陶 旭，張 東

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

潮灘主要指淤泥質(zhì)海岸的潮間帶淺灘，是在各種動力、環(huán)境因素作用下，受潮汐水位變動影響的陸地與海洋交匯地帶［1-2］。在淤泥質(zhì)潮灘的沉積研究中，潮灘高程描述了潮灘表面的高低起伏特性，是研究潮灘沖淤動態(tài)變化的重要指標(biāo)，對港口建設(shè)、海涂資源開發(fā)利用和潮灘環(huán)境保護等具有重要意義。傳統(tǒng)的潮灘高程測量依據(jù)潮情的差異采取不同的方法：高潮時，潮灘被水覆蓋，利用船載聲吶技術(shù)測量；低潮時，潮灘出露，利用水準(zhǔn)儀或全站儀測量。近年來發(fā)展了實時動態(tài)測量GPS-RTK（Real-time Kinematic）技術(shù)［3］和激光雷達技術(shù)［4］，使潮灘高程測量的范圍與精度有了很大提高。但上述測量方法由于受到潮灘區(qū)自然條件的限制或影響，致使潮灘高程測量工作量巨大、成本高、更新時間慢，因此，尋求其它方法來獲取潮灘高程非常必要。

遙感技術(shù)具有信息量大、同步大范圍、空間多尺度、受地面條件限制少等特點，是對地物信息進行探測和識別的有效技術(shù)手段，在潮灘概要地形獲取方面有很大的優(yōu)勢。目前利用遙感技術(shù)獲取潮灘高程的主要方法為水邊線法（Waterline method），該方法利用多時相遙感影像提取多時相水邊線，結(jié)合影像成像時刻的潮位資料，將瞬時水位值賦給相應(yīng)的水邊線，以確定水邊線的高程，然后利用空間離散插值方法得到灘面高程［5-11］。事實上，水邊線法所依賴的潮位資料較難獲得，而且由于受波浪作用等的影響，水邊線上的點并非處處等高，不能完全真實反映潮灘的實際高程［12-13］。因此水邊線法的實際應(yīng)用受到較大限制。

在遙感地物信息提取研究中，高光譜遙感以其較高的光譜分辨率發(fā)揮著重要作用。根據(jù)前期研究我們發(fā)現(xiàn)，潮灘地表光譜信息中隱含著灘面高程信息［14］。據(jù)此，本研究以Hyperion高光譜遙感影像為研究對象，擬通過分析高光譜影像反射率與實測高程之間的相關(guān)關(guān)系，建立地表反射率與高程的轉(zhuǎn)換關(guān)系模型，實現(xiàn)潮灘大范圍概要地形信息的高光譜定量反演，從而為淤泥質(zhì)潮灘動態(tài)變化監(jiān)測及潮灘資源綜合開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)介紹

大豐王港潮灘位于江蘇省沿海中部地區(qū)，地理位置為33°12′30″～33°17′00″N，120°46′30″～120°49′30″E（圖1）。研究區(qū)北側(cè)為大豐港一期工程，東側(cè)為南黃海的西洋深槽，王港河從研究區(qū)中部入海。王港潮灘灘面平坦，寬約3.0 km，平均坡度約為0.19～0.39，剖面形態(tài)略向上凸起，主要沉積物類型為粉砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂，是典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸［15］。由于受到岸外輻射沙脊群的掩護并能得到泥沙供給，王港潮灘維持淤漲狀態(tài)，屬于淤漲型岸段［16］。王港附近海區(qū)受東海前進潮波影響，為正規(guī)半日潮。由于研究區(qū)向海側(cè)受到岸外輻射沙脊群的掩護，北部受大豐港向海凸出的引堤掩護，潮汐作用強于風(fēng)浪作用，潮流是潮灘物質(zhì)運移與沉積的主要動力，波浪對潮灘物質(zhì)的向岸搬運也有一定作用［2，17］。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

