基于MSS/ETM影像輻射沙脊群沙脊地貌遙感演變分析

金宇豪，丁賢榮，葛小平

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

輻射沙脊群分布于蘇北海岸與黃海內陸架海域，呈輻射狀分布[1]，其海域潮差大、潮流急的復雜的水沙動力條件，脊槽相間、灘寬溝深、沖淤多變的地貌情況，使在輻射沙脊群上使用常規的交通工具和儀器觀測設備進行長期觀測和取樣調查非常困難[2,3]。

遙感技術具有在大空間范圍內實時、連續、準確監測的能力，可以有效補充野外常規調查工作的不足，被廣泛應用于開展輻射沙脊群海域動力地貌過程研究。吳曙亮等對比分析蘇北海岸帶1970 年代以來的Landsat遙感影像，對輻射沙脊群沙洲及潮汐水道的分布和演變進行了研究[4]；劉永學等提出系列遙感影像與海圖疊合法分析輻射沙洲動態變化，以避開對不同時相遙感影像進行潮位校正的難點[5]；張鷹利用遙感方法反演生成輻射沙脊群地形，分析沖淤變化[6,7]；高敏欽等研究基于DEM的南黃海輻射沙脊群沖淤演變[8]。結合前人的研究成果并針對上述問題，本文以輻射沙脊群沙脊地貌特征線為切入點，研究輻射沙脊群動力地貌演變的遙感分析新方法，致力于解決復雜的水沙動力環境所造成的輻射沙脊群動力地貌復雜多變[9,10]、認識困難的問題。

1 研究數據

本文的基礎數據是1973～2011年近40 a的10幅低潮位遙感圖像，以MSS/ETM遙感影像為主要數據源。為研究需要，選取的影像在保證圖像質量良好的情況下，成像時間間隔盡量均勻。根據輻射沙脊群海域漲落潮時間和附近測站的潮位資料來確定大潮低潮位時間，結合衛星過境時間選擇該時間段的數據圖像，以保證所用圖像均處于低潮位狀態下出露寬闊的潮灘，最后從中遴選出沙洲出露面積最大的遙感影像序列，研究區范圍見圖1。

圖1 輻射沙脊群研究區范圍

2 研究方法

本文采用遙感方法分析輻射沙脊群的地貌演變。首先通過遙感影像提取輻射沙脊群的沙脊地貌特征線，在此基礎上分析特征線的演變，進而獲取輻射沙脊群的演變規律。采用沙脊的二分水線演變分析法及沙脊結構分析法，研究沙脊的動態變化狀況，同時采用基于低潮水邊線的沙脊穩定性分析法，分析出露沙脊面的穩定性分布狀況，總結輻射沙脊群的沙脊地貌演變規律，實現技術路線見圖2。

2.1 圖像增強

圖2 技術路線圖

本研究進行影像增強的主要目的是更好地區分輻射沙脊群潮灘和水體，以突出體現沙脊的基本形態，包括走向、邊界，以便人工解譯判別沙脊二分水線。主要采用輻射增強處理中的交互式拉伸法對輻射沙脊群海域遙感影像進行增強處理。交互式拉伸方式有7 種，本文采用其中的線性對比度拉伸來具體處理,見圖3。

圖3 2003年遙感影像增強對比

2.2 二分水線提取

提取沙脊二分水線，是基于本文潮成動力地貌體系理論研究中對水下及潮流沙脊的遙感認識，通過目視解譯進行數字化遙感提取。納潮盆地的邊界線是分水線，因而分屬于兩大競爭流域的下級分支所屬的相鄰納潮盆地的公共邊界線是沙脊的分水線，各個相鄰的公共邊連接成線即形成了沙脊的二分水線[11,12]。

3 沙脊地貌分析

3.1 沙脊主軸結構

本文通過地貌主軸線方位角規律呈現輻射沙脊群沙脊地貌結構，并基于地貌特征線的提取，得到各段特征線權重以及分段方位角，再通過加權平均法，將沙脊主軸分段分權重進行量化分析。通過加權平均法求沙脊角度，將地貌特征線劃分為n段，角度值為θi，確定一組權重w1，w2，…，wn,方位角為：

