论文专区▏基于潮汐分带校正的海岸线遥感推算研究
一、引言
海岸线是分析岸滩冲淤动态的重要基础数据，也是制定海岸带资源管理行政分界的依据。海岸线的快速确定对于开展淤泥质海岸滩涂的时空变化科学研究，保障海岸带空间资源的合理开发和利用具有重要意义[1,2]。海岸线是平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线[3]。淤泥质海岸潮滩滩面宽广，受潮位涨落影响，滩面泥泞难行，岸线现场修测难度大，成本高。高分辨率遥感影像为大范围海岸线提取提供了可靠的数据来源。现有的海岸线遥感识别是在水边线遥感提取的基础上实现的，主要有两种模式：一种是直接利用高潮时的遥感瞬时水边线作为海岸线[4,5]；另一种是将任意时刻的遥感水边线赋予影像成像时刻潮位值，然后利用滩面坡度关系隐含的高程信息，将其校正至平均大潮高潮面，从而推算出平均大潮高潮时的海岸线位置[6-8]。实际上，由于高潮时刻遥感影像一般难以获取，并且遥感解译的水边线不是一条等高线，在水边线的不同位置，潮位并不相同，因此现有方法提取的海岸线与实际海岸线有较大差异。
针对上述问题，本文提出通过研究基于多站点潮位插值和潮汐分带校正的海岸线遥感推算方法，来提高海岸线遥感提取的可靠性和精度，目的为解决冲淤变化大、岸线现场实测困难、数据更新慢的淤泥质海岸岸线提取提供参考。
二、数据与方法
⒈ 研究区与数据
图1 研究区示意图
研究区选择在江苏中部沿海，位于盐城市大丰区新洋港～川东港之间的粉砂淤泥质海岸岸段，见图1。该岸段潮滩发育宽广平坦，岸滩平均宽度约为2.5～3km，平均坡度约为1.5‰。在研究区内，与潮滩相邻的人工地物类型主要有养殖塘、港口码头、达标海堤和建设围堤。
用于人工岸线和瞬时水边线遥感提取的影像为5景8m分辨率的GF-1号遥感影像和1景覆盖完整研究区的30m分辨率HJ-1号遥感影像，6景影像形成了研究区两个时相的空间覆盖。影像经过几何精校正处理，采用UTM投影、WGS84坐标系。同时收集了位于射阳河口、大丰港、梁垛河口和方塘河口4个潮位控制站点（图1）的实测潮位过程数据，用于模拟潮汐调和参数、水边线离散点对的潮汐分带校正以及影像成像时刻的离散点潮位赋值。
⒉ 海岸线的组成
本文中的海岸线是利用图像信息提取技术从遥感影像上获取的海岸线，由自然岸线和人工岸线共同构成。其中自然岸线指岸滩自然状态下，多年平均大潮高潮时的水陆边界痕迹线；人工岸线指位于潮间带向海侧、具有人为建设痕迹、遥感可辨的人工地物形成的线状分界线。
⒊ 海岸线提取技术路线
利用遥感影像数据，提取出人工岸线和两个时相的瞬时水边线。瞬时水边线通过分割处理得到离散点对，利用影像成像时刻的控制站点潮高数据分带插值校正处理，完成离散点对的潮位赋值；然后计算出离散点对所在断面的平均坡度，推算出平均大潮高潮潮位所在的位置。将平均大潮高潮点连接成线，形成海岸的自然岸线。将人工岸线与自然岸线进行合并，得到海岸线的空间分布。
基于遥感的海岸线提取技术路线如图2所示。
图2 海岸线提取技术路线
三、实验过程与结果
⒈ 人工岸线遥感提取
在影像光谱增强处理的基础上，通过监督分类法将影像中的水体、裸滩、潮滩植被分离出来；然后对养殖塘、港口码头、达标海堤和建设围堤进行形态学算子边缘检测，提取其向海一侧的线状轮廓，并根据目视解译修正，保证线状轮廓的连续性；最终利用栅格矢量化处理，得到人工岸线的空间分布[9]，见图3。需要说明的是，突堤、引桥等向海延伸的人工构筑物不形成有效的后方陆域，不能认定为人工岸线。
图3 人工岸线遥感提取结果
⒉ 瞬时水边线遥感提取与离散
研究区岸滩宽平，水陆边界清晰，根据水体和出露潮滩的光谱反射率差异特性，利用密度阈值分割法分离出水体部分，通过对水体边界的Sobel算子边缘提取及矢量化处理，得到遥感瞬时水边线[10]。
由于瞬时水边线不是一条等高线，需要将水边线离散成散点，然后赋予相应的潮位值。水边线分割时，先在所有水边线的外侧，绘制一条大体与岸线走向平行、包络水边线形态的分割基线；然后按500m间隔对分割基线进行分段，分别作各分段线段的中垂线，形成与岸线垂直的水边线分割线簇，在河口等岸线曲折程度较大的地方，分割线需要适当加密；通过分割线簇与两时相水边线相交，得到的线段交点即为水边线离散点对。
⒊ 水边线离散点对潮位赋值
遥感影像成像时刻的水边线离散点对的潮位赋值通过控制站点潮位分带插值校正实现。将收集的实测潮位数据输入用于潮汐经典调和分析的T-Tide模型进行训练[11]，根据信噪比大小筛选出合适的分潮，计算得到控制站点的潮汐调和参数，推算出影像成像时刻以平均海平面为基准的潮位值（表1）及平均大潮高潮位[12]，可以看到，在同一时刻，不同站位的潮位值之间有较大的潮差。
表1 影像成像时刻控制站点潮位