2 數(shù)據(jù)與處理

2.1 Hyperion影像獲取與處理

本研究選用的遙感數(shù)據(jù)源為EO-1（Earth Observing-1）上搭載的Hyperion L1R高光譜遙感影像數(shù)據(jù)。由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于2000-11-21成功發(fā)射，太陽同步軌道，軌道高度為705 km，傾角98.7°，周期98 min，每16 d對全球覆蓋一次（圖1）。成像時間為星載高光譜成像光譜儀2007-11-03T10：26時（北京時間），成像時太陽高度角為38.81°，太陽方位角為156.50°。Hyperion以推掃方式獲取數(shù)據(jù)，光譜連續(xù)覆蓋范圍為356～2 577 nm，共有242個波段，影像光譜分辨率為10 nm，1～70波段為可見光-近紅外波段（VNIR），光譜范圍356～1 058 nm；71～242波段為短波紅外波段（SWIR），光譜范圍852～2 577 nm。影像空間分辨率為30 m，掃描幅寬為7.5 km［18］。

考慮到大氣散射、水汽吸收等影響，經(jīng)過分析選擇，在高光譜影像的242個波段中，剔除受水汽影響及數(shù)據(jù)異常的356～486 nm，916～951 nm，1 337～1 486 nm，1 791～2 041 nm，2 092～2 122 nm和2 336～2 577 nm波段范圍，保留剩余的141個波段進行數(shù)據(jù)分析。在此基礎(chǔ)上，對剩余波段進行壞線修復(fù)、條紋去除、大氣校正、幾何校正和水陸分離等預(yù)處理，得到潮灘研究區(qū)反射率影像［19］。

圖2 研究區(qū)Lidar高程數(shù)據(jù)（L1～L8為數(shù)據(jù)提取斷面）Fig.2 An elevation map of the study area，in which the data were measured with Lidar technique（Lines L1～ L8 are the sections from which data were extracted）

2.2 高程數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究使用的高程數(shù)據(jù)為Lidar生成的高精度數(shù)字地面模型，由江蘇省測繪局提供。Lidar測量點距為4 m，相對航高為3 000 m，單航帶覆蓋寬度為2.485 km，高程精度0.33 m，采用國家黃海85高程基準(zhǔn)［4］。經(jīng)ENVI軟件掩膜裁剪等操作，將高程數(shù)據(jù)和高光譜影像處理成相同的覆蓋范圍，投影為UTM，坐標(biāo)為WGS-84，地面分辨率為30 m，結(jié)果如圖2所示。

2.3 反射率與高程建模數(shù)據(jù)提取

為得到反射率與高程數(shù)據(jù)對，建立反射率與高程之間的關(guān)系模型，首先提取斷面數(shù)據(jù)，斷面位置如圖2中的L1～L8所示。以王港河為界，將研究區(qū)分為北灘和南灘兩部分，8條斷面共521個數(shù)據(jù)對，北灘的4條斷面號為L1～L4，南灘的4條斷面號為L5～L8。斷面大致垂直岸線布置，其中L4和L5兩條斷面位于潮溝附近。在8條斷面中，L1，L2，L5和L7斷面共257個數(shù)據(jù)對作為高程建模數(shù)據(jù)，L3，L4，L6和L8斷面共264個高程數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)，用于檢驗所建立高程反演模型的精度。

3 結(jié)果與分析

3.1 灘面高程反演的單波段模型

3.1.1 北灘、南灘灘面高程整體建模結(jié)果

計算不同波段光譜反射率與實測高程之間的相關(guān)系數(shù)，以相關(guān)性高低作為高程反演敏感波段選擇的依據(jù)，實現(xiàn)灘面高程反演敏感波段的篩選。將斷面L1，L2，L5和L7的實測高程值與對應(yīng)的141個波段的反射率值進行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)隨波段變化的曲線如圖3所示。

