江蘇省海岸線時空動態變化遙感監測關鍵技術研究概述

陳艷艷崔丹丹呂林張東

(1.江蘇省海域使用動態監視監測中心 南京 210017;2.南京師范大學 南京 210023)

0 引言

江蘇省是海洋大省,海岸帶空間資源豐富。20世紀80年代以來,江蘇省充分利用潮灘資源優勢,拓展發展空間,沿海海洋經濟得以迅速發展。潮灘圍墾為全省提供了大量的土地資源,有效地緩解了沿海地區耕地資源量銳減、環境惡化和資源短缺等問題,但是沿海大規模的開發活動已經開始對沿海地區的水流泥沙動力條件和生態環境造成影響。為加強江蘇省沿海空間資源監測,了解全省海岸帶資源現狀、存量與變化趨勢,掌握全省的自然岸線保有率情況以及海岸帶空間資源利用情況,量化不同岸段的沖淤速率和沖淤強度,把握海岸線變化的規律,集約節約利用海域和岸線資源,江蘇省連續多年開展全省及典型岸段沖淤動態變化遙感監測工作。隨著衛星對地觀測技術的快速發展,進一步開展海岸線時空動態變化遙感監測的關鍵技術研究,將逐漸成為岸線岸灘資源調查與變化監測的重要技術支撐,并將在海洋環境保護和海岸帶開發管理中發揮重要作用。

1 研究內容

本研究基于江蘇海岸線時空動態變化遙感分析需求,擬分5個專題進行研究。包括:海岸線遙感提取與推算的二級分類體系;海洋水體信息增強與水邊線精確提取關鍵技術;水邊線離散點的潮位分帶插值校正關鍵技術;岸灘剖面形態自適應的海岸線遙感推算方法關鍵技術;海岸線遙感推算的業務化技術體系研究。

1.1 海岸線遙感提取與推算的二級分類體系研究

針對江蘇省不同的海岸物質組成、岸線形態和岸線功能,提出將海岸線首先劃分為自然岸線和人工岸線2個一級類,然后進一步細分,將狹義的自然岸線類型與海岸帶的類型相對應,同時增補廣義的自然岸線類型來滿足自然岸線的保護與恢復需求,綜合分析江蘇省的海岸開發利用現狀,最終形成9個自然岸線二級類和5個人工岸線二級類的海岸線二級分類體系。

1.2 海洋水體信息增強與水邊線精確提取關鍵技術

通過系統分析江蘇沿海的潮汐動力環境和沉積環境特征,提出利用海岸帶地物光譜在近紅外、紅、綠波段的反射率變化梯度差異,分別采用歸一化差值水體指數(NDWI)、改進的歸一化差值水體指數(MNDWI)和三波段梯度差水體指數(TGDWI)進行海洋水體信息增強,來突出水陸邊界信息;結合閾值分割法和Sobel、Canny等邊緣檢測算子提取水體邊界,生成矢量水邊線,實現遙感瞬時水邊線的精確提取。

1.3 水邊線離散點的潮位分帶插值校正關鍵技術

針對江蘇沿海潮位觀測站少、潮位資料缺乏的客觀事實,提出采用空間大范圍潮汐數值模擬結合定點潮汐調和計算的方法,利用近海高精度潮波數值計算模型,實現江蘇近海潮波運動過程的精確模擬;利用潮汐數值模擬結果驅動潮汐調和計算模型,獲得定點潮汐調和參數,實現潮汐控制站點在遙感影像成像時刻的潮位過程精確模擬。

1.4 岸灘剖面形態自適應的海岸線遙感推算方法關鍵技術

突破目前海岸線遙感推算方法中采用的岸灘坡度單一的假設,提出岸灘剖面形態自適應擬合的淤泥質海岸線遙感推算模型,在計算和判別岸灘下凹、平緩、雙S、上凸等剖面形態的基礎上,利用5個水邊線離散點進行擬合,優選剖面擬合方程,通過模擬岸灘的沖刷與淤積形態特征,改善海岸線位置模擬時與岸灘剖面形態的貼合性。

1.5 海岸線遙感推算的業務化技術體系研究

海岸線遙感提取與推算是一項復雜的系統工程,目前鮮有成熟的海岸線遙感監測技術體系能夠支持實際的業務化應用。本研究提出線性對象遙感提取、線性對象柵格矢量化、潮位特征線推算、海岸線拓撲合成、岸線岸灘動態變化分析五大技術模塊,形成完整的海岸線遙感監測技術體系。通過遙感影像解譯和模型推算,能夠直接從多源遙感影像得到高精度的遙感海岸線成果,從而為海岸帶空間資源的動態變化遙感監測提供完整的技術支撐。

2 技術路線

以江蘇省為研究區,利用多源、多分辨率衛星遙感解譯技術結合地面實測,開展岸線岸灘信息遙感提取技術與方法研究,形成完整可行的海岸線遙感推算、岸線岸灘動態變化遙感監測技術體系,并集成研究成果,在江蘇沿海三市灘涂資源現狀和變化趨勢的合理評價中應用(圖1)。

