基于影像的潮灘坡降估算及其對海岸變化監測的影響

1總結海岸是地球和海洋之間的邊界，即從地球到海洋的邊界線。2潮差時最大潮差自1855年以來,黃河平均每10年改道一次,已頻繁改道50余次,形成了北起套兒河口南至小清河口的扇形三角洲—現代黃河三角洲研究區屬不正規半日潮海區,落潮歷時大于漲潮歷時,平均潮差1.25m。潮流屬駐波型,最大流速發生在半潮,落潮流速大于漲潮流速,呈往復流動。最大潮差自黃河口的0.5m向南增至小清河口達2m,而潮流速則遞減到小清河口為30~40cm/s。該區灘面為歷史上黃河大量泥沙堆積而成,潮灘平坦寬廣,寬約7~9km,平均坡度為0.45‰,組成物質主要為極細砂和粉砂,粒徑介于0.125~0.016mm之間。3材料和方法3.1海岸沖淤特征選用1973-2009年32景Landsat-MSS/-TM/-ETM+衛星影像用于分析海岸沖淤演化特征(表1)。依據黃河水沙量變化和已有研究成果,影像選取包括1976年、1986年、1995年等幾個重要的水沙變化和改道的時間結點瞬時水邊線的提取采用單波段密度分割法3.2衛星過境時潮高為獲取準確的岸線位置,并進行岸線變化分析,需對瞬時水邊線進行潮位標定。依據丘仲鋒等建立的渤黃海二維潮汐伴隨同化數據模型式中:A將調和常數代入式(1),即可算出衛星過境時的瞬時潮高,此外,本文還收集了本區內羊角溝水文站實測的逐時潮位(1976-1998年)和高低潮位(1999-2010年)作為參照。3.3水邊線的選取坡度校正通常采用構建區域DEM來實現,其對區域影像的時間跨度和潮位差異有較高的要求。本文假設粉砂淤泥質潮灘的潮間帶內灘面坡度大致均一,選取兩景過境時間盡量相距最短的影像,按照3.1節中方法提取水邊線,分別設為l利用3.2節中的方法計算出多年平均海平面、理論深度基準面或1985國家高程基準等各基準面之間的關系,例如,取1985國家高程基準為h,則水邊線l岸線變化分析采用ArcGIS擴展模塊功能和DSAS軟件實現3.4潮灘體積計算基于遙感提取的不同年代海岸線位置,可計算潮間帶的面積變化量和海岸線間的距離變化量,以此監測研究區的潮灘淤蝕狀況和岸線變化率等式中:S將等式(5)和(6)帶入(4)中可得,那么,整個空間體的體積可表示為V其中,n等于DSAS分割的斷面個數478,u為斷面間距100m,u1、u2、p1、p2均可借助DSAS軟件自動獲取。3.5精度評價水邊線坡度修正的精度評價采用相對誤差分析和絕對誤差分析兩種定量評估方法。3.5.1實驗數據基準的確定相對誤差評估主要是基于計算結果內部的相互對比驗證,本文分別在1973年、1980年、1989年和2007年四個年份內各增選一個時相的影像數據作實驗驗證,采用三組數據進行分析,各組內數據間最長時間間隔為3個月。依據各影像的潮位狀況,選定1973/12/24、1980/06/08、1989/01/28和2007/06/15四個時相影像分別做為三組驗證數據的基準(表2)。采用上文提到的方法,計算各組478個斷面的坡降值,以求得研究區段的平均坡降值。3.5.2潮灘坡度變化的長期監測絕對誤差分析是將遙感獲取的坡度估算值與地形測量的實測值進行對比驗證。1976年以來,為監測黃河三角洲海岸變遷,黃委會沿三角洲海岸共布設了36條固定斷面進行長期變化監測(圖3a)。本文選取與研究區海岸線基本垂直的10條斷面用于驗證研究,其斷面編號為27-36(圖3b)。斷面水深數據從潮灘向深海,測量一次的時間周期約為1個月,期間潮灘坡度變化則不予考慮。由于粉砂淤泥質潮灘從陸向或海向均較難到達進行現場測量,因此,本文選取潮間帶測量數據較全的1984年、1992年、2004年和2009年的水深斷面數據用于計算潮灘真實坡降。各斷面實測坡降,主要通過選取與影像提取的海岸線重疊或相近的水深值和水平距離計算得到。4潮灘坡面位移由表2所示,4個檢驗年份的平均坡降分別為0.654‰、0.572‰、0.450‰、0.762‰,通過對DSAS方法劃分的478個斷面進行均方根誤差計算,得到其變化范圍0.00323‰~0.00978‰,低于坡降值兩個數量級,表明利用不同時相遙感數據計算的各斷面坡降值偏離程度較小,同時也顯示該區坡降在短期內發生了較大的變化。