辐射沙脊群海域地貌骨征线遥感解译探讨

2014-02-19丁贤荣葛小平

地理空间信息 2014年6期

张洁，丁贤荣，葛小平，潘进

（1.河海大学水文与水资源学院，江苏南京 210098；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098）

地貌骨征线是指能反映地貌单元骨架地形特征的线形标志，是研究地貌空间结构、构造的重要依据，它不仅体现了各个地貌单元的空间总体特征和动力地貌属性，还建立了地貌时空演变的参考系。辐射沙脊群的地貌骨征线包括正地貌的沙脊线和负地貌的沟槽线2类。

随着遥感应用研究的发展和深入，遥感技术应用于辐射沙脊群研究，利用地貌骨征线进行遥感演变分析也逐渐增多。丁贤荣等[1]利用二分水线演变来分析条子泥演变规律；康彦彦[2]利用遥感影像提取基本地貌特征线，确定潮水沟、分水滩脊线的二维平面位置，对潮水沟、分水滩脊线三维建模，利用三维信息插值模拟纳潮盆地地形；陈君等[3-5]利用地貌特征线对辐射沙脊群东沙、条子泥潮沟系统稳定性及辐射沙洲区域动态变化展开研究。传统地貌骨征线是通过对遥感影像的处理和研究者专家知识的积累进行提取，地貌特性的正确构建存在困难，且缺乏理论上的依据，地貌骨征线的唯一性得不到保证。

本文主要利用遥感影像光谱值与实测地形的相关性选取敏感因子，提取辐射等值线，利用其反映的水下地形特征来提取地貌骨征线，并结合地貌规律和历史地形地貌资料对骨征线进行检验。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

辐射沙脊群分布于江苏中部海岸，自射阳河口向南到长江口的蒿枝港[6]，整个沙脊以弶港为顶点，呈褶扇状向海辐射，脊槽相间分布[7]。该地区水动力条件复杂，水下地形多变，潮汐通道众多，水文资料匮乏。传统的随船定点调查的方式十分困难，且只能获取在时间、空间分布上离散的少量点的数据。遥感技术具有实时、连续、快速、高效的对地观测特点，借助其进行解译，快速提取水下地形信息，有助于研究辐射沙脊群动力地貌过程，为开发利用该区的土地资源、港口资源、风电资源、特色旅游资源和其他资源等提供必要的技术支撑。

研究区选择在废黄河口以南至长江口以北的江苏海域，包含了整个辐射沙脊群海域。

1.2 数据

遥感影像数据采用2012-04-26成像的HJ1_A星CCD2数据，影像数据质量较好，成像时天气晴朗，研究区无云层覆盖，水流清晰，水体信息丰富且层次感强，沙脊和潮沟分界明显。对遥感影像进行几何校正、水陆分离等预处理得到需要的研究区影像。

地形资料包括历史海图和实测地形资料，实测地形资料为2009年辐射沙脊群部分的实测水深数据，对地形资料进行几何校正和高程基准统一处理。

2 研究方法

本文基于同相水深-辐射关系率定原理[8]，利用辐射等值线提取辐射沙脊群区域的地貌骨征线，旨在寻求地貌骨征线提取的理论依据。技术路线如图1。

2.1 敏感因子选取

不同波段及波段组合对水下地形的敏感程度明显不同。为了选取最佳的地形敏感因子，本文对实测地形（麻菜珩与外磕角之间海域的542个实测点）与同时期影像各波段及波段组合进行相关性分析。表1为各波段与地形的相关性分析结果。通过表1可以看出，Band1～Band4相关系数逐渐增大，Band4达到最大，相关性最好。

图1 技术路线图

表1 地形与HJ影像各波段相关性

对HJ星影像4个单波段进行组合运算，与实测地形数据进行相关性分析。通过表2可以看出，B3+B4波段相关系数最高为0.698 6，其次是B1/B4、B1-B4和B2/B4，说明它们与水下地形的相关性较好，对地形高程值的变化较敏感。

表2 地形与HJ影像各波段组合相关性

2.2 地形修正模型

由于本文研究的HJ星影像和实测地形数据未进行过同步或准同步的水文泥沙测验，无法直接进行相关性分析，因此直接引用MODIS影像选取的悬沙敏感因子，将波段组合B3-B2、B3/B2和(B3-B2)/ (B3+B2)作为基于HJ星影像的悬沙敏感因子[9]来建立地形修正模型：

式中，A表示地形敏感因子；B表示悬沙敏感因子标准化值；C表示修正后地形敏感因子；α为修正系数。设定修正系数α分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8和1，并将悬沙敏感因子进行Min-Max标准化处理，将其转换为无量纲化的指标测评值代入修正模型进行计算（结果如表3），发现地形与修正后地形敏感因子的相关系数最大增幅为0.005 5，地形修正效果极不明显，因而直接选相关系数最大的B3+B4作为最佳地形敏感因子。

表3 地形与修正后地形敏感因子相关性

2.3 辐射等值线

经过研究区裁剪、水陆分离和地形敏感因子运算后，遥感图像的像元集中于一个很窄的光谱范围内，降低了人眼对光谱差异的分辨能力。因而，需要对敏感因子B3+B4进行拉伸处理，增大图像的水体光谱差异，增强不同深度水体的层次感。同时对影像进行卷积增强处理，削弱噪声对水深信息的干扰，突出图像中的水深信息。增强处理后的影像水下地形的直观性提高，水体辐射的等值分布得到改善，遥感影像呈现地形等高线的效果

