基于影像的潮灘坡降估算及其對海岸變化監(jiān)測的影響

基于影像的潮灘坡降估算及其對海岸變化監(jiān)測的影響

1總結(jié)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(xiàn)代黃河三角洲研究區(qū)屬不正規(guī)半日潮海區(qū),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(fā)生在半潮,落潮流速大于漲潮流速,呈往復(fù)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(qū)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(zhì)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(wèi)星影像用于分析海岸沖淤演化特征(表1)。依據(jù)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(jié)點瞬時水邊線的提取采用單波段密度分割法3.2衛(wèi)星過境時潮高為獲取準(zhǔn)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(biāo)定。依據(jù)丘仲鋒等建立的渤黃海二維潮汐伴隨同化數(shù)據(jù)模型式中:A將調(diào)和常數(shù)代入式(1),即可算出衛(wèi)星過境時的瞬時潮高,此外,本文還收集了本區(qū)內(nèi)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(gòu)建區(qū)域DEM來實現(xiàn),其對區(qū)域影像的時間跨度和潮位差異有較高的要求。本文假設(shè)粉砂淤泥質(zhì)潮灘的潮間帶內(nèi)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(jié)中方法提取水邊線,分別設(shè)為l利用3.2節(jié)中的方法計算出多年平均海平面、理論深度基準(zhǔn)面或1985國家高程基準(zhǔn)等各基準(zhǔn)面之間的關(guān)系,例如,取1985國家高程基準(zhǔn)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(xiàn)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(jiān)測研究區(qū)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?zhèn)€數(shù)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(shù)據(jù)基準(zhǔn)的確定相對誤差評估主要是基于計算結(jié)果內(nèi)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(nèi)各增選一個時相的影像數(shù)據(jù)作實驗驗證,采用三組數(shù)據(jù)進行分析,各組內(nèi)數(shù)據(jù)間最長時間間隔為3個月。依據(jù)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(shù)據(jù)的基準(zhǔn)(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(qū)段的平均坡降值。3.5.2潮灘坡度變化的長期監(jiān)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(jiān)測黃河三角洲海岸變遷,黃委會沿三角洲海岸共布設(shè)了36條固定斷面進行長期變化監(jiān)測(圖3a)。本文選取與研究區(qū)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(shù)據(jù)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(zhì)潮灘從陸向或海向均較難到達進行現(xiàn)場測量,因此,本文選取潮間帶測量數(shù)據(jù)較全的1984年、1992年、2004年和2009年的水深斷面數(shù)據(jù)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?zāi)攴莸钠骄陆捣謩e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(shù)量級,表明利用不同時相遙感數(shù)據(jù)計算的各斷面坡降值偏離程度較小,同時也顯示該區(qū)坡降在短期內(nèi)發(fā)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(gòu)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(zhǔn)確度,這里假定黃委會在黃河三角洲沿岸設(shè)立的36個固定斷面的長期監(jiān)測結(jié)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(shù)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(shù)據(jù),經(jīng)過統(tǒng)一高程基準(zhǔn)和差值等處理提取出1985高程基準(zhǔn)的海岸線位置。與相應(yīng)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(shù)據(jù)(表1),影像預(yù)處理后提取水邊線,然后依次進行潮位標(biāo)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(zhǔn)的海岸線位置。由計算結(jié)果對比可知,從1973到2009年該區(qū)海岸線總體上是侵蝕的,僅在甜水溝附近出現(xiàn)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(tǒng)計方法EPR(EndPointRate)統(tǒng)計的岸線變化率可知,岸線在自甜水溝向南的3km范圍內(nèi)處于淤積狀態(tài)(圖3A區(qū)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?yōu)榍治g,侵蝕速率逐漸增大,至21km處海岸蝕退率達到最大(圖3B區(qū)段),為51m/a;淄脈溝口和小清河口岸段海岸基本趨于穩(wěn)定,年均蝕退速率約為10m/a(圖6)。表明黃河入海泥沙對本區(qū)的直接淤積影響在甜水溝向南3km的范圍內(nèi)。依據(jù)478個斷面及其坡降值來計算潮灘的體積(圖7),研究時段內(nèi)岸灘年際變化較激烈,淤進與蝕退交替出現(xiàn),1973-1989年間總趨勢為緩慢蝕退,1989-2002年轉(zhuǎn)而出現(xiàn)大幅度淤積,2002-2009年則發(fā)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(fēng)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(dǎo)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(cè)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(qū)海岸由快速淤長轉(zhuǎn)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(xiàn)大范圍蝕退依據(jù)上述分析,大致可將本區(qū)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(fā)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(qū)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(zhuǎn),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(jié)果。將黃河利津站含沙量數(shù)據(jù)按影像時間間隔統(tǒng)計如圖7虛線所示,本區(qū)潮灘體積與黃河利津站實測來沙量無明顯相關(guān),可見黃河改道研究區(qū)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?yōu)橹饕颉?002-2009年,受強烈海洋動力作用,本區(qū)海岸處于持續(xù)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(qū)寬闊平坦潮灘取得較好的結(jié)果,然而,不同的地區(qū)潮流、波浪、海灘地形等類型復(fù)雜,關(guān)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(zhì)潮灘環(huán)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(shù)量級,絕對均方根誤差低于實測坡降一個數(shù)量級;用于計算坡降的兩景影像的潮高位于基準(zhǔn)面兩側(cè)較同側(cè)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(biāo)。甜水溝口至小清河口間岸段1973-2009年,淤積主要發(fā)生在甜水溝附近,最大淤