基于遥感影像和中轴线法的小庙洪水道演变分析

顾 燕，张 鹰，龚明劼

(1.南京邮电大学地理与生物信息学院，江苏南京 210023;2.南京师范大学地理科学学院，江苏南京210023;3.江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013)

江苏中部近岸浅海区存在呈辐射状分布的一系列水下沙脊，称为辐射沙脊群，它们基本上以弶港为中心，自北向南由东沙、竹根沙、蒋家沙、冷家沙、条子泥等大型沙洲组成，岸滩辐射状潮汐水道极为发育，主要的潮流通道有:西洋(西洋西通道及西洋东通道)、小夹槽、小北槽、大北槽、陈家坞槽、草米树洋、苦水洋、黄沙洋、烂沙洋(大洪、小洪)、网仓洪、小庙洪等11 条［1-2］。在2009年6月江苏近海海洋综合调查与评价(简称“江苏908 专项”)即将完成时，国务院批准了《江苏沿海地区发展规划》，江苏开始建设“海上苏东”，进行滩涂围垦与港口建设，吕四港是辐射沙脊群港口之一，具有较大发展潜力，了解其周围潮汐水道的变化情况对吕四港建设有重要意义。吕四港所处小庙洪水道位于吕四岸外5 km，该水道位于辐射沙脊群南侧，是距岸最近的潮流通道，小庙洪水道的演变情况会对自然和社会带来较深的影响，直接影响到吕四港的建设(图1)。

图1 小庙洪区域图(底图为1979年MSS 影像)Fig.1 Research area of Xiaomiaohong creek (the image is MSS of 1979)

潮汐水道是开敞海域的潮汐分叉，潮水及其荷载的潮能等随着潮汐的变化周期性地进出深入陆地的纳潮区［3］。作为一种特殊的海岸地貌体，潮汐水道一直以来都是国内外海岸开发的重点，是港口、航道等建设研究的课题。由于其开口较小，冲淤变化强烈、水动力复杂，因而其发展演化具有独特的规律和特征［4］。国外对潮汐水道演变的研究主要集中在地质地貌和沉积动力两个方向，把航空、遥感技术用于对潮汐水道的潮流、波浪以及水质等方面的研究［5-9］。在国内，喻国华、陆培东［10］从港口建设的角度，在辐射沙洲区潮汐通道、沙洲—水道系统的稳定性等方面进行了大量的研究工作;谢东风等［11］从数学模型的角度，建立了潮汐水道发育演变至均衡态的长时间尺度模型，探讨了潮汐水道演变过程中的控制因素。

针对潮汐水道的演变研究，实测数据、长时间序列的水下地形图是进行演变分析的必备数据资料，而实测水深数据往往要耗费大量的人力物力，且测量范围有限，受自然影响大。因此水道分析在缺乏实测数据的情况下难以实现。随着遥感技术的发展，卫星影像覆盖面广、获取方便、时间选择灵活、费用低等优点，足以弥补常规调查手段的困难与不足之处。因此，遥感技术为潮汐水道的动态演变研究提供了技术手段，并显示出强大的优势。许多学者基于遥感技术对不同海区的潮汐水道演变进行了大量研究，传统的叠合分析方法总体来说用的较为广泛，其方法是叠合不同时相的潮汐水道卫星影像解译图，通过比较水道两侧轮廓的变化分析其变化趋势［12-14］。

通常在河道的研究中，研究者常常通过绘制河道的中泓线或者深泓线来反映河道的多年演变情况，进而对其加以计算并预测河道变迁的趋势。这种方法不仅适用于河道研究、同时也适用于辐射沙洲潮汐水道演变研究。黄海军等［15-17］利用实测资料得到南黄海辐射沙洲区主要潮沟的深泓线位置图，并对不同时期的位置图进行叠加对比潮沟深泓线的迁移。中泓线是河道各横断面表面最大流速点的连线，深泓线是河道各横断面深度最深的连线，两者都是建立在实测断面获取流速和水深数据的基础上生成的，而从遥感影像上获取中泓线和深泓线是十分复杂困难的过程，中轴线的生成则相对简便。

多边形的中轴线是几何学的基本问题，可以反映多边形的形状特征，在GIS 空间分析中有重要作用。将研究较为广泛的中轴线概念与遥感方法相结合，从平面角度将水道作为面状要素，提取不同时期的水道中轴线以实现动态演变分析，对潮汐水道动态演变进行快速、准确的监测。以往的研究中［18］仅仅提出利用中轴线代替深泓线，但是从未有学者探讨过两者之间的偏差是由哪些因素造成的。基于实测地形和遥感影像，首先提出影响偏差的影响要素，然后结合叠加分析方法定量计算出该偏差与各要素之间关系。将中轴线法应用于小庙洪区域获得小庙洪水道演变情况，从而为港口工程建设提供周边地形变化情况。

