海测论坛▏海岸线及其测绘技术探讨

于彩霞等溪流之海洋人生 2023-05-07

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一、引言

长期以来，围绕着海岸线的定义及其位置的确定问题一直存在着歧义、不严谨、不一致等问题。由于对海岸线的理解不同，或基于不同的研究目的、不同的实际应用需求，加上测绘手段不同或测绘技术不完备，海岸线位置的确定也不同。目前，将海岸线定义为平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线，在实地测绘海岸线时则以可视的痕迹线作为替代海岸线，当利用遥感影像动态监测海岸线的变化时，通常会将成像时刻的水边线（或痕迹线）代替为海岸线。

事实上，该定义的不明确和岸线位置认定的不统一也引起了争议，给实际应用带来了困扰。本文在认真分析海岸线内涵的基础上，指出了海岸线定义存在的问题，给出了相应的完善意见；在分析实地痕迹线测绘法和遥感影像提取法的基础上，探讨了利用LiDAR技术提取海岸线的新技术，提出了构建海岸线精确测绘体系，为规范海岸线定义及海岸线精确测绘提供技术支撑。

二、海岸线的内涵及定义

⒈海岸线的内涵

海岸线通常被认为是海洋与陆地的分界线，由于受自然作用例如潮汐、风浪、气候等的影响，海平面并不是固定不动的，而是不断地升降、变化，因此，这条海陆交界线也是在不断的变化，具有动态性和不确定性。有人认为海岸线是一条虚拟的动态线；也有人认为不应该存在海岸线的概念，实际上这是对海岸线的理解有偏差或是对其内涵的不清晰造成的。

在我国，将海岸线定义为“平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线”，但这条“水陆分界线”绝大部分时间是裸露的，只有在偶发的风暴潮或特大潮时才被海水淹没（1个月内海水仅很少几次抵达海岸线，而且即达即退，海岸线被海水光顾的时间仅占其裸露时间的数百分之一）。之所以如此定义，是因为这条分界线的两侧有着明显差异的陆地环境和海洋环境。在这条分界线以上，是一个以淡水主导的环境，是人类生活和动植物生存的陆地环境；而在分界线以下，经常有海水光顾，属于海洋生物赖以生存的海洋环境。这便是海岸线最基本的内涵，也是定义海岸线应当遵循的依据。

⒉海岸线位置确定的多样性

海岸线作为海陆交界线的这种表述方式虽然简单易懂，但给实际测绘和应用带来了诸多麻烦。不同的国家和地区由于其不同的地理位置或潮汐情况，对海岸线位置的确定方法不同；并且由于不同学科、不同研究目的，海岸线具体位置的划定，也存在一定的分歧。例如，在美国，海岸线的绘制由国家大气海洋局（NOAA）负责，采用平均高潮面（MHW，Mean High Water）和平均低低潮面（MLLW，Mean Lower Low Water）为潮汐基准面确定海岸线；西班牙则采用平均海平面（MSL，Mean Sea Level）；在我国，将海岸线定义为平均大潮高潮时的水陆分界线，但航海图上的海岸线则以最低低潮线为分界线（美国亦是如此），为了航海安全，实际绘制的航海图上的海岸线会比最低低潮线还略微低一些；在自然地理学中，通常是用海洋最高的暴风浪在陆地上所达到的位置来划定海岸线；在资源调查方面，特别是利用遥感影像动态监测海岸线的变化时，通常会将成像时刻的水边线（或痕迹线）代替为海岸线；在我国海域使用管理中，海岸线指多年大潮平均高潮位时海陆分界线。

