劉燕春, 張 鷹

（南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210046）

遙感中軸線法在江蘇輻射沙洲潮溝演變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉燕春, 張 鷹

（南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210046）

根據(jù)1988～2008年的4景TM影像, 對(duì)江蘇輻射沙洲地區(qū)5條主要潮溝的動(dòng)態(tài)演變研究方法進(jìn)行了探討。針對(duì)潮溝的特殊地形和復(fù)雜多變情況, 引入數(shù)學(xué)中的中軸線概念, 提出了遙感中軸線法, 通過(guò)中軸線位置的變化定量地表述潮溝演變。根據(jù)GIS中Voronoi圖（V圖）的特性, 將中軸線的求取轉(zhuǎn)換成V圖的生成過(guò)程, 用ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn), 將傳統(tǒng)的目視解譯方法改進(jìn)為自動(dòng)提取, 提取不同時(shí)相影像中軸主軸。研究結(jié)果表明: （1）用遙感中軸線法對(duì)不同時(shí)期的大型潮溝進(jìn)行分析, 可較快、較準(zhǔn)確地揭示潮溝的動(dòng)態(tài)演變; （2）比較1988～2008年的潮溝軸線, 西洋深槽變化最大, 西岸蝕退、東岸東移; 其他4條潮溝均在南北方向上做往復(fù)擺動(dòng), 且逐漸趨于平緩。中軸線法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潮溝動(dòng)態(tài)演變快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)以及為整個(gè)輻射沙洲的開(kāi)發(fā)建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

遙感中軸線法; 輻射沙洲; 潮溝演變; Voronoi圖

江蘇中部近岸淺海區(qū)存在呈輻射狀分布的一系列水下沙脊, 稱為輻射沙洲, 弶它們基本上以 港為中心, 自北向南由東沙、竹根沙、蔣家沙、冷家沙、條子泥等大型沙洲組成[1]。區(qū)域內(nèi)潮流作用較強(qiáng), 主要受東海前進(jìn)潮波系統(tǒng)和南黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)控制,兩個(gè)潮波系統(tǒng)在弶港附近匯合, 致使岸灘輻射狀潮溝極為發(fā)育[2]。輻射沙洲地區(qū)的大型潮溝主要有西洋、陳家塢槽、苦水洋、黃沙洋、爛沙洋等（圖1）。

潮溝通過(guò)不斷地側(cè)向遷移、擺動(dòng)來(lái)改變沙洲的分布, 同時(shí)影響潮灘的穩(wěn)定性。因此, 潮溝演變的研究對(duì)輻射沙洲和潮灘的動(dòng)態(tài)演變、海岸帶的開(kāi)發(fā)利用以及海岸工程的建設(shè)等方面均有重要意義[3]。輻射沙洲地區(qū)潮溝規(guī)模大、變化快、地形及動(dòng)力條件復(fù)雜, 對(duì)潮溝位置及其變遷的常規(guī)調(diào)查十分困難, 而遙感手段以其快速、高效、連續(xù)地獲取地表信息來(lái)揭示地物特征性質(zhì)及其變化的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì), 可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)多變、復(fù)雜的潮溝地形的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

通常對(duì)河床演變的研究都是利用中泓線、深泓線或主泓線等方法實(shí)現(xiàn)的, 現(xiàn)有對(duì)輻射沙洲內(nèi)潮溝演變的研究也基本都基于這些方法[4-5], 但這些都需要精確的實(shí)測(cè)資料; 而遙感方法的特點(diǎn)是從平面的角度研究地物特征, 因此將潮溝作為面狀要素, 引入數(shù)學(xué)中的中軸線概念, 提取不同時(shí)期的潮溝中軸線來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演變分析, 這是與傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法的最大區(qū)別, 也是其獨(dú)特之處。

1 數(shù)據(jù)收集與處理

1.1 數(shù)據(jù)收集

為分析輻射沙洲潮溝歷年來(lái)的移動(dòng)、變遷情況,收集了1988～2008年的TM影像4景, 各時(shí)相影像均為低潮位或接近低潮位, 云量極少, 岸線清晰。影像具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)影像參數(shù)Tab. 1 Image parameters of the research area

