海島岸線遙感立體測圖精細測量方法

黨亞民, 章傳銀，周興華, 薛樹強，許 軍

(1. 中國測繪科學研究院，北京 100830； 2. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018； 3. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

海島岸線遙感立體測圖精細測量方法

黨亞民1, 章傳銀1，周興華3, 薛樹強1，許 軍2

(1. 中國測繪科學研究院，北京 100830； 2. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018； 3. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

提出了一種海島岸線遙感測圖精細測量新方法，該方法直接基于理論定義的海岸線，利用航空影像瞬時水涯線數據在立體測圖環境中提取瞬時水位高程；利用海島周邊精密海潮模型和瞬時水位高程推算海島岸線高程；最后依據海島岸線高程，采用立體測圖方法測制海島岸線的平面位置。該方法確保了海島岸線成果的唯一性和連續性，適合大比例尺的大陸海岸線和海島岸線測量。測試結果顯示，在較高精度海潮模型和海面地形支持下，海島岸線高程精度優于0.2 m，可滿足1∶2000測圖要求。

海島岸線；立體測圖；瞬時水位；海洋潮汐

海島岸線定義為平均大潮高潮時刻的海陸分界線[1]，即平均大潮高潮線矢量。海島岸線決定了海島的形狀和大小，是海島基礎地理信息中最為重要的要素之一。隨著測圖比例尺的不同，海島岸線的長度和形狀都存在較大差異，具有典型的非線性分形特性。許多情況下，海島岸線沒有明顯的地物特征或痕跡，不能通過實地定位和遙感測圖方法直接獲取[2]。目前國內外海島岸線測量方法主要有痕跡岸線現場測量、遙感影像痕跡岸線判繪和影像水邊線提取3種[3]。受自然岸線的模糊性和多義性等影響，岸線測量成果存在不一致的現象，很難滿足大比例尺海島測圖要求。海島岸線測繪一直以來是一個國際性技術難題。

海島岸線具體實現和確定方法有所不同[4]。我國將平均大潮高潮時留下的痕跡線作為海島岸線[5]，實質上以測定海水及漂浮物在海岸和島礁上留下的較重痕跡作為岸線的測定手段[3]。一般情況下，陸、島海岸上留下的痕跡線不唯一，也不明顯，有一定寬度，岸線測量中往往依賴于測量人員的工作經驗。此外，海島痕跡岸線的高程普遍不等，有的相差數米，可見，海島痕跡岸線作為海島岸線有一定的局限性。

本文采用嚴格定義的海島岸線代替海島痕跡岸線，測量平均大潮高潮時海島的海陸分界線作為海島岸線，在充分綜合遙感信息、潮汐特征與海面地形信息的基礎上，采用與陸地一致的海島岸線測繪成果的坐標系統和高程基準，同步解決海島岸線平面位置與海島岸線高程測定的技術問題。該方法具有快速、高效、高程測定精度高、便于大規模測繪作業等特點，解決了基于遙感測圖的海島岸線測繪技術難題。用于替代傳統的野外登島測繪方法，作業成本大幅降低，作業周期明顯縮短，且可避免由于痕跡岸線的模糊性導致的傳統岸線測繪成果難以集成的現象發生，能有效保證海島岸線測繪成果的唯一性和連續性。

1 立體測圖環境中海島岸線測量方法

立體測圖環境中，影像水邊線的平面和高程已知，其高程精度也與相應比例尺地物點的高程精度相當。假設影像水邊線為一近似等高線[6]，若能采用潮汐和水位推算方法求得水邊線與海島岸線的高差，就可由水邊線高程得到海島岸線的高程。這樣，在立體測圖環境中，可依據海島岸線高程，采樣跟蹤出海島岸線的平面坐標[7]。立體測圖環境中海島岸線跟蹤技術流程如圖1所示。

圖1 立體測圖環境中海島岸線跟蹤技術流程

1.1 影像水邊線的選擇與高程提取

影像水邊線高程將用于計算海島岸線高程的起算基準，因此要求所選擇的水邊線高程不符值盡量小些，即滿足水邊線為近似等高線的條件。

影像水邊線高程及其不符值一般具有如下性質：

(1) 曝光時刻海況越好，水邊線不符值越小。

(2) 附近有浪花的影像水邊線，其高程不符值相對較大。

(3) 海島背風面的影像水邊線，其高程不符值相對較小。

(4) 對于有風浪影響的影像，在迎風面的開闊地帶、岸線平滑地方或能阻擋風浪的海灣處，其水邊線的高程不符值相對較小。

(5) 海岸地形坡度越小，立體測圖環境中水邊線高程提取的準確度越高。

(6) 當海況條件較好時，曝光時間間隔短(如小于5 min)的不同影像，在一定空間范圍內(如小于10 km)，其水邊線的高程值應比較接近。

1.2 海島岸線高程推算

當水邊線為近似等高線時，利用提取后的水邊線高程計算水邊線平均高程。

利用潮汐模型計算平均大潮高潮位，依據影像曝光時刻，結合周邊水位觀測數據推算水邊線瞬時水位；將平均大潮高潮位與水邊線瞬時水位相減，求得海島岸線與水邊線的高差；由該高差值加上水邊線平均高程，求得海島岸線的高程。

