论文专区┃河口海域地形变化检测技术探讨

【编者按：本文从河口海域地形变化与人类开发利用活动关系，以及复测周期与航行安全保障关系出发，提出了河口海域地形检测研究的技术体系构成、历史资料的收集与分析方法、地形变化检测与反演的重要性。这对建立多学科交叉联合开展地形变化监测研究具有重要的意义。论文发表在《海洋测绘》2013年第4期上，河口区域是海岸带地形变化最大的区域，在于泥沙冲淤变化的急剧，也在于海洋开发活动的频繁，因此非常有必要进行专项研究。对海域管理部门来说，尤其需要加强对河口区域地形变化速率的科学研究，以便确定测绘周期。孙万民，1960年出生，男，山西芮城人，高级工程师，硕士，主要从事海图制图理论及应用研究。】

文/孙万民 吕春武 唐梦尧 鲁强 牛红光

一、引言

近50年，受自然演变和人类活动的影响，珠江河口及水下三角洲海底地形发生巨大变化，河口海域面积大幅缩小，河口海底地形的变化已严重制约该区域海洋经济的发展。然而，目前国内尚缺乏从海洋管理和河口区域复测周期角度上，系统性地研究河口海洋环境和海岸带地形变化的基础。迫切需要开展河口海域地形变化的研究，以保障科学开发利用海洋资源和海洋环境保护工作。研究河口海洋环境和海岸带的地形变化规律，不仅对于提高海岸带地形测绘效率和缩短成图周期有重要的现实意义，而且对于确定河口海域地区测量、海岸带地图制作、海图制作和海图更新周期有重要的指导意义。

二、珠江河口海域地形变化检测技术模型

对珠江河口海底地形复测周期和地形自然演变的研究，从技术框架构建上分析，需要采用“预演—观测—模拟—反演—监测—示范应用”的链条式技术路线。见下图。经过一系列技术分析、推演最终形成可以利用和继承的河口海域地形变化检测的数学模型以及一些普遍的应用规律。

⑴预演：以海底地形地貌数据资料为基础，结合多学科已有成果，采用成熟技术，使用统一标准整合多种来源的海底地形地貌数据，研究海底地形地貌和河口地区变化的控制因素和演化规律。

⑵观测：设计典型剖面，采用多种技术手段，进行珠江口海域地形地貌探测(单波束、多波束、侧扫声纳、浅地层剖面)、水动力观测(走航和定点观测)和沉积输运观测(取样、捕获器等)，以获取珠江口海域最新时段地形地貌相关数据资料。

⑶模拟：通过多学科技术研发、集成形成地形保障模型；基于多时段地形地貌数据资料，构建河口海域示范区地形模型、沉积模型、水动力模型、地形反演模型、三维可视模型和地形演变模型，采用保障系统模拟河口海域示范区影响海底地形变化的多种海洋环境。

(4)反演：基于多时段实测数据资料和构建的同步海洋环境模型，通过计算结果和实测数据的对比，进行不同时期海底地形反演计算，逐步完善计算模型。

⑸监测：基于反演的海底地形，识别海底地形剧烈变化区，采用必要的地形地貌调查手段，查明地形变化的程度和原因，并通过反馈不断完善地形保障模型。

⑹示范应用：通过多学科联合交叉技术手段，建立海底地形变化保障模型，形成河口海域示范区准业务化运行的能力，实现海底地形变化动态监测和管理能力以及具有推演河口区域复测周期的能力。

三、历史资料收集及分析

收集地理区域的各方历史资料对于研究海底地形的变化至关重要。对所有获得的资料按时间序列加以整理分析，并建立不同资料的数据分析模型。河口紧靠海岸边，受河流上游来水和潮汐作用强烈，地形变化相对较大。结合测量资料情况，确定1:50000比例尺及更大比例尺图为珠江河口海底地形变化检测研究的基本资料。

⒈ 资料收集的基本要求

根据珠江口海域地理特点和研究的技术框架体系，并结合江河口海域复测周期研究的内容，多渠道、多途径全面收集多种来源、多时序的实测水深资料、海图资料、晒兰图资料和历史地形图资料以及遥感影像资料，形成研究的初始水深、地形资料库。并使用统一、标准化的技术方法，对收集的历史水深、地形数据资料，进行评估、分级、归类、录入、数字化、坐标转换、几何校正、基准统一等项处理。提取珠江口海域多时段的水深数据，形成时序水深数字模型和图件，结合历史文献等资料，进行综合分析、研究，初步研究区域地形变化规律。