1.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì) 4景 TM 影像選擇高斯-克呂格 21度帶（GKZone 21）投影, WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng), 然后選取圖像上清晰可辨且不易變動(dòng)的地物作為控制點(diǎn), 進(jìn)行圖像-地面控制點(diǎn)配準(zhǔn)。4景影像采用統(tǒng)一的23個(gè)地面控制點(diǎn)和二次多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)校正, 并統(tǒng)一選用最臨近的重采樣方法, 校正的均方根誤差（RMS）均小于0.3個(gè)像元。這樣使校正過(guò)后不同時(shí)相的影像處于同一誤差分布下, 消除了由誤差不一樣引起的對(duì)潮溝監(jiān)測(cè)的影響。

圖1 江蘇輻射沙洲分布圖Fig. 1 The distribution of radial sandbanks of Jiangsu Province

對(duì)影像做主成分分析并不改變圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)的內(nèi)在空間結(jié)構(gòu), 而是使斜交坐標(biāo)軸正交化, 突出了引起類間差別的本質(zhì)因素, 因此類間距離能充分表現(xiàn)出來(lái)。在幾何上表現(xiàn)為主成分分析后的類間距離為實(shí)在距離, 而斜交坐標(biāo)軸下的類間距離為實(shí)在距離在斜交坐標(biāo)軸上的投影, 是一種視在距離[6]。因此,對(duì)遙感影像做主成分分析以增強(qiáng)圖像。

2 遙感中軸線法

多邊形中軸也叫多邊形的對(duì)稱軸（symmetric axis）、骨架線（skeleton）, 或多邊形的中線（center line）。在某種程度上, 多邊形的中軸結(jié)構(gòu)可以反映出原多邊形的形狀特征, 因此可作為形體的分析工具,用于形體的描述和特征識(shí)別。目前面狀要素中軸線的兩種傳統(tǒng)提取方法為: 垂線族法[7]和柵格形態(tài)變換法[8]。

還有近年來(lái)很多學(xué)者提出的一種基于矢量數(shù)據(jù)的新方法, 即利用約束 Delaunay不規(guī)則三角網(wǎng)提取面狀要素中軸線。該方法的關(guān)鍵在于Delaunay三角網(wǎng)的構(gòu)建, 并逐步加入約束條件, 調(diào)整 Delaunay三角網(wǎng)為約束 Delaunay三角網(wǎng), 但是插入約束條件后不同的經(jīng)驗(yàn)值會(huì)產(chǎn)生不同的 Delaunay三角網(wǎng), 從而生成不同的中軸線[9]。

由此可見(jiàn), 隨著約束條件的逼近, 所求的中軸線收斂程度越高, 也就是說(shuō)提取的只是近似的中軸線。因此, 我們從中軸線定義入手, 嚴(yán)格按照定義來(lái)獲取真正的中軸。

2.1 中軸線的定義

中軸線的定義: 設(shè)多邊形P的中軸線為P內(nèi)的點(diǎn)集, 則該點(diǎn)集中的點(diǎn)與多邊形中不同邊（或多邊形邊的延長(zhǎng)線）中兩個(gè)或兩個(gè)以上點(diǎn)距離相等[10]（圖2）。

圖2 多邊形中軸線Fig. 2 Medial Axis of Polygon

2.2 中軸線和Voronoi圖的關(guān)系

Voronoi結(jié)構(gòu)的概念是由俄國(guó)數(shù)學(xué)家Voronoi于1908年發(fā)現(xiàn)并以他名字命名的。Voronoi圖（簡(jiǎn)稱 V圖）是對(duì)平面內(nèi)n個(gè)離散點(diǎn)而言的, 它把平面分為幾個(gè)區(qū), 每一個(gè)區(qū)包括一個(gè)點(diǎn), 該點(diǎn)所在的區(qū)是到該點(diǎn)距離最近的點(diǎn)的集合。

V圖、障礙V圖、廣義V圖的多邊形邊界提供了全形態(tài)、障礙、非障礙完備空間和廣義加權(quán)距離的等距線、等比線、等勢(shì)線等是具有嚴(yán)密數(shù)學(xué)意義且具有廣泛使用價(jià)值的軌跡線。例如在交匯線中便是角平分線或彎曲對(duì)稱軸, 在封閉圖形中便是中軸線或 Bimedial骨架, 它實(shí)際描繪了大自然的幾何輪廓或者說(shuō)地圖圖形的幾何輪廓[11]。

