基于影像的潮滩坡降估算及其对海岸变化监测的影响

基于影像的潮滩坡降估算及其对海岸变化监测的影响

1总结海岸是地球和海洋之间的边界，即从地球到海洋的边界线。2潮差时最大潮差自1855年以来,黄河平均每10年改道一次,已频繁改道50余次,形成了北起套儿河口南至小清河口的扇形三角洲—现代黄河三角洲研究区属不正规半日潮海区,落潮历时大于涨潮历时,平均潮差1.25m。潮流属驻波型,最大流速发生在半潮,落潮流速大于涨潮流速,呈往复流动。最大潮差自黄河口的0.5m向南增至小清河口达2m,而潮流速则递减到小清河口为30~40cm/s。该区滩面为历史上黄河大量泥沙堆积而成,潮滩平坦宽广,宽约7~9km,平均坡度为0.45‰,组成物质主要为极细砂和粉砂,粒径介于0.125~0.016mm之间。3材料和方法3.1海岸冲淤特征选用1973-2009年32景Landsat-MSS/-TM/-ETM+卫星影像用于分析海岸冲淤演化特征(表1)。依据黄河水沙量变化和已有研究成果,影像选取包括1976年、1986年、1995年等几个重要的水沙变化和改道的时间结点瞬时水边线的提取采用单波段密度分割法3.2卫星过境时潮高为获取准确的岸线位置,并进行岸线变化分析,需对瞬时水边线进行潮位标定。依据丘仲锋等建立的渤黄海二维潮汐伴随同化数据模型式中:A将调和常数代入式(1),即可算出卫星过境时的瞬时潮高,此外,本文还收集了本区内羊角沟水文站实测的逐时潮位(1976-1998年)和高低潮位(1999-2010年)作为参照。3.3水边线的选取坡度校正通常采用构建区域DEM来实现,其对区域影像的时间跨度和潮位差异有较高的要求。本文假设粉砂淤泥质潮滩的潮间带内滩面坡度大致均一,选取两景过境时间尽量相距最短的影像,按照3.1节中方法提取水边线,分别设为l利用3.2节中的方法计算出多年平均海平面、理论深度基准面或1985国家高程基准等各基准面之间的关系,例如,取1985国家高程基准为h,则水边线l岸线变化分析采用ArcGIS扩展模块功能和DSAS软件实现3.4潮滩体积计算基于遥感提取的不同年代海岸线位置,可计算潮间带的面积变化量和海岸线间的距离变化量,以此监测研究区的潮滩淤蚀状况和岸线变化率等式中:S将等式(5)和(6)带入(4)中可得,那么,整个空间体的体积可表示为V其中,n等于DSAS分割的断面个数478,u为断面间距100m,u1、u2、p1、p2均可借助DSAS软件自动获取。3.5精度评价水边线坡度修正的精度评价采用相对误差分析和绝对误差分析两种定量评估方法。3.5.1实验数据基准的确定相对误差评估主要是基于计算结果内部的相互对比验证,本文分别在1973年、1980年、1989年和2007年四个年份内各增选一个时相的影像数据作实验验证,采用三组数据进行分析,各组内数据间最长时间间隔为3个月。依据各影像的潮位状况,选定1973/12/24、1980/06/08、1989/01/28和2007/06/15四个时相影像分别做为三组验证数据的基准(表2)。采用上文提到的方法,计算各组478个断面的坡降值,以求得研究区段的平均坡降值。3.5.2潮滩坡度变化的长期监测绝对误差分析是将遥感获取的坡度估算值与地形测量的实测值进行对比验证。1976年以来,为监测黄河三角洲海岸变迁,黄委会沿三角洲海岸共布设了36条固定断面进行长期变化监测(图3a)。本文选取与研究区海岸线基本垂直的10条断面用于验证研究,其断面编号为27-36(图3b)。断面水深数据从潮滩向深海,测量一次的时间周期约为1个月,期间潮滩坡度变化则不予考虑。由于粉砂淤泥质潮滩从陆向或海向均较难到达进行现场测量,因此,本文选取潮间带测量数据较全的1984年、1992年、2004年和2009年的水深断面数据用于计算潮滩真实坡降。各断面实测坡降,主要通过选取与影像提取的海岸线重叠或相近的水深值和水平距离计算得到。4潮滩坡面位移由表2所示,4个检验年份的平均坡降分别为0.654‰、0.572‰、0.450‰、0.762‰,通过对DSAS方法划分的478个断面进行均方根误差计算,得到其变化范围0.00323‰~0.00978‰,低于坡降值两个数量级,表明利用不同时相遥感数据计算的各断面坡降值偏离程度较小,同时也显示该区坡降在短期内发生了较大的变化。