遥感水边线技术在潮间带冲淤分析研究中的应用

张明，蒋雪中，郝媛媛，孔宪卫

（1. 交通部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456;2. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

遥感水边线技术在潮间带冲淤分析研究中的应用

张明1，蒋雪中2，郝媛媛1，孔宪卫1

（1. 交通部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456;2. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

以辽东湾盘锦滩为试验区，利用遥感水边线方法研究了潮间带的冲淤演变，结合遥感水边线和海图0 m线边界建立了3个时段的潮滩数字高程模型，获得了辽东湾盘锦滩不同时段近20 a来的冲淤空间变化，并用2008年实测地形资料对遥感水边线和反演地形进行了评价。研究结果表明，从Landsat 5, 4, 2合成彩色影像上目视解译的水边线与实测地形走向相近；实测地形与反演地形之间的误差集中在 -0.9 m ～ 0.8 m之间，平均误差为 -0.16 m，标准偏差为0.40，误差在±0.6 m之间的区域占总面积的81.1%。遥感技术作为一种补充手段，可用于潮间带岸滩演变空间分析，其精度有待于进一步提高。

遥感水边线；潮间带；冲淤分析

淤泥质潮滩是由砂、粉砂、粘土和植物腐殖质等细颗粒物质组成的低平海岸地貌形态，一般位于冲积三角洲前缘。其作为一种动态不稳定的土地资源，受全球气候变化、海平面上升及人类活动的影响，具有复杂性、敏感性和多变性，是环境监测重点关注的区域之一。尤其是在近50 年来我国主要河流入海泥沙减少[1]、沿海湿地资源面临侵蚀威胁的背景下，加强淤泥质潮滩的动态监测研究十分必要。

在重点区域，有学者采用标桩法定期监测潮滩的冲淤变化[2]，或采用全球定位系统 RTK不定期监测潮滩地形[3]，或采用不同时段水准详测地形资料来进行潮滩冲淤空间分析[4]。由于潮滩滩面泥泞、水浅滩平以及冲淤多变及观测成本高等原因，近年来尝试采用遥感方法进行潮间带岸滩的演变分析。主要有三种方式：第一种是获取相近潮位的影像水边线，通过观察水边线的水平位移来分析潮滩的平面冲淤变化[5]；第二种是利用颜色、纹理等来提取特征潮位线，通过比较平均大潮线来分析海岸线的变化情况[6]；第三种方式是根据盐沼植被随潮滩高程变化的敏感性，利用潮滩植被线的变化分析潮滩的冲淤情况[7]。以上遥感方法在确定水边线（或平均大潮线、植被线）附近潮滩的冲淤性质方面具有较好效果，但无法获得潮滩冲淤变化的空间分布情况，因此可能掩盖高潮带和低潮带发生的明显淤长或蚀退的变化趋向截然相反的动态[8]。

本研究以辽东湾北部潮间带浅滩盘锦滩为试验区，以多时相的遥感数据为基础，利用获取的遥感水边线，并结合海图0 m线，尝试采用遥感水边线方法来分析潮间带岸滩的空间冲淤变化。

1 研究区概况

盘锦滩位于辽东湾顶端，中居大辽河口与双台子河口间（如图1）。滩地0 m线边界（本文地形、水深高程基面均采用当地理论最低潮面）较为平顺，潮滩一般宽度为2.5 km，滩地高程一般低于3.4 m。潮滩沉积物主要以粘土质粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂为主。盘锦滩东、西两侧分别为大辽河口与双台子河口，其口门处分别分布着东、西滩和盖州滩（蛤蜊岗子滩）滩群等拦门沙。

大辽河口口门海域落潮平均流速0.41 m/s，涨潮平均流速0.44 m/s，涨潮平均流速大于落潮平均流速。大辽河口属于中等潮汐河口，四道沟多年平均潮差2.74 m，最大潮差4.46m。本海区的波浪以风浪为主，波高一般小于0.5 m，常浪向为SSW向，其次为SW向1)张明, 孔宪卫, 郝媛媛. 工程海域岸滩演变特征及趋势分析 [R]. 交通部天津水运工程科学研究所, 2008, 8.。