综上所述，海岸线的确定通常包括两种方式：一是影像图上可视的、可分辨的边界线或人工实测的痕迹线，例如瞬时水边线/水涯线（Instantaneous Water Line）、干湿线（Wet\Dry Line）、高潮线（HWL，High Water Line）等，该类岸线具有瞬时性，以及变化快等特点，因此并不是真正意义上的海岸线；二是基于特定的潮汐基准面确定，例如平均低潮面（MLW，Mean Low Water）、平均低低潮面（MLLW）、平均高潮面（MHW）、平均大潮高潮面（MHWS，Mean High Water Springs）、平均海平面（MSL）等，该类岸线是不同的潮汐基准面与沿海岸滩的交线，叫做潮汐特征海岸线。这些分界线可视为广义的海岸线或替代海岸线。不同潮汐基准面间的相互关系如图1所示。

图1 常用的潮汐基准面

⒊我国海岸线的定义及其问题

从测绘学角度出发，要求地形要素几何、物理意义准确，表示唯一。显然目前海岸线的表述还不够科学严谨。1959年《海道测量规范》规定，海岸线系多年大潮高潮时形成的实际痕迹线，初步规范统一了海岸线的概念；1990年，赵明才等针对该规范定义的“多年大潮高潮”缺少严密性，就提出了以“平均大潮高潮”痕迹线作为海岸线的定义。

在20世纪90年代以来陆续颁布的《GB12327-1998海道测量规范》、《GB12319-1998中国海图图式》与《GB/T7929-1998地形图图式》等国家标准中规定，海岸线是指平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线，并且说明一般可根据当地的海蚀阶地、海滩堆积物或海滨植物确定。该定义也一直延用至今，国家与地方法律以及相关的行业标准中都采用相同或相似的定义。

仔细分析该定义，存在如下问题：

⑴平均大潮高潮面应该为足够长时间尺度内（一般不少于19年）所有大潮期间高潮面的平均。显然，平均大潮高潮面不存在对应时刻，即“平均大潮高潮时”的概念不存在。

⑵痕迹线是指滩涂上沙砾等堆积形成的痕迹、岩石等因海水浸泡形成的痕迹，也称为痕迹岸线。由于痕迹岸线是实地测量的唯一可视依据，并且受到测绘方法和手段的制约。因此，目前海岸带地形图和海图中的海岸线测量基本都采用测绘痕迹岸线法。但痕迹岸线在许多海岸并不明显、不连续、不唯一，有一定的宽度、难以辨认，甚至小范围内岸线高程不一致现象普遍存在。无论是实地测量还是对遥感影像进行判读时受主观影响较大，由于不同人员对痕迹线位置的理解、判断不同，因此对于同一岸段测出的痕迹线亦有所不同；即便是同一人，不同次测量的痕迹线也会不同，导致最终结果的不统一。因此，在测绘学中，不能将痕迹岸线作为海岸线。

事实上，只有科学定义海岸线，才可能为海岸线的精确测绘提供坚实的理论依据。因此，针对上述问题，笔者提出两点建议：①在我国，鉴于以平均大潮高潮面作为水陆分界线的定义经过科学论证，已达成共识，因此，为保持海岸线定义的连续性，宜继续采用平均大潮高潮面的定义，但“平均大潮高潮时”不存在对应时刻，该提法不严谨，应进行修订；②关于定义中“痕迹线”的提法，在前面也提过，痕迹线是测量时唯一可视依据，但并不是平均大潮高潮线，只能作为海岸线的替代线。这主要是受到当时测绘设备和技术的限制，不得已将痕迹线替代为海岸线，并延用至今。事实上，海岸线是平均大潮高潮下的海陆分界线，即平均大潮高潮面与海岸剖面的交接线，也叫做潮汐特征海岸线（tide-coordinated coastline）。

随着科学技术的发展，测量技术和设备也在不断的提高，制定科学、合理、规范的海岸线定义，精确地测绘海岸线准确位置的时机已经成熟。

三、海岸线的测绘技术

⒈海岸线的常规测绘方法

由于在进行实际测绘时无法测量平均大潮高潮线，因此《海岸带地形图测绘规范》(CHB 3.3—01)中规定“海岸线以平均大潮高潮时所形成的实际痕迹进行测绘”，即以测量的痕迹线来代替海岸线。海岸的类型很多，总体可分为五类：淤泥（粉砂）质海岸、沙（砾）质海岸、基岩海岸、生物海岸和人工海岸等。不同的海岸类型，根据不同的判定原则测量痕迹线[2,10]。

