基于潮汐模型和DEM的海岸線提取方法研究

董玉磊，王榮林，呂立蕾，許 軍

(1.天津海事測(cè)繪中心，天津 300222；2.海軍大連艦艇學(xué)院，大連 116018)

海岸線測(cè)量是海道測(cè)量、地圖測(cè)繪、海岸帶調(diào)查、海岸和海域管理等的重要內(nèi)容，也是重要的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。對(duì)于地理概念的海岸線，在地形圖、海圖測(cè)繪中均有涉及和規(guī)定[1]。《海道測(cè)量規(guī)范》[2]和《中國(guó)海圖圖式》[3]中定義“海岸線是指多年平均大潮高潮時(shí)水陸分界的痕跡線”，其位置主要是由潮汐作用所決定，同時(shí)也受到波浪、海岸坡度、岸灘物質(zhì)等因素的影響，是近似于相應(yīng)的某一潮高面與岸灘相交的線[4]。規(guī)范要求海岸線應(yīng)實(shí)測(cè)，但傳統(tǒng)的人工測(cè)量存在很多弊端，主要表現(xiàn)為測(cè)量困難甚至部分區(qū)域測(cè)量存在危險(xiǎn)，測(cè)量效率低下，不同的測(cè)量人員對(duì)同一段海岸線的位置判斷不一致、存在測(cè)量結(jié)果存在因人而異的情況。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其高分辨率、高定位精度的優(yōu)勢(shì)凸顯，為海岸線測(cè)量提供了新的技術(shù)手段。林桂蘭[5]探討了利用遙感影像自動(dòng)提取海岸線的技術(shù)方法，分析了目前海岸線自動(dòng)提取方法的可行性和局限性。劉善偉等[6]研究了應(yīng)用高分辨率衛(wèi)星遙感影像和DEM數(shù)據(jù)提取海岸線的技術(shù)方法，通過試驗(yàn)證明了可行性，但有些圖像識(shí)別困難地區(qū)需要處理人員具備較為豐富的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。 于彩霞等[7]闡述了遙感影像提取海岸線的實(shí)現(xiàn)過程、關(guān)鍵技術(shù)，分析了存在的局限性。本文提出了基于潮汐模型與精細(xì)DEM模型提取海岸線的方法，用無(wú)人機(jī)航攝的海岸帶影像建立精細(xì)DEM模型，利用記錄的時(shí)間信息和位置信息在潮汐模型中計(jì)算出海岸線高和各個(gè)拍攝時(shí)刻的水涯線高，通過反算海岸線的高度值在精細(xì)DEM中確定出海岸線的位置。

1 海岸線提取技術(shù)路線

人們通常認(rèn)為，海岸線是海陸分界線。更確切地說(shuō)，它是海平面與陸地的交界線。但是，由于潮汐運(yùn)動(dòng)、風(fēng)浪等影響，海水一直處于動(dòng)蕩不定的狀態(tài)中，海水面并不處在一個(gè)固定的平面位置上，而是不斷升降著。這種變化，又隨著不同地區(qū)、不同潮汐性質(zhì)和不同海岸地形而有明顯的差別[8]。假定攝影時(shí)刻在一定范圍內(nèi)，水涯線不受潮位影響，水涯線的位置可以認(rèn)為是干出灘上高程一致點(diǎn)連接而成的等高線(也稱等水位線)。在上述假設(shè)條件下，可以在無(wú)人機(jī)航攝生成的數(shù)字高程模型(DEM)中提取出一系列攝影時(shí)刻水涯線的位置和高程值；通過潮汐模型可以推算出水涯線的高及其該海岸線高。根據(jù)潮汐模型計(jì)算的水涯線與海岸線的高差，加上在DEM中分段獲取出水涯線的高程值，進(jìn)而在DEM中根據(jù)計(jì)算出來(lái)的海岸線高程值分段提取海岸線，再根據(jù)影像對(duì)提取的各段海岸線進(jìn)行整理，最終生成完整的海岸線。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于潮汐模型和DEM模型提取海岸線流程圖Fig.1 Coastline extraction flow chart based on tidal model and DEM model

1.1 潮汐模型構(gòu)建

潮汐模型[9-12]構(gòu)建先以海圖水深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、關(guān)鍵淺水區(qū)的實(shí)測(cè)水深成果數(shù)據(jù)為輔，構(gòu)建中國(guó)近海水深格網(wǎng)，基于POM模式、采用blending同化法同化了計(jì)算域內(nèi)的T/P與Jason-1衛(wèi)星測(cè)高沿跡的潮汐參數(shù)、130處中期驗(yàn)潮站與106處長(zhǎng)期驗(yàn)潮站成果，分別構(gòu)建初步模型、中間模型與最終模型，該模型的空間分辨率為1′×1′，包含13個(gè)主要分潮。