可以看出，相關(guān)系數(shù)較高的波段集中在2個波長范圍，一處是813～833 nm的近紅外波段，反射率與高程之間呈負相關(guān)，隨著波長增加，相關(guān)性呈逐漸增大趨勢；另一處是2 082～2 304 nm的短波紅外波段，反射率與高程之間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)隨波長的增加穩(wěn)定在0.30附近變化。在2個波長范圍中，相關(guān)性最高的波段位于2 092 nm波段，相關(guān)系數(shù)R為0.31。在中心波長487～620 nm的綠波段和1 023～1 134 nm的短波紅外波段，反射率與高程之間相關(guān)系數(shù)接近0。

由于2 092 nm波段對粘土礦物含量及土壤含水量變化較為敏感，因此最終選擇位于近紅外波段范圍內(nèi)相關(guān)性較高且穩(wěn)定的823 nm波段作為建模波段，建立灘面高程反演的單波段模型如下

式中，H為反演的灘面高程（m），R823為823 nm波段的光譜反射率。

圖4顯示了建模點在823 nm波段的地表反射率與實測高程之間的散點分布狀況，可以看到數(shù)據(jù)點比較分散，由于潮灘坡度平緩，高程值相對集中，而反射率分布較廣，因此高程與反射率之間沒有明確的對應(yīng)關(guān)系。通過計算，建模點與驗證點的高程反演相關(guān)系數(shù)R分別為0.3和0.47。因此我們認為將研究區(qū)作為整體統(tǒng)一建模，高程反演效果不理想。

圖3 光譜反射率與高程的相關(guān)系數(shù)曲線Fig.3 Correlation coefficients between the spectral reflectance and the elevation

圖4 823 nm波段光譜反射率與高程模型Fig.4 The spectral reflectance with a central wavelength of 823nm and the Elevation model

進一步分析圖4中數(shù)據(jù)點的分布特征，可以看出數(shù)據(jù)點分布具有“區(qū)域性集中”的特點。如果以1m的高程值為分界線，可將數(shù)據(jù)點分為2部分，大于1 m的高程值分布為1～1.5 m，對應(yīng)的反射率值為0.08～0.25；小于1 m的高程值分布為-1.5～1 m，對應(yīng)的反射率值為0.14～0.29。在這2個分區(qū)內(nèi)，高程與反射率之間具有相對較好的線性相關(guān)關(guān)系。

為了得知研究區(qū)內(nèi)的高程分布規(guī)律，觀察數(shù)據(jù)點的空間地理位置特征，將圖中數(shù)據(jù)點高程值按1 m進行劃分，結(jié)合以上建模的4條斷面高程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)2組數(shù)據(jù)點分別對應(yīng)研究區(qū)中的北部和南部灘面區(qū)域，其中北灘L1，L2建模斷面絕大多數(shù)高程數(shù)據(jù)大于1 m，僅在靠近潮溝處的個別點高程值小于1 m，高程差小，灘面較平坦；而南灘L5，L7建模斷面高程值基本小于1 m，高程差大，局部地形起伏較明顯（圖2）。鑒于此，將研究區(qū)從空間上分為北灘、南灘兩部分，分別建立灘面高程模型，進行高程反演。

3.1.2 北灘、南灘灘面高程分別建模結(jié)果

將北灘建模斷面L1、L2以及南灘建模斷面L5、L7的高程數(shù)值分別與對應(yīng)的141個波段光譜反射率值進行相關(guān)分析，得到不同波段的相關(guān)系數(shù)分布曲線如圖5所示?？梢钥闯龇謪^(qū)域建模后相關(guān)系數(shù)高的波段位置發(fā)生了變化。北灘高程與反射率之間均成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較高的波段集中為993～1 336 nm，各波段相關(guān)系數(shù)R的平均值在0.5左右；南灘高程與反射率在可見光-近紅外波段區(qū)間為負相關(guān)關(guān)系，隨著波長的增加相關(guān)性降低，相關(guān)系數(shù)較高的波段集中在1 155～1 689 nm的短波紅外波段，各波段相關(guān)系數(shù)R的平均值在0.7左右。