1 小庙洪水道研究区与数据介绍

1.1 研究区

小庙洪水道是辐射沙洲区有代表性的一条潮汐水道，也是距岸最近的一条深槽，目前总的特征是水道走向与吕四海堤基本平行，呈NWW-SEE 向，深槽0 m 线距海堤3.5 ～6.0 km 不等。水道长约38 km，口门宽15 km，水道中段宽4.5 km，尾部在如东浅滩消失。水道内有一系列水下沙洲，其中口门处两条线以上的沙洲把口门分成北水道、中水道和南水道［10］。

1.2 数据获取与处理方法

为分析小庙洪水道历年来的移动、变迁情况，收集了1979年MSS 影像1 景，1987 ～2009年的TM 影像6景，各时相影像均为低潮位或接近低潮位，云量极少，岸线清晰。影像具体参数见表1。为了分析中轴线与深泓线的关系，收集了2003年小庙洪地区实测地形图。

表1 小庙洪区域遥感影像Tab.1 The images of Xiaomioahong creek

对影像选择高斯-克吕格21 度带(GK Zone 21)投影，WGS-84 坐标系统，然后选取图像上清晰可辨且不易变动的地物作为控制点，进行图像-地面控制点配准。对影像采用统一的23 个地面控制点和二次多项式函数来校正，并统一选用最临近的重采样方法，校正的均方根误差(RMS)均小于0.3 个像元。之所以选择相同的控制点和重采样方法对每景影像几何校正，是因为这样可以使各景影像的几何校正误差相近，以便于后续的中轴线叠加分析。

2 遥感中轴线法

遥感中轴线法的特点是从平面的角度研究地物特征，因此将潮汐水道作为面状要素，引入数学中的中轴线概念，提取不同时期的潮汐水道中轴线来实现动态演变分析，这是与传统实测方法的最大区别，也是其独特之处。

2.1 中轴线概念

多边形中轴也叫多边形的对称轴、骨架线，或多边形的中线。因为多边形的中轴捕捉到了平面形体最本质的几何特征，可方便地代表形体的构成方式，用于形体的描述和特征识别。多边形的中轴线上各点与多边形中不同边(或多边形边的延长线)两个或两个以上点距离相等［19-20］。

文中探讨的潮汐水道从平面角度看是凸多边形，没有涉及到边的延长线，因此中轴线就是到多边形两个或两个以上的基本元素(顶点和边)距离相等的点的轨迹。结合遥感手段，利用中轴线可以从平面直观地得到潮汐水道的轨迹及几何轮廓，将面元素转变成线元素，通过线元素的变化掌握潮汐水道的摆动情况，实现空间分析。

中轴线主要采用垂线族法［21］和栅格形态变换法［22］两种传统方法以及基于矢量数据的利用约束Delaunay 三角网/Voronoi 图法。此外，还有基于ArcGIS 软件的中轴线提取方法［24-25］:运用ArcScan 模块的自动矢量化功能，提取遥感影像中水域的中轴信息，得到其矢量化数据，从而进行空间统计与分析。可见，利用矢量化软件提取中轴线不失为一种快捷、简便的方法。在了解中轴线提取的基本思想及其本质的基础上，从数据格式、操作及实用等角度综合考虑，最终选用ArcScan 模块来提取小庙洪潮汐水道中轴线。

2.2 中轴线生成方法

中轴线生成方法主要包括水陆分离和提取中轴线两部分。

2.2.1 水陆分离

将潮汐水道作为面状要素提取中轴线，首先要将潮汐水道从影像中分离出来。目前遥感影像水体提取方法有很多种，其中阈值法是比较常用的一种。根据TM5 良好的水陆对比性，采用阈值分割进行水陆分离。以1995年影像为例，取水陆交界处任意断面，观察TM5 波段影像DN 值的变化(图2(a))，发现5 波段水体阈值为25，因此选取25 作为水陆分界的阈值，建立掩膜，将水体与陆地分离开来。

2.2.2 提取中轴线

首先，将用于水陆分离的掩模文件(图2(b))，即生成的0，1 二值化影像图重采样，用以适应ArcScan 最大线宽的设置。重采样的像元大小的设置很关键，需要根据对象的尺寸设置合理的像元大小。设置过大不但会影响影像的细节，比如较细的潮汐水道在重采样间隔过大的情况下会产生丢失现象，设置偏小会出现在潮汐水道较宽的区域无法生成中轴线。