图1 1991年TM影像上的盘锦滩Fig. 1 Panjin tidal flat at TM image in 1991

2 遥感水边线技术和遥感数据选择

2.1 遥感水边线技术

遥感水边线是遥感影像上水陆的边界线，它反映了某时刻水陆的瞬时状态，通常认为它与成像时刻水陆的交接线近似，并假定水陆的交接线为一条等高程线，其高程值一般由附近验潮站的潮位资料确定，在缺少实测资料时，采用验潮站的预报潮位值代替[9]。遥感水边线方法是近年来研究潮滩动态变化的一种常用方法，一般选择潮情（潮高）相近的影像水边线，根据水边线的变动来分析潮滩的水平冲淤速率。当有多组时间相近的遥感水边线时，可以通过数字高程模型技术建立潮滩数字高程地形（DEM，Digital Elevation Model），获取潮滩的近似地形。对不同时期的潮滩DEM进行叠加分析，很容易获得潮滩在某一时段内的冲淤空间分布情况。

2.2 遥感数据选择

本文选择了对水陆边界描绘较好的TM、ETM、Spot等19个时相的卫星遥感数据（表1），结合岸滩在一定时期内变化缓慢的特点，将其影像分成时间相近的3组（1993年组、2001年组和2005年组，1988年影像未归类），见表1。每组时间间隔较近，可以认为反映的是这一时期潮滩的近似地形。为更好地描绘潮滩地形，每组影像水边线尽量均匀分布在低潮滩至高潮滩之间。

表1 遥感数据概况Tab.1 Overview of remote sensing data

3 潮滩近似地形反演

3.1 水边线提取及水边线高程点的获得

对遥感影像进行几何精校正，校正后的误差控制在0.5个像元。然后根据遥感影像水陆边界附近的颜色、纹理和走向等特征信息，勾绘出遥感水边线。在计算影像成像时刻的瞬时潮位时，采用二次多项式对影像成像时刻前后共5 h的正点潮位数据进行拟合，二次多项式为y = ax2+ bx + c，其中a，b，c为待定系数，x为时间变量（自1开始），y为潮位。通过多项式拟合的结果能够较好地体现潮位的变化特点，比采用线性插值更好。在求出影像成像时刻的瞬时潮位后，将该潮位赋值给对应的水边线，也就近似得到了潮滩的高程线。在ArcGIS 9.2平台下用Divide工具将连续的高程线平均分割成高程线段，然后用Feature to Point 工具将水边线线段转化为水边线高程点。

3.2 潮滩数字高程模型的构建

通过水边线的方式难以获得潮滩0 m线边界，鉴于海图深度基准面与潮汐基准面一致，故可以采用同期海图0 m线近似作为潮滩地形的0 m线边界。盘锦滩1993年组和2001年组近似地形分别采用1990年和2000年该海区的水深图0 m线边界，2005年组近似地形采用的是2008年该海域的实测水深资料的0 m线边界，同样将高程值赋到点。忽略每组内潮滩地形的变化，构建3个时期的潮滩DEM（如图2）。由于受成像时潮位的限制，各组潮滩DEM表示的高潮滩范围并不一致，为使各组DEM有可比性，同时考虑到近岸潮滩受人类活动影响较大，因此，在构建数字高程模型后，去掉近岸地区，提取出潮间带3.0 m高程以下的地区。

图2 盘锦滩近似地形Fig. 2 Approximate topography of Panjin tidal flat

4 潮间带冲淤变化分析

4.1 水平冲淤变化

根据影像水边线的潮情和水位特点，选择两组潮位相近的影像水边线进行比较，如1988-10-09日影像水边线和2005-07-20日影像水边线潮位分别为1.11 m和1.09 m，1994-04-01日影像水边线和2001-05-30日影像水边线潮位分别为2.5 m。经对比分析发现，1988年10月9日至2005年7月20日，遥感水边线在目前盘锦滩地形1.0 m高程的位置绝大部分是向海域方向移动的，说明潮滩在该位置是淤涨的；尤其是二界沟潮滩的东侧淤涨明显，平均淤长 80 m；潮道西侧除小部分后退较多外，总体向外淤涨，平均淤长136 m；大辽河入海口附近外移和后退并存，但总体变化不大。自1994年4月1日至2001年5月30日间，在潮滩地形高程2.5 m附近，二界沟向西岸段盘锦滩快速向外淤长，平均达452 m，二界沟东侧往大辽河方向淤长宽度逐渐变小，平均淤长98 m；大辽河口附近有冲有淤，变化不大。