綜合考慮各波段相關(guān)系數(shù)的大小以及波段的統(tǒng)一性，最終選用1 275 nm波段作為北灘和南灘高程建模的敏感波段，建立灘面高程反演模型。北灘、南灘的高程建模結(jié)果如圖6所示，模型如下：

圖5 北灘、南灘光譜反射率與高程的相關(guān)系數(shù)曲線Fig.5 Correlation coefficients between the spectral reflectance and the elevation in the north and the south tidal flats

式中，H北、H南分別為北灘和南灘的反演高程（m）；R1275為1 275 nm波段的光譜反射率。對于建模點來說，北灘與南灘實測高程與反演高程的相關(guān)系數(shù)R分別為0.55和0.76。從圖6可以看出，隨著反射率增大，北灘、南灘高程也呈增大的趨勢，光譜反射率與高程之間呈正相關(guān)關(guān)系。

圖6 實測高程與1 275 nm波段反射率相關(guān)圖g.6 Correlation between the measured elevation and the reflectance with a central wavelength of 1275nm

北灘驗證選用L3、L4斷面，共106個數(shù)據(jù)；南灘驗證選用L6、L8斷面，共158個數(shù)據(jù)，高程驗證結(jié)果如圖7所示，北灘、南灘實測高程與反演高程的相關(guān)系數(shù)R分別為0.52和0.69。從高程反演結(jié)果來看，北灘與南灘的共同特點是模型反演高程的量值范圍普遍小于實測高程，其中，北灘實測高程范圍為1.0～1.54 m，模型反演高程范圍為1.15～1.4 m；南灘實測高程范圍為-1.45～1.0 m，模型反演高程范圍為-0.8～0.6 m，可見模型反演的高程差僅占實測高程差的50%～60%。其主要原因在于雖然分區(qū)以后反射率與灘面高程之間的相關(guān)性與分區(qū)前相比有較大程度的提高，但是從圖6所示的數(shù)據(jù)分布來看，數(shù)據(jù)點在趨勢線兩側(cè)比較分散，導(dǎo)致數(shù)據(jù)殘差偏大，從而使模擬的高程值集中于高程建模的趨勢線附近，造成遠離趨勢線的數(shù)據(jù)點在模擬高程與實測高程之間產(chǎn)生較大程度的偏離。而從北灘、南灘高程反演精度對比來看，北灘高程平均值1.3 m，高差約0.6 m，灘面坡度相對平緩；南灘高程比北灘低，高程平均值0.15 m，高差約1.9 m，大致為北灘高差的3倍，因此南灘高程分布有較明顯的層次性，在相近的反射率變化范圍內(nèi)所反映的高程差也大于北灘，從而使南灘高程反演精度略高與北灘。而北灘由于高程值分布相對集中，相鄰反射率對應(yīng)的高程值差別不大，反射率與高程之間的對應(yīng)關(guān)系相對較弱，從而使高程反演精度低于南灘。

圖7 實測高程與反演高程對比Fig.7 Comparison between the simulated and the inverted elevations

3.2 北灘、南灘高程反演的多波段線性回歸模型

為盡可能多的利用高光譜影像不同波段的反射率信息，削弱不同地表背景因素對高程反演的影響，利用多元線性回歸方法進行了高程反演模型試驗。試驗選擇與單波段模型相同的北灘和南灘建模斷面數(shù)據(jù)，依據(jù)高程與光譜反射率的相關(guān)系數(shù)曲線（見圖5），按照相關(guān)系數(shù)高低順序排列波段，選取相關(guān)性高且波段間信息冗余度小的1 164 nm、1 275 nm和1 336 nm波段，作為高程反演因子，實現(xiàn)北灘、南灘多波段線性回歸模型的構(gòu)建。利用SPSS 16.0進行多元統(tǒng)計回歸分析，建立模型如下：