⒉ 历史资料的分析

⑴不同年代测量的地图资料

大陆海岸带较大比例尺(1:10000、1:25000、1:50000)的地形图，已完成了第2、3或第4代的重测或修测成图。地形图对海岸线表示比较淮确，可以用于对海岸线变化的调查。较大比例尺航海图，在大部分海岸带都有两代图的覆盖，可以用于海部要素变化信息的获取。

⑵不同年代测量的海图资料

珠江口海域的水深测量资料较为完整，比例尺一般为1:50000，测量年代最早为20世纪60年代，早期水深资料来自于老版本的海图或采自于外版资料。近年来珠江口地区河岸和水深变化较大，水深测量的周期较以前也更频繁，水深测量资料也更丰富。收集整理此海域不同年代的测量资料作为海底地形变化比对的依据，将其数字化后并建立数据库形成分析建模的基础。

⑶不同年代测量的卫星遥感资料

为了比对海底地形的变化，同时预测海底地形的变化趋势和推测水深复测周期，收集与历史地图、海图资料同时代的卫星遥感和航测影像资料至关重要。卫星遥感和航测影像资料时效性强，资料间隔时间短，容易找到与历史地图、海图资料同时代数据。对这些资料进行分析、校正提取有用的信息，建立与实测资料之间的对应关系，作为反演和推测地形变化的基础。

⒊ 资料分析的内容

根据珠江口海域的测量资料、卫星遥感资料等，构建多时段同步海底地形环境模型。从海岸带管理角度研究分析各类地形的特点与分布，研究利用海岸资源和保护海洋环境的关系，研究河口海域地形变化和复测周期的一般规律。主要包括：

⑴海岸地形的分类。海岸的成因、性质和变化特点，研究海岸地形类型与分布。

⑵海平面变化对海岸地形的影响。海平面变化的历史特征，海平面变化趋势，海面变化对平原海岸的影响。

⑶海岸带地形变化的主要内容。海岸线位置与性质、干出滩的范围与高度和浅于15m水域的变化特点；地形变化的因素分析，海岸带区域地形演变的自然和人工因素的类型和特征，地形多年变化率与年平均变化率之间的关系。

⑷海岸和滩涂利用状况分析。滩涂资源利用类型、分布，滩涂管理状况等都是技术分析的内容，同时研究滩涂变化与地形变化的关系。

⑸海岸带地形信息管理模式。研究基本测绘方法，地形信息选取、处理和分析方法；研究海陆测绘资料的拼接、地图实质性变化内容的界定方法。

⑹进行不同时期海底地形遥感图像匹配计算，通过计算结果和实测数据的对比，确定数据改正基数。

⑺根据数字化图形数据构建三角网，并依次建立海底三维计算模型，为地形反演提供基础。

⑻揭示河口海域地区变化的一般规律、特点，依据统计分析数据确定此区域最短复测周期。

四、检测成果

收集了珠江口海域60多年的水深和岸线测量资料，按时间序列包括1959、1968、1984、1990、2005和2011年等不同年代的测量数据。将收集来的资料集中处理，统一坐标系、统一高程基准、统一深度基准，并建立了不同年代的海底地形模型、绘制了大量的断面图，对地形和深度变化做了仔细分析，对变化区域做了统计分析，初步得出以下结论：河口地区由于人工围垦造田，河岸变化巨大；河口上游变化较下游变化更大；陆地面积显著扩大、水域面积明显缩小；围垦养殖使河岸沟渠纵横显著增加，岸堤扩展延伸；河口泥沙堆积使河中岛屿、沙洲面积有所扩大；河道由于疏浚、维航，使航道变得更深，较以前深度差3～5m，航道宽度也有所增加；由于河床挖沙施工，使河床深浅不一、崎岖不平，出现许多深沟、深坑；受河流上游来水、河水含沙量、人为施工以及潮水的影响，不同年代河内沙丘变化无常，无规律可循。

五、结束语

依据珠江口60多年的时间序列水深和岸线测量资料、水底数据地形模型，宏观和微观地判断河道变化情况。河口地区的测量周期需进一步建立高分辨率泥沙动力模型与卫星遥感地形反演模型，研究建立河口示范区海底地形地貌变化监测模型和海底地形变化监测管理模型。依据历史地图资料、海图资料、卫星遥感资料建立了相应的数据库，对示范区海底地形变化进行趋势分析，探寻河口海域侵淤规律和控制因素。对比、监测、管理河口海域数据变化，形成了基本地形数据分析、处理和演变能力。预测了河口海底地形、不同海岸带地形变化率，指导海岸带测绘计划的拟定，正确指导对不同海岸带水深资料的利用，缩短了海岸带地形图及海图的成图周期。