基于MSS/ETM影像辐射沙脊群沙脊地貌遥感演变分析

2015-02-19金宇豪丁贤荣葛小平

地理空间信息 2015年6期

金宇豪，丁贤荣，葛小平

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

辐射沙脊群分布于苏北海岸与黄海内陆架海域，呈辐射状分布[1]，其海域潮差大、潮流急的复杂的水沙动力条件，脊槽相间、滩宽沟深、冲淤多变的地貌情况，使在辐射沙脊群上使用常规的交通工具和仪器观测设备进行长期观测和取样调查非常困难[2,3]。

遥感技术具有在大空间范围内实时、连续、准确监测的能力，可以有效补充野外常规调查工作的不足，被广泛应用于开展辐射沙脊群海域动力地貌过程研究。吴曙亮等对比分析苏北海岸带1970 年代以来的Landsat遥感影像，对辐射沙脊群沙洲及潮汐水道的分布和演变进行了研究[4]；刘永学等提出系列遥感影像与海图叠合法分析辐射沙洲动态变化，以避开对不同时相遥感影像进行潮位校正的难点[5]；张鹰利用遥感方法反演生成辐射沙脊群地形，分析冲淤变化[6,7]；高敏钦等研究基于DEM的南黄海辐射沙脊群冲淤演变[8]。结合前人的研究成果并针对上述问题，本文以辐射沙脊群沙脊地貌特征线为切入点，研究辐射沙脊群动力地貌演变的遥感分析新方法，致力于解决复杂的水沙动力环境所造成的辐射沙脊群动力地貌复杂多变[9,10]、认识困难的问题。

1 研究数据

本文的基础数据是1973～2011年近40 a的10幅低潮位遥感图像，以MSS/ETM遥感影像为主要数据源。为研究需要，选取的影像在保证图像质量良好的情况下，成像时间间隔尽量均匀。根据辐射沙脊群海域涨落潮时间和附近测站的潮位资料来确定大潮低潮位时间，结合卫星过境时间选择该时间段的数据图像，以保证所用图像均处于低潮位状态下出露宽阔的潮滩，最后从中遴选出沙洲出露面积最大的遥感影像序列，研究区范围见图1。

图1 辐射沙脊群研究区范围

2 研究方法

本文采用遥感方法分析辐射沙脊群的地貌演变。首先通过遥感影像提取辐射沙脊群的沙脊地貌特征线，在此基础上分析特征线的演变，进而获取辐射沙脊群的演变规律。采用沙脊的二分水线演变分析法及沙脊结构分析法，研究沙脊的动态变化状况，同时采用基于低潮水边线的沙脊稳定性分析法，分析出露沙脊面的稳定性分布状况，总结辐射沙脊群的沙脊地貌演变规律，实现技术路线见图2。

2.1 图像增强

图2 技术路线图

本研究进行影像增强的主要目的是更好地区分辐射沙脊群潮滩和水体，以突出体现沙脊的基本形态，包括走向、边界，以便人工解译判别沙脊二分水线。主要采用辐射增强处理中的交互式拉伸法对辐射沙脊群海域遥感影像进行增强处理。交互式拉伸方式有7 种，本文采用其中的线性对比度拉伸来具体处理,见图3。

图3 2003年遥感影像增强对比

2.2 二分水线提取

提取沙脊二分水线，是基于本文潮成动力地貌体系理论研究中对水下及潮流沙脊的遥感认识，通过目视解译进行数字化遥感提取。纳潮盆地的边界线是分水线，因而分属于两大竞争流域的下级分支所属的相邻纳潮盆地的公共边界线是沙脊的分水线，各个相邻的公共边连接成线即形成了沙脊的二分水线[11,12]。