淤泥（粉砂）质海岸以陆生植物界限为界，海岸线即为陆生植物的外边缘线或漂浮物上界；在砂（砾）质海岸海滩的上部堆积形成了一条或多条由砂（砾）石、贝壳碎片、水草残体等构成的痕迹线，海岸线即为最高的一条痕迹线；基岩海岸的岩石表面受到波浪的反复冲击及海水浸泡，颜色存在差异，痕迹线明显，易于识别；生物海岸主要包括红树林海岸（一般生长在热带与亚热带）、海草海岸、珊瑚礁海岸等，前两者以红树林或海草植物的上界或参照淤泥（粉砂）质海岸来确定海岸线，后者则可参照基岩海岸来确定；人工海岸包括人为修建的堤坝、码头、养殖池等，一般码头岸壁、岸防工程和填海工程的护岸堤外壁都作为人工岸线，而围海养殖池等则作为海域处理。

目前，实地测量痕迹线法为最原始的海岸线测量方法，也是延用至今常用的方法，绝大多数的岸线测量成果也都是基于该方法得到。采用这一方法，工作人员实地测量时需逐点（特征点）进行，工作量大，效率低，时效性差，并且测量某些海岸如岩石陡岸时，存在着较大的困难，甚至存在着危险。

随着遥感技术的发展，其快速、动态的优点弥补了实地测量方法的不足，利用遥感影像监测海岸线位置及其变化的研究和应用越来越多，但大多数的研究直接将瞬时水边线、干-湿线或植物生长分界线等作为海岸线。遥感技术下海岸线提取的关键是对遥感影像进行边缘检测，已发展了多种算法，如阈值法、边缘检测算子法、主动轮廓模型法、面向对象法，以及对其进行改进等。边缘检测提取的水边线是成像时刻的瞬时水涯线，还不是真正意义上的海岸线，因此，有学者在提取水边线的基础上，结合潮汐、不同类型岸线的特征或光谱的差异对其进行修正，以期得到海岸线的真实位置。从研究结果可知，提取的海岸线有一定的误差，加之对遥感影像进行判读时受主观影响较大，且受遥感影像分辨率（近年来高分辨率影像越来越多，但成本偏高）和成像时间的限制（最好是在大潮高潮时成像），提取的海岸线没有明确精度指标，一般仅能用于海洋资源调查，无法直接用于海洋测绘的海岸线绘制和航海。另外，航空航天摄影测量模式需要在实地布设一定数量的像控点（特征点），工作量较为繁重，也从一定程度上限制了该方法在海岸带岸线测量上的推广应用。

⒉基于LiDAR的潮汐特征海岸线提取技术

虽然常规海岸线测量真实性较强，但必须进行大量的野外工作，效率低、周期长，且易受人为因素的影响。因此，急需发展一种低成本、高效率、高精度的海岸线测绘技术，LiDAR（Light Detection and Ranging）技术属于主动遥感，受天气的影响小，劳动强度低，能够快速获取高精度的三维点云数据，可在困难测区高精度测图，能够解决传统方法必须在测图区域布设一定数量控制点而实际人迹难以到达的难题，有效地弥补了海岸线传统测量技术的缺陷，成为海岸带测绘发展的新方向。

