11(2):82-88

[10]張忍順,陳才俊.江蘇岸外沙洲演變與條子泥并陸前景研究[M].北京:海洋出版社,1992

[11]宋召軍, 黃海軍, 王珍巖.蘇北潮灘的近期變化分析[J].海洋科學, 2008(6): 25-29

[12]王珍巖.淤泥質潮灘地貌的遙感研究——以蘇北輻射沙洲海岸為例[D].北京：中國科學院,2006

[13]朱大奎.江蘇岸外沙脊群西洋水道的穩定性研究[J].海洋通報,1994,13(5):36-43

[14]尤坤元,朱大奎,王雪瑜，等.蘇北岸外輻射沙洲王港西洋潮流通道穩定性研究[J].地理研究,1998,17(3):10-16