應(yīng)用潮汐模型進(jìn)行潮位推算時(shí)需以附近長(zhǎng)期驗(yàn)潮站為基準(zhǔn)站，通過實(shí)測(cè)的長(zhǎng)期驗(yàn)潮站潮位數(shù)據(jù)對(duì)潮汐模型的預(yù)報(bào)潮位進(jìn)行訂正，該模式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)有較好的符合性，已廣泛應(yīng)用于海道測(cè)量的工作中。

1.2 水涯線高計(jì)算

據(jù)研究潮位由天文潮位和余水位兩部分構(gòu)成，其中天文潮位由日月引力和地球自轉(zhuǎn)引起，具有極強(qiáng)的規(guī)律性和可預(yù)報(bào)性；余水位由短時(shí)間氣象因素(主要是風(fēng))和海平面季節(jié)性變化引起，具有較強(qiáng)的時(shí)間連續(xù)性和區(qū)域相關(guān)性[13]。

(1)

天文潮位是水位運(yùn)動(dòng)變化的主體，由若干分潮綜合而成，假設(shè)分潮個(gè)數(shù)為m，則表達(dá)式為

(2)

式(2)中：H代表分潮的振幅；σ代表分潮角速率；v0代表分潮的天文初相角；g代表分潮的遲角。

對(duì)于某一分潮，σ和v0可以通過天體運(yùn)動(dòng)推算得到，H和g為分潮調(diào)和常數(shù)，是該分潮在某點(diǎn)振動(dòng)變化的參數(shù)，由此將天文潮位的推算轉(zhuǎn)化為分潮調(diào)和常數(shù)計(jì)算。潮汐模型根據(jù)拍攝位置給出各個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)H、v0、gi，根據(jù)時(shí)間t用式(2)預(yù)報(bào)出該海域t時(shí)刻的天文潮位。根據(jù)余水位具有空間相關(guān)性這一特點(diǎn)[14]，利用附近長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的提供的余水位，即可根據(jù)潮汐模型和長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的數(shù)據(jù)推算出不同拍攝時(shí)刻的潮位值，即水涯線高。

1.3 海岸線高計(jì)算

海岸線應(yīng)以平均大潮高潮時(shí)所形成的實(shí)際痕跡進(jìn)行測(cè)繪，實(shí)際上平均大潮高潮面的概念只存在于半日潮(規(guī)則半日潮與不規(guī)則半日潮)為主的海域，對(duì)于日潮(規(guī)則日潮與不規(guī)則日潮)占優(yōu)海域則無(wú)實(shí)際意義，因?yàn)槿粘闭純?yōu)的海域潮汐的變化規(guī)律與月相無(wú)關(guān)，而取決于月球赤緯[15]。暴景陽(yáng)、許軍等研究認(rèn)為從潮汐變化或潮差大小變化上，半日潮海域的大潮與日潮海域的回歸潮都是值潮汐的極值狀態(tài)，因此可以將平均大潮高潮面擴(kuò)展到半日潮類型下的朔望大潮和日潮類型下的平均回歸潮高潮面。

基于潮汐模型可回報(bào)模型范圍內(nèi)任一點(diǎn)過去一定時(shí)間長(zhǎng)度的天文潮位，利用長(zhǎng)期驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)可獲得同步期的余水位，二者疊加后可推算出某一位置的長(zhǎng)期潮位數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)算法按潮差判斷出每次大潮，再取每次大潮前后共3 d的高潮，多年長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的平均值即為平均大潮高潮面[16]，即海岸線高。

圖2 無(wú)人機(jī)航攝的4段海岸線位置分布圖Fig.2 Coastline distribution of 4 sections taken by UAV

2 海岸線提取試驗(yàn)

2.1 航攝概況

本次海岸線提取技術(shù)研究以無(wú)人機(jī)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的4段海岸線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，岸線性質(zhì)涉及沙質(zhì)海岸、基巖海岸和人工海岸3種情況，每段海岸線長(zhǎng)度約3.5 km，最大相距約15 km。每段岸線的航攝測(cè)量時(shí)間約為20 min，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定影像分辨率為15 cm(可滿足1:2 000地形圖測(cè)圖要求)，航高580 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，各段海岸線的位置分布如圖2所示。

2.2 潮汐模型數(shù)值推算

使用潮汐模型推算拍攝時(shí)刻的各個(gè)水涯線潮高值，按拍攝區(qū)域分4段計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的海岸線的高，如表1所示。

表1 潮汐模型推算的第2段海岸線數(shù)值 Tab.1 Coastline height of section 2 calculated by the tidal model