式中，R1164、R1275、和R1336分別為1 164 nm、1 275 nm和1 336 nm波段的光譜反射率。

通過高程反演精度驗證對比，由多波段線性回歸模型反演得到的建模點與驗證點高程反演相關(guān)系數(shù)R在北灘分別為0.59和0.51，在南灘分別為0.75和0.64。該精度與北灘、南灘分別建模的單波段模型相比，只有北灘建模點高程反演精度有所提高，但提高程度有限，而其他建模點與驗證點的高程反演精度都為一定程度的下降。因此多波段線性回歸方法與單波段模型相比并沒有有效提高高程反演精度，最終采用北灘、南灘分別建模的單波段模型來實現(xiàn)潮灘灘面的高程反演。

3.3 潮灘灘面高程反演

將北灘、南灘建模的單波段高程反演模型分別應(yīng)用到北灘、南灘的1 275 nm波段，進行高程反演，得到研究區(qū)的反演高程結(jié)果如圖8所示。

3.3.1 灘面高程整體對比分析

將研究區(qū)的遙感反演高程結(jié)果與北灘、南灘實際高程（圖2）進行比較可以看出，北灘實測高程由陸向海表現(xiàn)出高-低-高的變化趨勢，近海和近陸兩側(cè)高程大于1.30 m，中間的高程介于0.58～1.30 m，且西南近潮溝處部分高程值小于0 m；而反演高程主要由位于向海側(cè)的0.58～1.30 m和向陸側(cè)的大于1.30 m的兩部分組成，這兩部分空間分布比較規(guī)律，分界線總體與岸線平行，體現(xiàn)出高程由陸向海逐漸降低的趨勢，在近海一側(cè)只是在局部區(qū)域模擬出沿水邊線排列的大于1.30 m的地形，但是沒能模擬出位于王港河左側(cè)與潮灘連接處的低地形，這也體現(xiàn)出所構(gòu)建的模型只是模擬了灘面高程的平均變化趨勢，在接近于北灘高程平均值1.16 m附近的高程點反演精度較高，而在地形變化大的局部區(qū)域模擬結(jié)果不夠理想。

圖8 研究區(qū)遙感反演高程數(shù)據(jù)Fig.8 The elevation map of the study area inverted based on remote sensing data

南灘的實測高程分布與北灘有較大差異。北灘由于大豐港引堤的庇護，灘面水動力較弱，泥沙沉積顆粒粗，灘面高程高；而南灘在王港河入海徑流、泥沙以及外海潮流的共同作用下，水動力較強，泥沙顆粒細，灘面高程總體低于北灘，特別是在近海側(cè)高程有明顯的降低現(xiàn)象，灘邊坡度明顯大于灘面。其中小于-0.23 m的反演高程集中在靠海一側(cè)，并呈分叉狀向南灘內(nèi)部深入，-0.23～0.27 m的反演高程位于潮灘中部，0.27～0.58 m的反演高程位于靠陸一側(cè)，整體表現(xiàn)出與北灘一致的由陸向海高程逐漸分帶降低的規(guī)律，但是與北灘相似，沒有能夠有效反演出受潮溝影響的地形起伏較大的區(qū)域，反演高程的范圍小于實際高程。

由此可見，遙感反演高程與實測高程的變化趨勢大致相同，即高程從岸向海逐漸降低，體現(xiàn)了地形變化受潮汐動力和泥沙供給共同作用的結(jié)果，同時反演高程能夠較好地模擬出潮灘地形的平均變化趨勢，但對地形起伏較大的區(qū)域，反演效果較差。