在国外，利用LiDAR点云提取海岸线的研究较早。理论上，由海岸线（某个定义潮位面）的高程、高精度LiDAR数据生成的DEM就可以确定海岸线的平面位置，即提取出海岸线，方法基本分为两类：海岸剖面法（CSP，cross-shore profile method）与等值线法（contouring method）。海岸剖面法（CSP）是最常用的方法之一，采用线性回归模型，从离散的LiDAR原始点云的高程中定位特定潮汐基准面与海滩剖面的交点，生成海岸线，该方法被美国地质勘探局官方使用，运算量较大；而等值线法则简单易操作，只需从LiDAR衍生的DEM模型（DEM或格网）中得到某潮汐基准面高程所在的等值线即可，被美国海洋与大气局官方使用。但实际确定的海岸线存在一定的问题：岸线抖动较大，部分不连续，存在零碎的线段，需进一步对提取的岸线进行综合判绘，辨真去伪，从而得到连续、平滑的海岸线。因此Liu提出了一种基于分割的图像处理方法，以期从LiDAR数据中自动提取潮汐特征海岸线，也有学者结合同期（同时）的LiDAR点云数据与正射影像来提取不同的海岸线替代线，从LiDAR数据中提取MHW海岸线，从正射影像中数字化干/湿线，并且对两者的空间关系进行了对比。

近十年来美国应用LiDAR技术绘制海岸线取得了重大的进展，部分州区还拥有垂直基准转换系统（VDatum，Vertical Datum）的支持，前提是由LiDAR数据生成DEM及由VDatum系统获得MHW在DEM上的高程，其成果能满足中大比例尺的测图要求。

在国内，无论是硬件系统还是软件方面发展较晚，目前大多数的研究仅涉及到点云的滤波算法，或者利用LiDAR提取树木、建筑物、道路等陆地地物，而在海岸带测量方面的研究和应用还处于起步阶段。近年来，相关国家专项对LiDAR技术进行研究，已取得了一定的进展，但尚未有从测绘角度确定海岸线等地形要素的相关文献。

与传统海岸线测绘方法相比，应用LiDAR提取潮汐特征海岸线优势主要在于：

⑴从前面所界定的海岸线科学定义可知，我国的海岸线是基于MHWS潮汐基准面，其是18.6年潮汐周期内所有大潮高潮的平均值，消除了由最大波浪或潮汐引起的短期不稳定性。

⑵基于LiDAR提取海岸线的过程，不需要人工解译，避免了主观因素的影响，并且该过程具有可重复性，不确定性少于遥感影像提取方法中产生的不确定性。

四、结束语

海岸线的测绘经历了实地测量、航空摄影测量技术，以及最新的LiDAR测量技术等，不管采用哪种技术和方法，海岸线测绘及其监控需重点考虑是确定合适的海岸线定义及其相应的测量技术。

由于不同学科、不同研究目的，海岸线位置确定呈现多样性的现状。在基于航天遥感技术下的海岸线确定及其变化研究等领域，这种多样性更明显。其原因主要是两方面：一是遥感资料的分辨率通常较低；二是该类研究是基于海洋资源调查目的，旨在调查海岸的基本状况，如各类型海岸的概略长度及其变化情况、海岛的概略面积等，此时海岸线位置的精度指标通常无明确要求。而当海岸线位置确定作为海图与海岸带地形图的测量工作时，海岸线定义表述不够科学严谨与理解、测量实施的多样性，将造成不同时间或不同人员测量成果间存在较大差异，这会造成地图表示混乱。考虑到海岸线在管辖权界定、海岛大小和面积描述中的决定性地位，海岸线表示混乱可能造成严重的后果，在中大比例尺地形图或海图中问题将更加突出。随着高分辨率的航空摄影测量与机载LiDAR在海岸带与海岛礁测绘中的应用，海岸线应作为地形要素，以附加明确精度指标的地理信息来表示。这需要构建较为完备的海岸线定义、确定的理论和方法体系，发展遥感地形测量模式下的海岸线综合确定技术，满足大范围测量图的需求，为推进海岸线的精确测绘奠定基础。

【作者简介】本文作者/于彩霞许军黄文骞卢岩林林，分别来自信息工程大学地理空间信息学院、海军大连舰艇学院和海军出版社；第一作者于彩霞，1981年出生，女，山东青岛人，博士，主要从事LiDAR数据处理与应用研究；本文为基金项目，国家自然基金项目（41074002）；文章来自《测绘工程》（2015年第7期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。