卫星 类型 | 影像 行列号 | 成像时刻 | 潮位值（cm） | |||
射阳 河口 | 大丰港 | 梁垛 河口 | 方塘 河口 | |||
高分 1号 | 155/144 | 2014/1/22 11:02 | 14.22 | -74.25 | ||
156/960 | 2014/1/26 11:01 | -114.51 | -134.42 | |||
157/057 | 2014/1/26 11:01 | -134.42 | -13.61 | -39.97 | ||
214/235 | 2014/4/30 11:04 | 124.66 | 164.85 | 154.50 | ||
214/324 | 2014/4/30 11:04 | 164.85 | 154.50 | 210.89 | ||
环境 1号 | 453/76 | 2014/5/7 9:56 | -122.74 | -147.82 | -111.17 | -149.79 |
利用控制站点和水边线离散点之间的空间位置关系，把遥感影像成像时刻控制站点的潮位值线性插值到各水边线离散点，即可得到位于水边线分割线簇上的离散点对的潮位。
⒋ 岸滩坡度计算及自然岸线推算
位于水边线分割线簇上的离散点具有平面位置信息和高程（潮位）信息。利用三角函数关系，由两个离散点的位置信息可计算得到分割线簇代表的岸滩断面的走向，高程信息可计算得到岸滩断面的平均坡度。根据平均坡度、断面走向以及T-Tide模型模拟得到的断面平均大潮高潮的潮高值，由三角函数相似性原理可推算出该高潮潮位对应的点位置，代表该断面平均大潮能够淹没到的岸滩最高位置，见图4。
图4 平均大潮高潮线推算原理
推算公式如下：
X1＝x2－((H1-h2)(x2－x1))/(h1－h2) ⑴
Y1＝y2－((H1-h2)(y2－y1))/(h1－h2) ⑵
式中，（X1，Y1）为需要推算的平均大潮高潮点位置；（x1，y1）、（x2，y2）为两条水边线与分割线的交点；h1、h2为遥感成像时刻水边线潮位；H1为平均大潮高潮潮位。将所有断面的平均大潮高潮点连接成线，形成遥感推算的高潮线，即为自然岸线，见图5。
图5 遥感推算的平均大潮高潮线
根据现场实测的平均大潮高潮痕迹点对遥感推算高潮线的位置的验证，发现结果基本一致。
⒌ 海岸线合成
将遥感获取的自然岸线与人工岸线进行空间叠加：自然岸线在人工岸线的向海一侧，取自然岸线为海岸线；自然岸线在人工岸线的向陆一侧，取人工岸线为海岸线。通过岸线合成，得到淤泥质海岸的海岸线。图6显示了研究区的海岸线遥感提取结果。
图6 研究区海岸线提取结果
可以看出，大丰区海岸线中的自然岸线重点分布在新洋港～四卯酉河、大丰港北侧、竹港～川东港岸段，人工岸线重点为四卯酉河~大丰港北和大丰港南～竹港的盐养围堤岸线、大丰港的港口码头岸线以及大丰港南的王港河闸建设围堤岸线。整个岸段中，自然岸线和人工岸线的分布与实地踏勘一致。
四、结论与讨论
在江苏省盐城市大丰区的淤泥质海岸潮滩，利用多时相遥感影像结合多站点潮位分带插值校正处理，开展了海岸线推算研究，得到海岸线的空间分布。利用推算得到的多时相海岸线，可以计算自然岸线保有率、岸滩冲淤速率和冲淤强度，确定岸滩的冲淤类型与等级，了解潮滩的滩涂资源存量与变化。
该方法在应用时需要注意以下问题：①利用两时相瞬时水边线推算岸滩平均坡度时，两个时相的潮位差尽量大，以减少平均大潮高潮点位置推算的误差，而影像的时间间隔应尽量小，避免潮滩坡度在长时间内发生改变；②不同分辨率的影像水边线提取的结果存在差异，低分辨率的影像提取的水陆分界线相对平滑，高分辨影像由于捕捉到更多的信息，如潮滩上的积水、波浪运动等，对于高潮时刻的影像，提取的水陆边界会存在部分异常，需进行目视解译修正；③岸滩剖面的坡度变化应以平缓为主，避免出现断面高程急剧变化的情况，如存在岸边陡坎等；④沿岸线走向的水边线分割间隔在海岸线曲折的区域，如河口等地可适当加密，来体现海岸线的曲折变化。
参考文献：
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【作者简介】第一作者崔丹丹，1980出生，女，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，江苏省海域使用动态监视监测中心，硕士，高工，主要从事海域动态监视监测研究；本文为基金项目，江苏省测绘地理信息科研项目（JSCHKY201504）；国家海洋局海域管理技术重点实验室开放基金项目（201405028）；本文来自《海洋测绘》（2017年第5期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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