所以, 多邊形的中軸線是由 Voronoi邊和Voronoi頂點(diǎn)組成的, 求多邊形的中軸線就是求多邊形的Voronoi圖。

2.3 V圖生成方法

多邊形的中軸實(shí)際就是邊界 Voronoi圖的鄰邊的集合, 提取中軸線的方法就等同于 V圖的生成方法。目前生成 V圖的方法歸納起來(lái)只有兩種: 矢量方法和柵格方法。

矢量方法生成 V圖大多是對(duì)點(diǎn)實(shí)體進(jìn)行的, 一般分為三類: 對(duì)偶生成法、增添法、部件合成法。該算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜; 其生成元基于離散點(diǎn)集,用離散點(diǎn)集代替線、面, 使空間實(shí)體的完整性遭到破壞。

柵格生成V圖方法一般均是在距離變換的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。柵格和矢量空間中距離的定義是不一樣的, 矢量空間中距離是指“歐幾里德距離”, 而柵格不是, 因此就需要做距離變換。一般分為兩類: 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)距離變換法產(chǎn)生V圖和地圖代數(shù)距離變換方法生成V圖。

根據(jù)上述算法思想, 運(yùn)用 ArcGIS軟件, 將影像中潮溝作為實(shí)體, 最終可生成到潮溝對(duì)應(yīng)邊距離相等的Voronoi邊界[12]。由前述定義和特性可知, 多邊形的中軸是其邊界的 Voronoi圖的鄰邊的有序集合,成樹(shù)狀結(jié)構(gòu), 但是在研究潮溝變化時(shí), 只需要最中間的那條軸線, 因此只取中軸線的主軸。中軸線主軸仍是潮溝中軸的一部分, 其到潮溝兩邊界的距離仍然相等。因此提取 Voronoi多邊形主軸作為潮溝中軸。

3 潮溝中軸線提取

3.1 水陸分離

將潮溝作為面狀要素提取中軸線, 首先要將潮溝從影像中分離出來(lái)。目前遙感影像水體提取方法有很多種, 其中閾值法是比較常用的一種。根據(jù)TM5良好的水陸對(duì)比性, 采用閾值分割進(jìn)行水陸分離。

以 1995年影像為例, 取水陸交界處任意斷面,觀察TM5波段影像DN值（Digital Number, 是遙感影像像元亮度值, 記錄的地物的灰度值。無(wú)單位, 是一個(gè)整數(shù)值, 值大小與傳感器的輻射分辨率、地物發(fā)射率、大氣透過(guò)率和散射率等有關(guān)。）的變化（圖 3）,發(fā)現(xiàn)5波段水體閾值為[40, 12], 因此選取12作為水陸分界的閾值, 建立掩膜, 將水體與陸地分離開(kāi)來(lái)。然后將掩膜過(guò)的影像分辨率重采樣成200 m。同樣的方法將所有影像做水陸分離。

圖3 典型斷面DN值圖Fig. 3 DN values of arbitrary section

3.2 提取中軸線

水陸分離后的影像成為只包含有水（0）和陸（1）信息的2值圖像, 導(dǎo)入到ArcGIS中。加載ArcScan模塊, 再加入新建的 shp.文件, 使之處于編輯狀態(tài)下,激活A(yù)rcScan模塊[13]。在Vectorization功能下, 選擇Vectorization Setting進(jìn)行屬性值設(shè)置。最大線寬設(shè)置成最大值100。這是經(jīng)過(guò)調(diào)試后選取的, 因?yàn)橛跋穹秶^大, 大型潮溝較寬, 如若線寬設(shè)置過(guò)小, 提取將只針對(duì)岸上部分進(jìn)行。再在Options里將要提取的部分設(shè)置成前景色, 另一種為背景色。這些設(shè)置完成后,即可對(duì)圖像進(jìn)行矢量化提取。最后將提取結(jié)果中較細(xì)的分支去除, 并對(duì)照影像去除延伸上岸灘的多余分支, 得到五大潮溝的中軸主軸線。提取的結(jié)果是每條中軸線由若干條細(xì)小的線段組成, 因此將它們合并, 并做平滑處理, 得到最終結(jié)果。