平均坡降估算误差(表2最后一列)受各年份相互验证的两景影像间的潮差之差(表2第四列)影响,两组影像间的潮差之差越小,二者估算的平均坡降值越接近。说明利用影像进行坡降估算具有可行性。该法不同于构建DEM模型获得海岸线位置为验证本文方法估算潮滩坡降值的准确度,这里假定黄委会在黄河三角洲沿岸设立的36个固定断面的长期监测结果是合理可靠的,则由影像估算潮滩坡降值和实测值的对比和误差(图5和表3),对四个年份的坡降值,采用10个实测断面计算的均方根误差为0.038‰~0.076‰,低于实测坡降值一个数量级。利用公式(2)将误差算至潮滩坡面上,估算的距离误差在20.34~171.35m之间。利用1976-2000年5个年份在7-10月份实测的水深和地形数据,经过统一高程基准和差值等处理提取出1985高程基准的海岸线位置。与相应年份遥感解译的海岸线位置进行分段均方根误差计算利用上述方法本文选取1973-2009年14个年份的影像数据(表1),影像预处理后提取水边线,然后依次进行潮位标定—断面分割—分段计算坡度—分段计算改正距离—得到1985高程基准的海岸线位置。由计算结果对比可知,从1973到2009年该区海岸线总体上是侵蚀的,仅在甜水沟附近出现少量淤积;平均蚀退距离约为929m,平均淤进距离719m(图3)。由DSAS软件的统计方法EPR(EndPointRate)统计的岸线变化率可知,岸线在自甜水沟向南的3km范围内处于淤积状态(图3A区段),最大淤积速率31m/a(图6);随着向南距离的增加,岸线年淤积率逐渐减小,最终变为侵蚀,侵蚀速率逐渐增大,至21km处海岸蚀退率达到最大(图3B区段),为51m/a;淄脉沟口和小清河口岸段海岸基本趋于稳定,年均蚀退速率约为10m/a(图6)。表明黄河入海泥沙对本区的直接淤积影响在甜水沟向南3km的范围内。依据478个断面及其坡降值来计算潮滩的体积(图7),研究时段内岸滩年际变化较激烈,淤进与蚀退交替出现,1973-1989年间总趋势为缓慢蚀退,1989-2002年转而出现大幅度淤积,2002-2009年则发生了严重侵蚀。已有研究表明,海面相对上升、入海泥沙量减少和风暴潮是莱州湾西南沿岸海岸蚀退的主要影响因素,其中,入海泥沙量的减少起主导作用1989-1995年,黄河河口已向外突出30多km,为清8出汊前清水沟流路河长最长时期1996年5月以后,黄河改向东北侧的清8汊河入海,入海泥沙对南部海岸影响降低,在海洋动力强烈作用下,本区海岸由快速淤长转为蚀退;而后,由于清水沟老河口在失去泥沙补给的情况下,海岸出现大范围蚀退依据上述分析,大致可将本区海岸演变过程归纳为三个阶段,即1976-1989年为受黄河改道影响,海岸线处于冲淤交替发生,而总体缓慢蚀退阶段;由分析可知,黄河改道引起的海洋动力的变化是本区这一阶段遭受侵蚀的主要原因。1989-2002年为快速淤积时期,是黄河尾闾河道外延、偏转,海洋动力和黄河入海泥沙的直接淤积与再悬浮泥沙搬运沉积等各因素综合作用的结果。将黄河利津站含沙量数据按影像时间间隔统计如图7虚线所示,本区潮滩体积与黄河利津站实测来沙量无明显相关,可见黄河改道研究区以北的清水沟流路时期,对自甜水沟向南3km以南海岸的影响主要以海洋动力的改变为主因。2002-2009年,受强烈海洋动力作用,本区海岸处于持续蚀退阶段。由于本文计算方法假定潮滩均一平坦,虽在黄河三角洲南部地区宽阔平坦潮滩取得较好的结果,然而,不同的地区潮流、波浪、海滩地形等类型复杂,关于本文方法的普遍适用性问题还需进一步研究探讨。5潮滩体积和泥石流沉积对于短期岸线变化较剧烈的粉砂淤泥质潮滩环境,本文提出了一种基于两景影像的简单的水边线坡度修正方法用于定量提取海岸线。精度分析表明:相对均方根误差低于估算坡降的两个数量级,绝对均方根误差低于实测坡降一个数量级;用于计算坡降的两景影像的潮高位于基准面两侧较同侧相比,改正后的海岸线更接近实测值。基于不同分段断面的潮滩坡降计算了潮滩体积,分析表明,该参量是反映潮滩冲淤变迁更可靠的衡量指标。甜水沟口至小清河口间岸段1973-2009年,淤积主要发生在甜水沟附近,最大淤