然后，将重采样后的二值影像导入到ArcGIS 中后加载ArcScan 模块，再加入新建的shp 线文件，使之处于编辑状态下，激活ArcScan 模块。使用Vectorization 功能，选择Vectorization Setting 进行属性值设置。最大线宽设置值域为0 ～100，这里根据重采样的大小确定最大线宽，通常将其设为最大值100。在Options 里将要提取的部分设置成前景色，另一种为背景色。这些设置完成后，即可对图像进行矢量化提取。

最后，将提取结果中较细的分支去除，并对照影像去除延伸到岸滩的多余分支，得到小庙洪潮汐水道的中轴主轴线。提取的结果是每条中轴线由若干条细小的线段组成，将它们合并，并做平滑处理，得到最终结果(图2(c))。

图2 小庙洪中轴线提取过程(1995年)Fig.2 Extraction process of axis line in Xiaomiaohong creek (1995)

2.3 中轴线分析

为分析中轴线与深泓线之间的偏差，基于实测地形和遥感影像，首先提出影响偏差的影响要素，然后结合叠加分析方法定量计算出该偏差与各要素之间关系。

将2003年中轴线与2003年小庙洪地区地形图叠加(图3(a))，可见中轴线走势与深槽走势相似。为进一步分析中轴线与深槽的关系，选择3 个剖面进行分析，剖面1 与中轴线相交于A、B 两点，剖面2、3 分别相交于C、D 点。图3(b)中，剖面1 有两个以上的深槽，中轴线表示为两条分叉线，其中A 点与深槽符合较好，B 点也处于另一个深槽中，但是比最深点往北偏。图3(c)、3(d)中，剖面2、3 都只有一个深槽，交点C、D 同样位于深槽中，但是位置也往北偏移。当潮汐水道两岸坡度大致相同时，中轴线与深泓线匹配较好，如A点;当潮汐水道两岸坡度不一致时，中轴线往坡度较缓的一方偏移，C、D 点的偏移正是如此。小庙洪潮汐水道在剖面2、3 处往南弯曲，造成南岸冲刷北岸堆积，从而南坡陡北坡缓，这一点从剖面图上也可以看出，因而C、D 点往北偏移，而且D 北偏距离比C 大，这是因为剖面3 的南北坡度相差更大。

对2003年实测地形与中轴线叠加分析可得:中轴线的走势与潮汐水道深槽走势相似，可以用来代表潮汐水道的走势情况，但是中轴线与具体的潮汐水道深泓线还有一定的偏移，造成偏移的原因是潮汐水道两岸坡度不一，坡度相差越大，偏移范围越大。

进一步研究中轴线与深泓线的偏差Δx，该偏差与研究区潮汐水道剖面形态相关。当剖面形态为对称U型时，Δx =0;当潮汐水道形态为不对称U 型，Δx 与潮汐水道两岸坡角α1、α2以及该剖面最大水深h 相关，h的大小与潮位有直接的关系，即潮位越高h 越大，潮位越低h 越小。

图4 给出了呈不对称U 型的潮汐水道剖面。假设α1＞α2，α1是潮汐水道陡坡的坡角，α2是潮汐水道缓坡的坡角，G 为中轴线与该剖面交点，G'为深泓线与剖面交点。那么中轴线偏向缓坡一侧。

而由三角函数可求得:

由式(2)和式(3)可得:

可见，影响中轴线与深泓线偏移的主要因素:h 为剖面最大水深，h 与潮位呈正相关关系;α1和α2为剖面坡角。它们之间的关系可以用式(4)表示。

图3 中轴线剖面分析Fig.3 Analysis of axis lines

图4 中轴线与深泓线偏移分析示意Fig.4 Analysis of offset between axis lines and thalweg

3 研究结果与分析

通过以上方法分别绘出7 个时期的小庙洪水道中轴线。水道中轴线的情况:整个水道呈NWW-SEE 走向，头部分支较多，呈爪状，主要为潮滩集水，中部有新开河港水道汇入，尾部有较大摆动。

为了更清楚地对小庙洪水道进行分析，将其中轴线划分为上、中、下3 段，上、中段的分界线为121°25'36″E;中、下段的分界线为121°34 '10″E，如图5。上段主要为小庙洪水道头部分支密集处，该段变化可以反映出小庙洪水道闸外汇水道的变化，中段考虑了新开河港的入水情况。