平均坡降估算誤差(表2最后一列)受各年份相互驗證的兩景影像間的潮差之差(表2第四列)影響,兩組影像間的潮差之差越小,二者估算的平均坡降值越接近。說明利用影像進行坡降估算具有可行性。該法不同于構建DEM模型獲得海岸線位置為驗證本文方法估算潮灘坡降值的準確度,這里假定黃委會在黃河三角洲沿岸設立的36個固定斷面的長期監測結果是合理可靠的,則由影像估算潮灘坡降值和實測值的對比和誤差(圖5和表3),對四個年份的坡降值,采用10個實測斷面計算的均方根誤差為0.038‰~0.076‰,低于實測坡降值一個數量級。利用公式(2)將誤差算至潮灘坡面上,估算的距離誤差在20.34~171.35m之間。利用1976-2000年5個年份在7-10月份實測的水深和地形數據,經過統一高程基準和差值等處理提取出1985高程基準的海岸線位置。與相應年份遙感解譯的海岸線位置進行分段均方根誤差計算利用上述方法本文選取1973-2009年14個年份的影像數據(表1),影像預處理后提取水邊線,然后依次進行潮位標定—斷面分割—分段計算坡度—分段計算改正距離—得到1985高程基準的海岸線位置。由計算結果對比可知,從1973到2009年該區海岸線總體上是侵蝕的,僅在甜水溝附近出現少量淤積;平均蝕退距離約為929m,平均淤進距離719m(圖3)。由DSAS軟件的統計方法EPR(EndPointRate)統計的岸線變化率可知,岸線在自甜水溝向南的3km范圍內處于淤積狀態(圖3A區段),最大淤積速率31m/a(圖6);隨著向南距離的增加,岸線年淤積率逐漸減小,最終變為侵蝕,侵蝕速率逐漸增大,至21km處海岸蝕退率達到最大(圖3B區段),為51m/a;淄脈溝口和小清河口岸段海岸基本趨于穩定,年均蝕退速率約為10m/a(圖6)。表明黃河入海泥沙對本區的直接淤積影響在甜水溝向南3km的范圍內。依據478個斷面及其坡降值來計算潮灘的體積(圖7),研究時段內岸灘年際變化較激烈,淤進與蝕退交替出現,1973-1989年間總趨勢為緩慢蝕退,1989-2002年轉而出現大幅度淤積,2002-2009年則發生了嚴重侵蝕。已有研究表明,海面相對上升、入海泥沙量減少和風暴潮是萊州灣西南沿岸海岸蝕退的主要影響因素,其中,入海泥沙量的減少起主導作用1989-1995年,黃河河口已向外突出30多km,為清8出汊前清水溝流路河長最長時期1996年5月以后,黃河改向東北側的清8汊河入海,入海泥沙對南部海岸影響降低,在海洋動力強烈作用下,本區海岸由快速淤長轉為蝕退;而后,由于清水溝老河口在失去泥沙補給的情況下,海岸出現大范圍蝕退依據上述分析,大致可將本區海岸演變過程歸納為三個階段,即1976-1989年為受黃河改道影響,海岸線處于沖淤交替發生,而總體緩慢蝕退階段;由分析可知,黃河改道引起的海洋動力的變化是本區這一階段遭受侵蝕的主要原因。1989-2002年為快速淤積時期,是黃河尾閭河道外延、偏轉,海洋動力和黃河入海泥沙的直接淤積與再懸浮泥沙搬運沉積等各因素綜合作用的結果。將黃河利津站含沙量數據按影像時間間隔統計如圖7虛線所示,本區潮灘體積與黃河利津站實測來沙量無明顯相關,可見黃河改道研究區以北的清水溝流路時期,對自甜水溝向南3km以南海岸的影響主要以海洋動力的改變為主因。2002-2009年,受強烈海洋動力作用,本區海岸處于持續蝕退階段。由于本文計算方法假定潮灘均一平坦,雖在黃河三角洲南部地區寬闊平坦潮灘取得較好的結果,然而,不同的地區潮流、波浪、海灘地形等類型復雜,關于本文方法的普遍適用性問題還需進一步研究探討。5潮灘體積和泥石流沉積對于短期岸線變化較劇烈的粉砂淤泥質潮灘環境,本文提出了一種基于兩景影像的簡單的水邊線坡度修正方法用于定量提取海岸線。精度分析表明:相對均方根誤差低于估算坡降的兩個數量級,絕對均方根誤差低于實測坡降一個數量級;用于計算坡降的兩景影像的潮高位于基準面兩側較同側相比,改正后的海岸線更接近實測值?；诓煌侄螖嗝娴某睘┢陆涤嬎懔顺睘w積,分析表明,該參量是反映潮灘沖淤變遷更可靠的衡量指標。甜水溝口至小清河口間岸段1973-2009年,淤積主要發生在甜水溝附近,最大淤