3 沙脊地貌分析

3.1 沙脊主轴结构

本文通过地貌主轴线方位角规律呈现辐射沙脊群沙脊地貌结构，并基于地貌特征线的提取，得到各段特征线权重以及分段方位角，再通过加权平均法，将沙脊主轴分段分权重进行量化分析。通过加权平均法求沙脊角度，将地貌特征线划分为n段，角度值为θi，确定一组权重w1，w2，…，wn,方位角为：

从表1可以看出，辐射沙脊群沙脊主轴结构呈一定规律，以大丰、如东一带海岸带为中心，辐射沙脊群主体沙脊向北、东北、东、东南方向呈辐射状发散趋势。其中，辐射沙脊群主体沙脊东沙、麻菜珩向正北方向延伸；毛竹沙和蒋家沙向东南向延伸；腰沙冷家沙和河豚沙向正东方向延伸；顾园沙向东南向延伸势。

表1 沙脊主轴结构走向

3.2 二分水演变

二分水滩脊是一个重要的海岸动力地貌特征线，辐射沙脊群沙脊演变通过沙脊二分水线的摆动规律来呈现。沙脊二分水线的摆动主要表现为3种方式：持续摆动型、反复稳定型、复杂多变型[13]。

根据1973年以来10期沙脊二分水线叠加分析，可知辐射沙脊群沙脊演变呈现一定规律，辐射沙脊群沙脊以南北分界点为中心轴顺时针转动（图4）。辐射沙脊群主体沙脊东沙、高泥向远离海岸方向摆动；条子泥自北向南摆动；麻菜珩和蒋家沙自北向南摆动；毛竹沙和竹根沙根部自南向北摆动，尾部反复摆动，近似于稳定状态。

图4 沙脊二分水演变

以其中典型沙脊——东沙为例分析。整体演变规律是自西向东摆动，且北部摆幅小于南部。而局部东北方向沙脊演变规律是西北至东南向摆动，北部摆幅小于南部（图5）。1973～1992年演变阶段，沙脊整体自西向东摆动，北部摆幅低于南部，摆幅从北向南逐渐增加，北部最大摆幅3.2 km，南部最大摆幅3.4 km,可认为是持续性摆动的沙脊。此外，1992～2011年演变阶段，东沙演变可分为南北两段，分界点以北，沙脊自东向西摆动，摆幅较小，最大处为1.5 km；分界点以南，沙脊自西向东摆动，且摆幅从北向南逐渐增加，北部最大摆幅2.7 km，南部可达4.0 km。

图5 东沙二分水演变

3.3 沙脊群稳定性验证

辐射沙脊群稳定性分析采用多时相遥感与空间叠置分析相结合的方法。同一个地貌单元长期存在，视为稳定，反之，视为非稳定。潮滩遥感监测选取了1973～2011年间10幅低潮位遥感影像，提取沙洲滩面水边线，确定其空间分布信息。通过监测其遥感形态变化，统计潮滩出现频率，进行辐射沙脊群地区稳定性分析。

从表2可以看出，辐射沙脊群区的总面积约为668 km2，其中近40 a演变中，不稳定区域面积为40.67 km2，基本稳定区域面积为199.02 km2，稳定区域面积为428.47 km2（图6）。在稳定性分析面积统计的基础下，可以看出辐射沙脊群整体处于稳定状态，但基本稳定区域及不稳定区域仍占很大比例。其中东沙滩涂稳定性最好，高泥次之，条子泥稳定性最差。

表2 近40 a来辐射沙脊群滩涂面积统计

4 结语

本研究建立了新方法，同时对辐射沙脊群动力地貌演变形成了新认识。辐射沙脊群沙脊40 a间演变的规律明显，沙脊存在以南北分界点为中心轴顺时针转动的整体趋势。相较于前人对辐射沙脊群地貌演变分析，本文引入沙脊二分水线分析动力地貌演变。利用沙脊加权平均法确定主轴方位角，作为判断沙脊走向的主要依据。该方法首次全面系统地分析了辐射沙脊群各大沙脊的演变规律，对实测资料短缺的辐射沙脊群区域具有实用价值。