圖1 項目總體技術路線

對江蘇省沿海多時相、多分辨率衛星遙感影像數據、潮灘野外采樣數據、潮位數據進行處理,建立海岸帶線性地物信息遙感提取模型,實現瞬時水邊線、基巖岸線、砂質岸線、植被岸線和人工岸線的遙感提取。建立潮位過程推算模型,完成江蘇省沿海潮位控制站點的潮汐過程推算以及多時相水邊線成像時刻的潮位計算,建立潮位特征線推算模型,分別推算潮灘的平均大潮高、低潮點位,形成平均大潮高、低潮線。將潮位特征線和人工岸線基于GIS空間拓撲分析,形成遙感海岸線。

(1)針對不同的海岸物質組成、岸線形態和岸線功能,在長期開展的江蘇省海岸帶動態變化遙感監測研究中,將海岸線劃分為自然岸線和人工岸線2個一級類;將狹義的自然岸線類型與自然海岸的類型相對應,分為基巖岸線、砂質岸線、粉砂淤泥質岸線、生物岸線(植被岸線)和河口岸線5種類型;針對自然岸線的保護需求,將廣義的自然岸線類型補充增加自然恢復的自然岸線、整治修復的人工海灘岸線、整治修復的海岸濕地岸線和海洋保護區生態功能岸線4種類型;綜合分析江蘇省的海岸開發利用現狀,將人工岸線類型分為鹽養圍堤岸線、港口碼頭岸線、建設圍堤岸線、道路海堤岸線和河流河堤岸線5種類型。

(2)對于岸線平直、水陸邊界清晰的岸段,采用監督分類的方法,分離出影像中的水體部分;利用波段比值處理方法計算NDWI,對水體信息進行增強;利用閾值分割法進行影像處理,得到影像的水體部分。對于水體含沙量高、潮灘表層有殘留水、潮灘含水量變化大、岸線曲折的岸段,以及水陸邊界模糊,不易準確確定水邊線的位置,采用TGDWI指數法,利用地物光譜在近紅外、紅、綠波段的反射率變化梯度差異,來增強和突出水體邊界信息。結合閾值分割法進行處理,分離出影像中的水體部分。

(3)采用大范圍網格潮汐數值模擬結合定點潮汐調和計算的方法,利用自主開發的近海高精度潮波數值計算模型,進行江蘇近海潮波運動過程的精確模擬;利用潮汐數值模擬結果驅動潮汐調和計算模型,獲得定點潮汐調和參數,實現潮汐控制站點在遙感影像成像時刻的潮位過程精確模擬;利用雙線性插值方法,實現所有水邊線離散點的潮位賦值處理,得到離散點的高程結果,用于進一步的海岸線遙感推算。

(4)突破了目前海岸線遙感推算方法中岸灘坡度單一的假設,提出岸灘剖面形態自適應擬合的淤泥質海岸線遙感推算模型,模型思路為:沿海岸帶走向分割出多個剖面,根據同一個剖面上大致均勻分布的3個水邊線離散點判別剖面形態特征;利用同一個剖面上大致均勻分布的5個水邊線離散點進行擬合,確定剖面擬合方程,通過模擬岸灘的沖刷與淤積形態特征,改善海岸線位置模擬時與岸灘剖面形態的貼合性;將推算得到的潮位特征線與遙感解譯的自然岸線和人工岸線進行拓撲分析,得到遙感推算的海岸線。

(5)按照線性對象遙感提取、線性對象柵格矢量化、潮位特征線推算、海岸線拓撲合成、岸線岸灘動態變化分析五大技術模塊,形成完整的海岸線遙感監測技術體系。通過遙感影像解譯和模型推算,直接從多源遙感影像得到高精度的遙感海岸線成果,為海岸帶空間資源的動態變化遙感監測提供了完整的技術支撐

3 與國內外研究比較

3.1 海岸線分類技術體系

對自然岸線的分類,國內的研究結果相對一致,即與自然海岸的類型相對應。如:孫偉富等[1]、姚曉靜等[2]、索安寧等[3]提出了狹義上的自然岸線類型,主要包括:基巖岸線、砂質岸線、粉砂淤泥質岸線、生物岸線(植被岸線)和河口岸線。

自然岸灘一般來說是人類拓展利用海岸帶空間資源的重要區域。近年來,自然岸灘的開發力度不斷增大。依據自然岸灘的特點,開發形成了濱海旅游區、港口碼頭、圍海養殖區等。針對目前的海岸帶開發利用現狀和對自然岸線的保護需求,提出廣義的自然岸線,除了包含狹義的自然岸線類型以外,還應包括自然恢復或整治修復后具有自然海岸形態結構和生態功能的海岸線,主要有4種,分別是自然恢復的自然岸線、整治修復的人工海灘岸線、整治修復的海岸濕地岸線和海洋保護區內具有生態功能的岸線。