3.1 小庙洪水道上段中轴线变化

小庙洪水道中轴线上段在121°25'36″E 以西(图6)，1979 ～2009年间变化如下:

1)上段中轴线的长度变化。上段中轴线的整体变化趋势是变长的，1989年略有缩短。从1979年到2009年增加近50%。但是中轴线起点的变化却非常微弱，说明上段中轴线的弯曲度增加。

2)上段中轴线的主线摆动情况。以121°24'57″E 为界，该线以西，中轴线往北摆动，最大值为724 m，该线以东，中轴线往南摆动，最大值达860 m。整个主线的走势除1979年以外，其余5年走势基本相同。

3)上段中轴线分支变化。从分支分布来看，小庙洪水道上段中轴线的分支大部分分布在主线以北;从数量上看，1979 ～1989年是分支的发展增长阶段，从1979年的2 个分支到1987年的4 个，1989年时达到顶点，共有5 个分支，1989年后分支数量迅速减少，到1995年后只剩1 个;从分支长度来看，同样1989年是长度最长的年份，各分支长度都在3 000 m 左右，1993年时各分支长度就明显减少至1 000 m 左右。

图5 小庙洪1979 ～2009年中轴线变化示意Fig.5 Changes of axis lines in Xiaomiaohong from 1979 to 2009

图6 中轴线上段变化示意Fig.6 The change of upper section of axis line

3.2 小庙洪水道中段中轴线变化

小庙洪水道中段中轴线在121°25'36″E 到121°34'10″E 之间(图7)，1979 ～2009年间变化如下:

1)中段中轴线的长度变化。整体变化范围不大，控制在14 200 m 左右，说明中段中轴线的弯曲度变化不大。

2)中段中轴线的主线摆动情况。1979 ～2003年间中段中轴线以121°27'26″E 为界，该线以西，中轴线往南摆动，最大值为1 150 m，摆动幅度最大出现在1979 ～1987年时间段;该线以东，中轴线往北摆动，最大值在500 m 左右。整个主线的走势除1979年以外，其余5年走势基本相同。

3)中段中轴线分支变化。1987年开始在中段中轴线以南出现分支。从分支的入主线点来看，从1987年开始汇入点往下游移动，1987 ～1989年移动幅度最大达1 500 m，1993年后又开始往上游移动;从分支的长度看，1987 ～1993年分支增长到最大值，之后开始缩短;从分支的摆动来看，以121°28'5″E 为界，以西摆动较小，以东往东南向摆动，最大幅度600 m。

3.3 小庙洪水道下段中轴线变化

小庙洪水道下段中轴线在121°34'10″E 之东，1979 ～2009年间小庙洪水道下段中轴线的摆动情况:摆动范围在32°9'15″N 和32°8'16″N 之间，1979年主线在最北端，1989年到达最南端，之后在这两者之间摆动(图8)。

从小庙洪水道分支的变化情况可以看出小庙洪水道的上段起始处处于淤长状态，分支逐渐减少。而小庙洪水道中部南方出现了新的分支说明在小庙洪水道南部水动力较强。整体来说小庙洪水道在1979 ～2009年期间总长度变化不大，出现了南北的摆动情况，但摆动范围较小，相对来说整个小庙洪水道中泓比较稳定。

图7 中轴线中段变化示意Fig.7 The change of middle section of axis line

图8 中轴线下段变化示意Fig.8 The change of bottom section of axis line

4 结 语

1)通过对中轴线与同年地形数据叠加分析，发现中轴线的走势与潮汐水道深槽走势相似，可以用来代表潮汐水道的走势情况;但是中轴线与具体的潮汐水道深泓线还有一定的偏移，造成偏移的主要因素为潮位和潮汐水道坡角。进行分析计算后得到:偏移量与潮位呈正相关关系，公式中α1＞α2。

2)用遥感中轴线方法对小庙洪水道进行演变分析，通过7 景不同时期的遥感影像获取小庙洪中轴线，将中轴线分为上、中、下三段分别进行讨论，获得该水道1979 ～2009年间的演变情况:小庙洪水道的上段起始处处于淤长状态，分支逐渐减少，南部水动力较强，整个小庙洪水道中泓线比较稳定，对吕四港建设影响较小。总的来说，就是整体稳定，南部水动力强导致冲刷发展。

3)在得知造成中轴线偏移的因素后，可以对提取的中轴线进行纠正，以便更好地代表潮汐水道深泓线的走势，使监测结果更为准确。

志谢:感谢李欢、吴得力对于本文给予的帮助，感谢国际科学数据服务平台提供的免费遥感影像资料。

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