4.2 冲淤空间差异及过程分析

将遥感水边线反演的1993年组、2001年组、2005年组近似地形进行代数运算，可得到各时段内潮滩的空间冲淤变化情况，并以冲刷和淤积两类显示，如图3所示。由图3可以看出，1993－2001年（组），盘锦滩的大部分都在淤积，冲刷主要位于二界沟潮滩的两侧及大辽河入海口盘锦滩一侧沙嘴处；2001－2005年（组）间，冲刷范围逐步扩大，盘锦滩靠近大辽河入海口及二界沟的西侧冲刷较多，二界沟东侧淤积。总体来看，1993－2005年（组）间，盘锦滩的中高潮滩是淤积的，中低潮滩有部分冲刷，冲刷比较严重的主要位于二界沟潮道的0 m线附近，以及大辽河入海口的沙嘴附近。从整个过程来看，前期淤积为主，后期侵蚀有扩大的趋势。

图3 潮滩冲淤空间差异及过程Fig. 3 Spatial changes and processes of erosion and deposition in tidal flat

5 讨 论

5.1 水边线提取的精度和水平冲淤分析的可靠性

由于滩面表层高含水量、潮滩底质、近岸水体的高含沙量及遥感光谱分辨率限制等原因，影像水边线与水陆实际交接线存在随机误差[10]。另外，多光谱影像的不同波段所反映的影像水边线也有差异。受潮滩地形和潮位的详测资料不足限制，水边线精度的评价常依据少数断面资料进行，反映并不全面。本研究以2008年8月盘锦滩详测地形数据对提取的水边线进行验证，主要关注影像水边线对地形的描绘能力。经研究发现，Landsat TM1 ～ TM7各波段对于本处的淤泥质潮滩水体边界的描绘均不理想。而利用目视解译方法从5、4、2合成彩色影像上提取的水边线与地形等高线大致平行，相同潮情下水边线的偏移大致相同。因此，在潮情相似、在有较长时间足够引起潮滩地形变化时，利用水边线技术进行潮滩水平冲淤变化分析具有较高的可信度。

在具体分析的时候，潮情对水边线的解译结果具有一定影响，影响大时会引起误判，尤其是在地形比较平缓的地段，常造成判断错误。为降低这种影响，需要结合当时潮情，当潮位相近时，如果落潮时刻水边线比涨潮时刻水边线更偏向海域，说明该处潮滩蚀退的可能性更大；同时，可通过验证不同潮高下水边线的分布情况，来提高判断的准确性。

5.2 数字高程模型的精度及空间冲淤分析的可靠性

高程模型的精度是潮滩地形反演和冲淤空间分析的基础。本研究利用2008年8月盘锦滩详测水深与2005年组遥感水边线反演的高程地形进行差值运算来进行高程模型精度的评价。

如图4，遥感反演地形与实测地形之间的误差主要集中在 -0.9 ～ 0.8 m之间，平均误差为 -0.16 m，标准误差为0.40。其中，误差在±0.2 m之间的区域占总面积的37.8%，误差在±0.4 m之间的区域占总面积的60.4%，误差在±0.6 m之间的区域占总面积的81.1%，误差在-0.9 ～ 0.8 m之间的区域占总面积的97.92%。在区域的边界、水边线间隔较大的地方以及坡度较陡的部位反演地形与实测地形间的误差较大。误差产生的原因主要有水边线高程点的准确性、水边线获取时段与实测地形这段时间内潮滩地形的冲淤变化[11]，以及插值方式等。为减小误差，提高反演的现实性，尽量采用时间相近、风浪较小时的影像，水边线要尽可能均匀分布在低潮滩至高潮滩之间的区域。