增强处理后的影像反映水体辐射的等值差异，对处理后图像进行栅格矢量化，提取辐射等值线如图2所示。

图2 水下地形辐射等值线分布

由于研究区水动力条件复杂多变，悬沙泥沙分布不均，受悬沙后向散射影响不一，传感器成像时同物异谱和同谱异现象突出，悬沙高值区易被判读为浅水区，沙洲附近静水区易被判读为深水区。图像增强处理过程中，也削弱了部分水深信息，因而必须对辐射等值线进行合理性检验。检验过程中依据等深线特点、地形地貌规律和多时相遥感影像对辐射等值线进行制图综合，以恢复地形本相。

2.4 地貌骨征线提取

地貌骨征线的确定包括正地貌的沙脊线和负地貌的沟槽线的确定。传统的地貌骨征线提取办法是结合已有的地形资料和历史海图，在明确沙洲平面形态分布的基础上，沿沙洲长轴方向勾画水道最低点、沙脊最高点和两边边界点的连线，即为深槽线和沙脊线。

正地貌的沙脊线主要包括沙脊脊线和沙洲脊线，沙脊脊线也称二分水线[10]，是潮流沙脊2侧潮汐水道的交汇点的连线；沙洲脊线是长轴方向地形最高点的连线。负地貌的深槽线主要是指潮汐水道深槽线，是潮汐水道内部相对较深或最深处的连线。辐射等值线具有地形等高线的视觉效果，可以显现出水下沙洲、沙脊、深槽的平面形态分布和相对水深差异。穿过辐射等值线最高值区长轴方向的连线为沙洲脊线，如图3所示。穿过辐射等值线最低值区或相对低值区长轴方向的连线为深槽线。通过该方法提取整个研究区的地貌骨征线，如图4所示。

图3 基于辐射等值线的地貌骨征线提取

图4 辐射沙脊群地貌骨征线

3 检验与验证

3.1 合理性检验

合理性检验是根据地貌规律的检验，主要是根据动力地貌体系的完整性、地貌单元的连续性与完整性、地貌单元之间的空间合理性和地貌类型之间的逻辑合理性等进行检验，如2条脊线之间必有一条槽线，2条槽线之间必有一条脊线等。合理性检验的基本原则是主要地貌特征合理，避免地貌骨征线提取结果出现某些原则性、概念性错误。本文在提取辐射沙脊群地貌骨征线的过程中，充分兼顾地貌规律，边提取边检验。经多次检验后认为，地貌骨征线提取结果没有明显的原则性错误，其分布规律是比较合理的。

3.2 对比验证

对比验证主要是依据同一研究区的地貌图、地形图、沉积图和动力图等进行对比分析，发现地貌骨征线提取结果的局部细节性变化或错误。辐射沙脊群水动力条件复杂，冲淤多变，实测地形资料匮乏，因此本文主要依据历史海图和2009年实测地形数据（高程数据）对利用辐射等值线提取的地貌骨征线进行验证。但因辐射沙脊群冲淤多变，遥感影像与实测地形有一定时间间隔，局部地区不稳定，沙脊、潮汐水道会发生不同程度的摆动，地貌骨征线也会随之发生变化。从地形角度验证沙脊线和潮汐水道深槽线提取结果基本上符合实测地形，如图5所示。

图5 地貌骨征线的地形验证

4 结语

地貌骨征线遥感演变分析法是对遥感叠置分析法的深化，利用地貌骨征线构建实际地物中稳定、能代表地物标识的相对固定的特征点与遥感影像之间的桥梁，增加遥感方法的可信度。利用辐射等值线提取地貌骨征线，建立了辐射沙脊群地貌骨征线与遥感影像的一一对应关系，使地貌骨征线以特别的方式在遥感影像上形象化、直观化。该方法使地貌骨征线的提取具有理论上的合理性与可视化的操作性，克服了传统意义上依靠历史地形资料勾画地貌骨征线的局限性和依据专家经验勾画地貌骨征线的不确定性，对于缺乏实测数据的海区，也可以准确、快速、有效地提取地貌骨征线。

利用辐射等值线提取地貌骨征线在操作过程中对遥感影像质量要求较高（无云、低潮、息流、水体信息丰富且层次感较强的影像才能够提取能反映水下地形特征的辐射等值线）。对于受悬沙影响较大的海域，传感器成像时同物异谱和同谱异物现象突出，需要对辐射等值线进行合理性检验和制图综合。

[1]丁贤荣,康彦彦.辐射沙脊群条子泥动力地貌演变遥感分析[J].河海大学学报,2011,39(2):231-236

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[4]陈君,冯卫兵,张忍顺.苏北岸外条子泥沙洲潮沟系统的稳定性研究[J].地理科学, 2004, 24(1): 94-100

[5]陈君,张忍顺.江苏岸外辐射沙洲区域动态变化的遥感研究进展[J].海洋科学,2004,28(2):77-80

[6]张长宽.江苏近海海洋综合调查与评价专项总报告[M].北京：科学出版社, 2012

[7]王颖.黄海陆架辐射沙脊群[M].北京:中国环境科学出版社,2002

[8]丁贤荣, 张鹰, 王文.同相水深—辐射关系率定[J].河海大学学报, 1998, 26(6):73-76

[9]潘进,丁贤荣,康彦彦.辐射沙脊群海域悬沙场遥感反演方法[J].地理空间信息， 2013,11(2):82-88

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