平均大潮高潮位精度僅受潮汐模型精度影響。但是水邊線瞬時水位精度不僅受潮汐模型影響，還受余水位和海況條件影響[8]。因此，海島岸線與水邊線高差計算時，最好有曝光時刻前后該海區的同步水位觀測數據支持。

1.3 立體測圖環境中海島岸線采樣跟蹤

在立體測圖環境中，依據計算的海島岸線高程，按類似等高線跟蹤方法采樣跟蹤出海島岸線。

在海島岸線采樣跟蹤過程中，應參考痕跡岸線、水邊線的空間形態及附近地貌特征，最大限度地保持海島岸線的逼真信息。當跟蹤出的海島岸線與實際地形要素發生矛盾時，可在一定的高程限差范圍內，調整岸線平面位置，消除矛盾。

通常情況下，海岸地形坡度越大，立體環境下采樣跟蹤海島岸線的平面位置越準確。因此，實際作業過程中，當遇到地形坡度很小或海岸地形復雜的地方，應仔細采樣跟蹤，以提高岸線的準確性。

海島平均水位線采樣跟蹤也可以參考上述流程實施。

2 影像水邊線高程與海面瞬時水位推算

遙感影像在拍攝瞬間，海面與海島相截處會在影像上顯示出一條截線，這條截線稱為影像水邊線，水邊線表征了海面瞬時水位與海島的空間關系。

海洋中涉及的水位是指海面整體的垂直升降，海風等引起的涌浪不計入水位垂直變化中，在水位觀測中或水位預處理時應盡量消除或減弱波浪的影響。瞬時水位主要分為兩個部分：主體是引潮力在特定海底地形和海岸形狀等因素制約下引起的海面升降，通常稱為天文潮位；氣壓、風等氣候、氣象作用引起的水位變化，其中周期性部分以氣象分潮形式歸入天文潮位，而剩余的短期無周期性部分，通常稱為余水位或異常水位，其主要激發因素是短期氣象變化，在一定范圍內具有較強的空間相關性。因此，瞬時水位變化h(t)可表示為[8]

h(t)=MSL+T(t)+R(t)+Δ(t)

(1)

式中，MSL為當地長期平均海面在驗潮零點上的垂直高度；T(t)為天文潮位；Δ(t)為觀測誤差；R(t)為余水位。

天文潮位T(t)是諸多分潮對引潮力響應的疊加，當地長期平均海面可看作是其平衡位置，相對于平衡位置的天文潮位可表示為

(2)

式中，m為分潮的個數；Hi、gi分別稱為分潮i的振幅和遲角，構成分潮i的調和常數，在潮汐調和分析時為未知的待求量，而用于潮汐預報時作為已知量；vi(t)為分潮的天文幅角。

振幅H和遲角g反映了海洋對一頻率外力的響應，可近似為常數。振幅H和遲角g稱為實際潮汐分潮的調和常數。

遙感影像立體測圖時，可測出影像水邊線的平面位置矢量和高程值，因此，可以得到影像拍攝時刻海面瞬時水位的高程。顯然，水位高程的高程基準與測圖高程基準一致。

3 平均大潮高潮面與海島岸線高程推算

平均大潮高潮面與海島地面相截，其截線就是理論定義的海島岸線。平均大潮高潮面與海島岸線高程推算步驟如下：

3.1 平均大潮高潮面的選擇

平均大潮高潮面是一種特征潮位面，用其相對于當地平均海面的高度來表示，該高度值稱為凈空基準值Q，其大小與當地潮汐的強弱即潮差的大小有著密切的關系。在海洋潮汐學中，平均大潮高潮面是指半日潮大潮期間高潮位的平均值，即定義限制于半日潮類型海域，這與大潮概念只存在于半日潮類型有關。在日潮類型海域，回歸潮與半日潮類型的大潮具有相似的極值意義，但日潮類型海域回歸潮時的日潮不等現象十分明顯，故在日潮類型海域可采用平均回歸潮高高潮面。對于混合潮類型海域，依據不規則半日潮類型與不規則日潮類型對應選擇。因此，平均大潮高潮面的定義依據潮汐類型，而本質上代表的特征潮位面并不相同，這與美國海岸線定義中的平均高潮面相似，其在日潮類型海域實質是平均高高潮面[9-10]。