針對人工岸線的分類,孫偉富等[1]參照“908”專項中海島海岸帶衛星遙感調查對海岸線的劃分,認為人工岸線是人工建筑物形成的岸線,建筑物一般包括防潮堤、防波堤、碼頭、突堤、養殖區和鹽田等。毋亭等[4]在綜合眾多研究的基礎上,將人工岸線根據用途的差異分為丁壩與突堤、港口碼頭、養殖與鹽田圍堤、交通圍堤、防潮堤等。楊玉娣等[5]研究認為,一般碼頭岸壁、岸防工程的護岸外壁都可作為人工岸線。可以看到,人工岸線通常是依據地域特點或岸線用途進行劃分,暫時還沒有統一公認的人工岸線劃分體系。

本研究重點針對不同的海岸物質組成、岸線形態和岸線功能,將江蘇省的海岸線劃分為2個一級類和14個二級類,形成江蘇省海岸線二級分類體系。本分類體系不但涵蓋了目前已有的海岸帶類型,而且能夠用于分析自然環境條件變化和人類開發活動造成的海岸線類型的轉化,分類體系完整性、系統性和實用性強。

3.2 海岸線遙感推算方法

現有的海岸線遙感識別或推算方法主要有兩種:一種是“一般高潮線法”,選用高潮時刻的遙感影像,提取其瞬時水邊線作為海岸線;另一種是“平均坡度法”,通過提取不同平面位置的兩條水邊線,分別賦予影像成像時刻的潮位值,然后根據潮差和平距求得岸灘平均坡度,推算得到平均大潮高潮時刻對應的海岸線位置[6-7]。

對于“一般高潮線法”[8-9],受影像時間分辨率和影像成像質量的影響,恰好在平均大潮高潮時刻成像的海岸帶遙感影像往往很難獲得;而“平均坡度法”理論上只適用于地形平緩、坡度單一的地區。

針對上述現有技術方法中存在的缺陷,本研究提出了一種剖面形態自適應擬合的海岸線遙感推算方法,通過模擬岸灘的沖刷與淤積形態特征,改善海岸線位置模擬時與岸灘剖面形態的貼合性,提高遙感推算的海岸線位置精度。主要技術步驟包括:①剖面形態判別;②基于剖面形態擬合方程優選的潮位特征線推算;③海岸線拓撲合成。

3.3 海岸線遙感推算業務化應用技術體系

淤泥質海岸線遙感提取與推算是一項復雜的系統工程。已有的研究主要有兩個方向:①關注海岸線遙感解譯的圖像處理相關技術與方法;②采用簡單海岸線識別方法,在此基礎上開展海岸線動態變化分析。鮮有成熟的海岸線遙感監測技術體系能夠支持實際的業務化應用。

本研究通過方法創新與集成創新,形成了完善的海岸線遙感監測技術體系,該技術體系從2014年起,在江蘇省的海岸帶沖淤動態監測中不斷調整與完善,最終形成可靠的業務化應用技術體系。

4 預期結果

通過研究,形成了包含海岸線定義與遙感識別技術、線性對象遙感提取技術、線性對象柵格矢量化技術、岸灘剖面形態自適應擬合的海岸線遙感推算技術和岸線岸灘動態變遷分析技術在內的技術體系;培養了一支學科專業交叉融合、梯隊合理的高質量研發隊伍;形成了具有自主創新知識產權的高水平研究成果。

(1)運用所提出的海岸線遙感監測技術體系,系統開展江蘇省全省及典型沖淤岸段的海岸線遙感監測以及海岸帶空間資源調查。為江蘇省及沿海的南通市、鹽城市和連云港市自然資源主管部門提供海岸線動態變化監測分析報告和海岸線圖集。沿海市、縣自然資源主管部門以此為參考,進行區域建設用海調查、岸線沖淤監測和海岸線整治修復等工作。特別是江蘇省90%以上的岸灘都是淤泥質岸灘,現場測量工作難度大,可通過采用海岸線遙感監測技術,節約大量的現場調查任務,取得更加良好的經濟效益。

(2)運用研究成果為江蘇省海岸線調查、海岸線保護與利用管理、江蘇省海洋生態紅線保護等提供依據,為優先保護海洋生態環境,加強海岸線保護與利用管理,實現自然岸線保有率管控目標,構建科學合理的自然岸線格局提供基礎資料。

(3)運用研究成果為優化海岸線保護與利用格局,不斷提高海岸線整治修復水平提供參考。根據岸線類型,開展砂質岸線恢復與養護,開展沙灘平整清理、海堤防護、岸線景觀綠化,完善海濱岸線的休閑設施,恢復和優化砂質岸線的生態功能。

(4)利用江蘇省海岸線數據、海岸線再分析數據,建立江蘇省遙感海岸線數據庫,與江蘇省海域使用綜合管控系統相結合,實現數據的系統管理與網絡發布。

(5)開創海岸線遙感監測的業務化應用新途徑,具備向海島監測、臺風災后評估、漁業資源監測等方面推廣的應用前景,成為海域動態監管體系中重要的監測技術手段,可取得顯著社會經濟效益。