注：表中給出的水涯線高(瞬時(shí)水位)和海岸線高(平均大潮高潮面)均以當(dāng)?shù)仄骄Ｃ嫫鹚悖瑔挝粸閏m。

2.3 DEM中水涯線高程獲取和海岸線的提取

在DEM中選擇部分水涯線痕跡清晰、穩(wěn)定的區(qū)域提取其高程值，剔除誤差較大的點(diǎn)后取其平均值作為該段水涯線的高程值。因此實(shí)際航攝時(shí)應(yīng)選擇風(fēng)浪小時(shí)拍攝，或者在DEM中選擇背風(fēng)區(qū)域提取水涯線高程值(圖3)。

根據(jù)DEM中獲取的水涯線高程值，顧及潮汐模型推算的差值，即可計(jì)算出每段海岸線在DEM中的高程值，進(jìn)而在DEM中將海岸線作為一段等值線分段提取出來(lái)。在DEM中根據(jù)計(jì)算的各段海岸線高程提取整理的結(jié)果如圖4～圖5所示。圖4中短虛線為水涯線，長(zhǎng)實(shí)線為提取的海岸線，圖5中靠近水面的細(xì)虛線為提取的海岸線。

圖3 選擇有代表性水域獲取水涯線高程(線上離散點(diǎn))Fig.3 Choose representative water area to obtain the elevation of the water-edge line(discrete points on the line)圖4 沙質(zhì)岸、人工岸地區(qū)提取的海岸線Fig.4 A coastline extracted from sandy or artificial shore areas圖5 部分基巖岸地區(qū)海岸線提取結(jié)果 Fig.5 Coastline extraction results in bedrock shore area

3 研究結(jié)論

海岸線從其定義上應(yīng)該是唯一的，但往往不論是采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量還是航空航天遙感影像判繪方法，都會(huì)有不同的作業(yè)人員對(duì)同一岸段或同一作業(yè)人員對(duì)不同的岸段所測(cè)取的痕跡岸線也存在差異，甚至同一作業(yè)人員不同次的量測(cè)結(jié)果也不一致，導(dǎo)致了海岸線測(cè)繪成果的不確定性，這與測(cè)繪學(xué)對(duì)地形要素幾何和物理意義準(zhǔn)確、唯一表示的基本要求相違背[17]。本文在通過總結(jié)目前海岸線測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的海岸線測(cè)量方法，并選擇一處海域進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

(1)海岸線是低于一部分高高潮的，雖然高高潮所占比例不高，但往往是這些高高潮對(duì)海岸上的痕跡位置有直接影響，在風(fēng)、浪及天文大潮的作用下將生活垃圾、水草貝殼等痕跡推向比海岸線更高的位置，造成人工實(shí)測(cè)岸線高程遠(yuǎn)大于實(shí)際海岸線高程，本次試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，這樣就造成了人工實(shí)測(cè)岸線更靠上一些，容易造成陸域的范圍縮減；

(2)在數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)影像構(gòu)建的DEM模型在水涯線附近高程容易存在跳變，誤差較大，分析原因應(yīng)是拍攝時(shí)相機(jī)受水體折射、波浪運(yùn)動(dòng)、多路徑效應(yīng)等影響造成，因此無(wú)人機(jī)進(jìn)行海岸線測(cè)繪時(shí)應(yīng)盡可能選擇風(fēng)浪較小的時(shí)候進(jìn)行或者選擇在背風(fēng)時(shí)拍攝，避免風(fēng)、浪較大時(shí)拍攝，高、低平潮時(shí)是較為理想的航攝時(shí)段；

(3)通過文中給出的技術(shù)方案可以在DEM中提取出一條連續(xù)的海岸線，包含了位置和高程等較為詳盡的信息，不會(huì)因測(cè)量比例尺的變化而降低精度，提取結(jié)果的精度主要取決于采用的潮汐模型誤差和建立的DEM模型誤差。傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式往往以點(diǎn)帶線而又因人而異，尤其在一些痕跡模糊的區(qū)域、測(cè)量困難的區(qū)域，測(cè)量精度較差，不宜采用人工測(cè)量方式獲取的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證這種提取方式的準(zhǔn)確性和可靠性，因此提取的精度難以準(zhǔn)確評(píng)定；

(4)本次研究引入“差分”的思想，將潮汐模型給出的水涯線與平均大潮高潮面的高差信息應(yīng)用到DEM模型中，通過提取DEM模型中的部分水涯線高程進(jìn)而可以確定海岸線在DEM中的位置；通過“差分”可以有效減弱模型自身的誤差、避免潮汐模型和DEM模型基準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題；

(5)本次提取的海岸線提取方法嚴(yán)格按照海岸線的定義進(jìn)行實(shí)施，與海岸線的定義較為契合，改變了目前海岸線測(cè)量方式與定義要求不一致的現(xiàn)狀，確保了測(cè)量成果的唯一性、可靠性，提取的精度較為均勻、適用于大范圍的海岸線測(cè)量。這種方法今后在海圖測(cè)量、海島礁測(cè)量中將會(huì)有逐步體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。