图4 遥感反演地形与实测地形间的误差统计Fig. 4 Statistic analysis between remote sensing retrieval topography and in situ data

在采用的遥感影像类型不变的条件下，利用遥感水边线方法进行潮间带空间冲淤变化分析的精度主要取决于提取的遥感水边线精度、海图0 m线的精度、遥感水边线的疏密和分布情况、以及潮滩数字高程模型的精度等因素。受资料和技术条件的限制，不同时段潮滩空间冲淤变化分析的可靠性验证较为困难。本文从辽河流域水沙环境方面对盘锦滩的冲淤变化情况进行解释，从而对用遥感水边线方法分析潮滩空间冲淤变化的可靠性进行间接论证。

5.3 近20 a来盘锦滩冲淤变化的原因分析

盘锦滩地处于辽河三角洲前缘，滩地主要用于虾、蟹等水产品的养殖，岸线逐步向海推进，其演变部分受人类活动的影响，但与流域来水来沙变化关系密切。从目前辽河干流六间房水文站来水来沙来看（图5），1987－1999年间，辽河来水来沙相对丰富，而2000－2006年间，来水来沙迅速减少。由于流域来沙减少，导致辽河三角洲前缘的岸滩盘锦滩由淤积向侵蚀发展，侵蚀的范围逐步扩大。但从总体来看，在1993－2005年间，由于前期岸滩淤积较多，虽后半期岸滩淤积减少或略有冲刷，但岸滩目前总体是淤积的。这种冲淤变化在一定程度上是辽河口前缘岸滩对流域来沙减少的响应。

图5 辽河干流六间房水文站 1987－2006水沙变化Fig. 5 Variation of flow and sediment at Liujianfang station from 1987 to 2006

6 结 论

水边线技术是目前利用遥感方法研究淤泥质海岸带冲淤变化的有效手段。本文以盘锦滩为试验区，利用遥感水边线方法研究了近20 a来该潮滩岸线的变化和冲淤空间分布。

a) 赋予水边线的高程值虽与潮滩实测地形存在一定差距，但在相似潮情下得到的冲淤分布变化大致相同，表明，在能引起潮滩地形变化的足够长时间内，利用遥感水边线方法分析潮滩在某个位置附近的水平冲淤变化是可信的；

b) 采用水边线技术结合海图0 m线构建的潮滩地形，与实测潮滩地形存在一定误差，但在缺少实测地形资料情况下，仍不失是一种有效途径；

c) 本研究成果已运用于当地围海造地工程，对同类问题具有显著的借鉴意义，但各组遥感影像的时间间隔可能要进一步缩短。

致谢：交通部天津水运工程科学研究院左书华博士对本文提出了修改建议，以致谢忱。

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Application of remote sensing waterline technique to analyze the changes of erosion and deposition in intertidal flat

ZHANG Ming1, JIANG Xue-zhong2, HAO Yuan-yuan1, KONG Xian-wei1

(1. Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering, Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Communication Tianjin 300456,China; 2. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

This paper explores the waterline method to study the state of erosion and deposition in intertidal flat.Taking Panjin flat as an experiment area, three period DEMs (Digital Elevation Models) have been constructed based on the waterlines and the chart of 0m lines. As a result, the spatial variation in recent 20 years has been achieved. The results are evaluated by the survey data. The result suggests that： (1) The Landsat 5, 4 and 2 composited color image is suitable to extract the waterlines; (2) Compared with the results of the bathymetric chart, relative error was less than 0.6m in most regions, and the mean error is -0.16m. The remote sensing waterline method is useful to analyze the tidal flat change, but the precision needs to be further enhanced.

remote sensing waterline; tidal flat; the analysis of erosion and deposition

P229; P737.1

A

1001-6932(2010)02-0176-06

2009-04-28；

2009-08-15

国家自然科学基金项目（40601071）

张明（1981－），男，河南信阳人，硕士，研究实习员，主要从事海岸带遥感与地理信息系统应用工作。电子邮箱：kfzhangming@163.com