4 潮溝演變分析

4.1 1988～1995年5大潮溝的變遷

西洋潮流通道是王港外輻射沙洲區(qū)內(nèi)側(cè)的水道深槽, 平面上呈向西北偏北開(kāi)口的喇叭形, 深槽內(nèi)以小陰沙和瓢兒沙為界分為東西兩支。1988到1995年間,潮溝東西分支分叉點(diǎn)位置向南移動(dòng)了1.08 km。相對(duì)1988年?yáng)|支在1995年時(shí)中下部向東偏移, 最大距離達(dá)2.40 km, 且尾部較1988年向北縮進(jìn)了1.78 km。西支潮溝7 a間變化相比東支大很多, 1988年西分支被北尖子西南的新沙洲分成兩支, 走向近乎平行于東支, 到1995年, 新沙洲分別向東西兩側(cè)堆積殆盡,使得西支潮溝加寬且向西南偏西方向延伸達(dá) 15.34km。

陳家塢潮溝呈東北-西南走向, 7 a間總體變化不大,較為穩(wěn)定。頭尾兩側(cè)基本一致, 中部略向南北做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1988年潮溝兩端較為平直, 中間段向東南方向彎曲, 整體呈倒“Ω”狀, 而1995年趨于平直。

苦水洋潮溝頭部在1988年分為兩支, 其中北部的一支向西延伸, 將條子泥和蔣家沙分離開(kāi)來(lái), 南部分支較短較弱, 分叉點(diǎn)以東部分呈波浪線型。到1995年頭部的分叉變?yōu)橐恢? 沿著之前的南部分支向西延伸, 中部較1988年平緩, 尾部向北翹起。

從1988年到1995年, 黃沙洋潮溝頭部向西北延伸 3.05 km, 同樣, 1995年該潮溝軸線也更為平緩,只是在下部曲率增大。爛沙洋潮溝頭部在 1988到1995年的7 a間僅向北移動(dòng)了0.45 km, 整條潮溝軸線前半部分基本重合, 變化極小, 而中下部則由于分散小沙洲的消失從原來(lái)的東北走向改為東南走向,最大偏移距離達(dá)6.96 km（圖4a）。

4.2 1995～2003年五大潮溝的變遷

西洋深槽軸線總體變化可以分叉點(diǎn)為界分為兩部分, 分叉點(diǎn)以北變化相對(duì)較小, 以南則擺幅較大。潮溝頭部向西偏移, 最大距離1.47 km, 上部較為穩(wěn)定, 略有偏移, 分叉點(diǎn)北移0.51 km, 下部曲率變小,趨于平緩, 且整體南移。到 2003年, 西支東移北退約達(dá)15 km。

陳家塢潮溝變化較大, 1995～2003年明顯地整體向東南移動(dòng)且更為平直。頭部移動(dòng)1.61 km, 尾部則多達(dá)6.17 km?？嗨蟪睖? a間整體南移且在頭部分叉。尾部縮進(jìn)約12 km。黃沙洋潮溝基本穩(wěn)定, 頭部稍有偏移, 整體變平直, 尾部縮進(jìn)約10 km。爛沙洋潮溝上半部分稍有南移, 下半部分較1995年變?yōu)槠街鼻蚁驏|北偏移, 最大偏移4.69 km, 同樣尾部也較1995年縮進(jìn)約6 km（圖4b）。

4.3 2003～2008年五大潮溝的變遷

西洋深槽上部基本保持穩(wěn)定, 分叉點(diǎn)北移了1.68 km, 而分支的下部擺幅較大, 其中東部的分支較2003年南伸2.65 km。陳家塢潮溝在5 a間頭部強(qiáng)烈向沙洲外緣移動(dòng)達(dá)7.01 km。潮溝整體南移, 但幅度不大?？嗨蟪睖项^部分叉消失, 上半部近乎平行南移, 下部近乎重合, 2008年尾部稍往北偏。黃沙洋潮溝頭部改道南移, 弶使得頭部更接近 港, 除此之外潮溝小有擺動(dòng), 基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。爛沙洋潮溝也是整體變得平直, 頭部稍有南移, 中下部向北突起,北移 4.31km（圖 4c）。

4.4 1988～2008年五大潮溝的總體變遷

綜合上述分析, 可以看出五大潮溝中西洋深槽變化最大, 其 20年間的變化主要為: （1）1988年北尖子從條子泥分離出來(lái), 在其西南部形成新的沙洲—西北尖子沙脊, 使得該年西洋深槽的西分支又被分為東西兩支; （2）1995年西支規(guī)模較大, 中軸線向西南延伸到弶港岸外, 之后不斷東移西退至梁垛河閘岸外; （3）1988～2008年西洋深槽西岸蝕退、東岸東移（圖4d）, 以上結(jié)論均與已有結(jié)論一致[5]。