從表1可以看出，輻射沙脊群沙脊主軸結構呈一定規律，以大豐、如東一帶海岸帶為中心，輻射沙脊群主體沙脊向北、東北、東、東南方向呈輻射狀發散趨勢。其中，輻射沙脊群主體沙脊東沙、麻菜珩向正北方向延伸；毛竹沙和蔣家沙向東南向延伸；腰沙冷家沙和河豚沙向正東方向延伸；顧園沙向東南向延伸勢。

表1 沙脊主軸結構走向

3.2 二分水演變

二分水灘脊是一個重要的海岸動力地貌特征線，輻射沙脊群沙脊演變通過沙脊二分水線的擺動規律來呈現。沙脊二分水線的擺動主要表現為3種方式：持續擺動型、反復穩定型、復雜多變型[13]。

根據1973年以來10期沙脊二分水線疊加分析，可知輻射沙脊群沙脊演變呈現一定規律，輻射沙脊群沙脊以南北分界點為中心軸順時針轉動（圖4）。輻射沙脊群主體沙脊東沙、高泥向遠離海岸方向擺動；條子泥自北向南擺動；麻菜珩和蔣家沙自北向南擺動；毛竹沙和竹根沙根部自南向北擺動，尾部反復擺動，近似于穩定狀態。

圖4 沙脊二分水演變

以其中典型沙脊——東沙為例分析。整體演變規律是自西向東擺動，且北部擺幅小于南部。而局部東北方向沙脊演變規律是西北至東南向擺動，北部擺幅小于南部（圖5）。1973～1992年演變階段，沙脊整體自西向東擺動，北部擺幅低于南部，擺幅從北向南逐漸增加，北部最大擺幅3.2 km，南部最大擺幅3.4 km,可認為是持續性擺動的沙脊。此外，1992～2011年演變階段，東沙演變可分為南北兩段，分界點以北，沙脊自東向西擺動，擺幅較小，最大處為1.5 km；分界點以南，沙脊自西向東擺動，且擺幅從北向南逐漸增加，北部最大擺幅2.7 km，南部可達4.0 km。

圖5 東沙二分水演變

3.3 沙脊群穩定性驗證

輻射沙脊群穩定性分析采用多時相遙感與空間疊置分析相結合的方法。同一個地貌單元長期存在，視為穩定，反之，視為非穩定。潮灘遙感監測選取了1973～2011年間10幅低潮位遙感影像，提取沙洲灘面水邊線，確定其空間分布信息。通過監測其遙感形態變化，統計潮灘出現頻率，進行輻射沙脊群地區穩定性分析。

從表2可以看出，輻射沙脊群區的總面積約為668 km2，其中近40 a演變中，不穩定區域面積為40.67 km2，基本穩定區域面積為199.02 km2，穩定區域面積為428.47 km2（圖6）。在穩定性分析面積統計的基礎下，可以看出輻射沙脊群整體處于穩定狀態，但基本穩定區域及不穩定區域仍占很大比例。其中東沙灘涂穩定性最好，高泥次之，條子泥穩定性最差。

表2 近40 a來輻射沙脊群灘涂面積統計

4 結 語

本研究建立了新方法，同時對輻射沙脊群動力地貌演變形成了新認識。輻射沙脊群沙脊40 a間演變的規律明顯，沙脊存在以南北分界點為中心軸順時針轉動的整體趨勢。相較于前人對輻射沙脊群地貌演變分析，本文引入沙脊二分水線分析動力地貌演變。利用沙脊加權平均法確定主軸方位角，作為判斷沙脊走向的主要依據。該方法首次全面系統地分析了輻射沙脊群各大沙脊的演變規律，對實測資料短缺的輻射沙脊群區域具有實用價值。

圖6 40 a沙脊群穩定性圖

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