3.2 凈空基準值的統計算法

由平均大潮高潮面定義可知，其計算應采用實測水位數據或預報潮位的統計算法。算法的關鍵是推算或判斷大潮或回歸潮出現日期。推算是指首先由潮汐類型決定采用大潮或回歸潮，進而分別依朔望(或陰歷)或月球赤緯推算日期。判斷是指直接由潮差大小判斷大潮或回歸潮出現日期，不判斷潮汐類型也不計算月相與月球赤緯，可作為所有潮汐類型統一的統計算法。每次大潮或回歸潮應選取前后共3天的高潮或高高潮，取19年的平均值，該平均值與當地長期平均海面在垂直方向上的差距即為凈空基準值。

3.3 海島岸線高程推算

平均大潮高潮面相對于平均海面的高度、影像拍攝時刻瞬時水位相對于平均海面的高度，以及平均大潮高潮面相對于瞬時水位的高差，都可由精密海潮模型推算。將立體測圖過程中得到的影像拍攝時刻瞬時水位高程與該高差求和，就得到平均大潮高潮面的高程，即海島岸線高程。顯然，這里得到海島岸線高程的高程基準也與測圖高程基準一致。

4 測試分析與結論

本文采用航空遙感數據對某海島及周邊區域進行1∶2000比例尺測圖(如圖2所示)，在立體測圖環境中按上述方法測定影像拍攝時刻海島瞬時水位線的高程為1.69 m。

由本區域海洋潮汐模型、海面地形模型推算出影像拍攝時刻海島瞬時水位線的高程為1.78 m，平均大潮高潮面高程(海島岸線高程)為2.01 m，進而得到海島岸線與瞬時水位線的高差為2.01-1.78=0.23 m。

由立體測圖環境中瞬時水位線的高程和推算求得的海島岸線與瞬時水位線高差求得，立體測圖環境中海島岸線高程值為1.69+0.23=1.92 m。

在立體測圖環境中，由測圖海島岸線高程值1.92 m，按該方法跟蹤出海島岸線平面位置矢量(如圖2所示)。

為測試遙感測圖海島岸線測量性能，選擇海島背風處海岸，采用GPS RTK技術實測痕跡岸線點400余個，將痕跡岸線點大地高減去大地水準面高(16.12 m)，以2.5倍中誤差為限差，迭代求取平均值，求得實測痕跡岸線高程為2.07 m。與推算的海島岸線高程相差2.07-2.01=0.06 m，與立體測圖中海島岸線高程相差2.07-1.92=0.15 m。

綜合以上面分析結果，可以看出：

(1) 海島痕跡岸線在現場難以辨認，RTK測量方式獲取的痕跡岸線不光滑，細節表達不清，尤其在狹長的海灣及礁石眾多的地方，誤差較大。

圖2 立體測圖獲取的海島岸線與RTK測量的痕跡岸線對比

(2) 立體測圖環境中測量的海島岸線具有連續、精細的地理特征，在較高精度海潮模型和海面地形支持下，高程精度能優于0.2 m。

(3) 測試結果顯示，實測痕跡岸線高程、岸線推算高程與立體測圖環境下海島岸線高程互差不大于0.2 m。

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ShorelineSurveyingMethodBasedontheStereoImagingandMapping

DANG Yamin1，ZHANG Chuanyin1，ZHOU Xinghua3，XUE Shuqiang1，XU Jun2

(1. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830,China； 2. PLA Dalian Naval Academy, Dalian 116018，China； 3. The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration, Qingdao 266061，China)

A new method for accurately surveying and mapping the shoreline of an island is proposed where the theoretically shoreline defined by the high water (MHHW) is adopted as the shoreline indicator of the island. This method utilizes the height of the instantaneous shoreline extracted from the aerial images to obtain the height of the shoreline by combining the precise ocean tide model and the height of the instantaneous shoreline, and then the horizontal position of the shoreline can be tracked by the stereo imaging and mapping method with the obtained height of MHHW. The proposed method can keep and ensure the continuity and uniqueness of the shoreline relative to the field measurements for shoreline mapping, and this method can be widely applied to large-scale shoreline mapping of mainland and islands.Experimental test indicates that the height accuracy can reach 0.2 m and it can be applied to the island mapping of the scale 1∶2000.

island shoreline; stereo mapping；instantaneous water level；ocean tide

黨亞民，章傳銀，周興華，等.海島岸線遙感立體測圖精細測量方法[J].測繪通報，2017(11)：47-50.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0346.

P229

A

0494-0911(2017)11-0047-04

2017-03-09

黨亞民(1965—)，男，研究員，主要從事GNSS精密定位、大地測測量基準、海島礁測繪和地球動力學領域的研究工作。E-mail: dangym@casm.ac.cn