陳家塢槽20年來(lái)總體向東南方向擺動(dòng), 趨于平直, 頭部穩(wěn)定, 尾部擺動(dòng)劇烈且隨意; 苦水洋則是近乎向東南方向平移, 同時(shí)潮溝從1988年的彎曲走勢(shì)逐漸過(guò)渡到2008年的平直; 黃沙洋20年間變化不大,位置基本保持, 弶在南北方向上略有擺動(dòng)。頭部向 港西移延伸; 爛沙洋變化最小, 僅略微向南移動(dòng)。

圖4 輻射沙洲五大潮溝的演變Fig. 4 Dynamic changes of five main tidal creeks

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

利用20 a間4個(gè)時(shí)相的TM影像, 對(duì)研究區(qū)內(nèi)5條較大潮溝的動(dòng)態(tài)演變方法進(jìn)行了探討。在研究中,借助遙感的手段和中軸線的概念, 將兩者結(jié)合成為遙感中軸線法, 提取出5條潮溝中軸線進(jìn)行比較, 相比前人用中泓線、深泓線等方法有較大改進(jìn)。

對(duì)蘇北岸外大面積的輻射沙洲來(lái)說(shuō), 特殊的地形和沖淤的多變使得動(dòng)態(tài)演變監(jiān)測(cè)較為困難, 尤其是實(shí)地測(cè)量, 幾乎難以實(shí)施, 而用遙感中軸線法最大的優(yōu)點(diǎn)是能快速、精確地對(duì)大面積的區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 省時(shí)省力。但是不同潮位對(duì)中軸線位置的影響以及可能由此造成的誤差還有待進(jìn)一步的探討,以使該方法更為完善。

5.2 結(jié)論

由上述潮溝演變分析結(jié)果可知, 該方法對(duì)潮溝的動(dòng)態(tài)演變研究是合適的、簡(jiǎn)單有效的, 相對(duì)之前用目視解譯方法直接從影像勾畫有了大的改進(jìn), 可以定量地分析潮溝的擺動(dòng)方向、速度及距離, 較為清晰地反映出輻射沙洲地區(qū)潮溝整體20 a間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì): 西洋深槽變化最大, 西岸蝕退、東岸東移; 其他 4條潮溝均在南北方向上做往復(fù)擺動(dòng), 且逐漸趨于平緩。

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Received: Jun., 29, 2009

Key words:radial sandbanks offshore; tidal creek; RSMA method; Voronoi diagram; dynamic changes

Abstract:The coast of Jiangsu Province is famous for its radial sandbanks offshore. Dynamic changes of tidal creeks are difficult to survey for complex, quick-changing terrain. Medial axis methods of tidal creeks are the focus of this paper. The concept of medial axis in mathematics, as well as voronoi diagram （V diagram） in GIS for its special properties, was introduced and discussed,. Points in every edge of V diagram have the shortest distance to adjacent edges of polygon. Thus, medial axis extraction is converted to V diagram generation. Remote Sensing Medial Axis method （RSMA method） is presented because it is quick and convenient for survey, much better than previous traditional visual interpretation methods. Using the RSMA method, five main tidal creeks in the area were extracted and studied based on four TM images from 1988, 1995, 2003 and 2008. The results showed that: （1） for analysis on main tidal creeks in different time, RSMA method revealed the dynamic evolution quickly and accurately; （2） during the last 20 years, Xiyang deep trough had the greatest changes as the west coast retreated back and the east extended east; while the rest four tidal creeks moved in the north-south direction periodically and went straight gradually. Therefore, study on the evolution of tidal creeks has great significance for monitoring the dynamic changes of tidal fiat, development and utilization of coastal zone and the construction of coastal engineering.

（本文編輯:劉珊珊）

Application of remote sensing medial axis method in investigation of dynamic changes of tidal creeks in radial sandbanks offshore Jiangsu Province

LIU Yan-chun, ZHANG Ying
（Geographical Science College, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China）

P941.8

A

1000-3096（2011）02-0072-05

2009-06-29;

2010-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40606044）; 江蘇省近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)（JS-908-01-03）

劉燕春（1985-）, 女, 江蘇常州人, 碩士研究生, 主要從事遙感、海洋信息技術(shù)和 GIS應(yīng)用方面的研究, 電話: 13814173558,E-mail: lingxiang-2@163.com