3.3.2 斷面高程形態(tài)對比分析

我們分別對北灘和南灘共四條驗證斷面進行實測高程與反演高程的斷面形態(tài)對比與地形反演精度分析，圖9中（a）、（b）、（c）、（d）分別代表了L3，L4，L6，L8的斷面高程形態(tài)對比結(jié)果，圖中橫軸的距離0點代表斷面在岸線一側(cè)的起始位置。

從斷面形態(tài)來看，遙感反演的斷面高程曲線基本在實測高程的擬合趨勢線附近變化，可見遙感反演的高程可以較好的模擬地形的平均變化趨勢，但是對局部地形變化較大的區(qū)域，高程模擬結(jié)果不太理想，可能的原因是灘面上小型沙脊或潮溝地形的存在導(dǎo)致潮灘上坡面的起伏，這種局部地形特征會對柵格平均的地表反射率產(chǎn)生影響。利用平均絕對誤差MAE（Mean Absolute Error）、平均相對誤差 MRE（Mean Relative Error）和均方根誤差RMSE（Root Mean Square Error）三個統(tǒng)計指標(biāo)對斷面高程反演結(jié)果進行精度分析與評價［20］，見表1。

圖9 斷面高程形態(tài)對比Fig.9 Comparison of elevation shapes along the validation sections

表1 斷面高程反演精度評價Table 1 Evaluation of the accuracy of the inverted elevations along the validation sections

可以看到，斷面總平均最大高差為135.5 cm，由于實際北灘斷面平均高程約為南灘的5倍，而高程差僅為南灘的，因此北灘地形明顯平緩于南灘，在北灘斷面的MAE和MRE分別為7.75 cm、6.2%，而南灘則相對高的多，MAE和MRE分別為36.75 cm、141%，RMSE體現(xiàn)了反演高程同實測高程值之間的偏差，北灘斷面小于南灘斷面，分別為9.5 cm和45.2 cm，證明在起伏程度小的北灘，反演斷面高程形態(tài)與實際比南灘更為接近。

4 結(jié) 語

1）潮灘地表光譜中隱含著灘面高程信息，可有效進行灘面高程的遙感反演，但反演時需要考慮灘面地貌形態(tài)的影響。沙脊與潮溝的存在使潮灘地形產(chǎn)生起伏，影響太陽光的地表反射，地形起伏越大，對地表反射率的影響也越大，從而導(dǎo)致地形起伏區(qū)與地形平坦區(qū)的相同地表反射率可能對應(yīng)不同的高程，即存在同物異譜的現(xiàn)象。因此在進行灘面高程建模時，可以結(jié)合先驗知識或者直接利用影像紋理特征進行空間分區(qū)，分別建模，提高高程模型的適應(yīng)性。

2）地形平坦區(qū)，地表反射率與灘面高程在可見光-近紅外-短波紅外波段均成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性高的波段集中在993～1 336 nm波段。地形起伏區(qū)，地表反射率與灘面高程在可見光-近紅外波段為負相關(guān)關(guān)系，隨著波長的增加相關(guān)性降低；在短波紅外波段為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性高的波段集中在1 155～1 689 nm。這些波長范圍內(nèi)的地表反射率對地形變化較為敏感，1 164、1 275和1 336 nm波段是高程反演的理想波段。

3）通過對建立的灘面高程反演單波段模型和多波段線性回歸模型模擬結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，波段數(shù)的增加雖然可以引入更多的信息，但是對高程反演精度沒有明顯的提高，因此建議用單波段模型來進行灘面高程的遙感反演。

4）遙感反演高程能夠較好的模擬出潮灘地形的平均變化趨勢，但對局部地形起伏較大的區(qū)域，反演效果較差。對于江蘇大豐王港的粉砂淤泥質(zhì)潮灘來說，灘面平均高差為135.5 cm，北灘MAE、MRE和RMSE分別為7.5 cm、6.2%、9.5 cm，南灘為36.75 cm、141%和45.2 cm。證明利用高光譜遙感技術(shù)可以有效反演潮灘區(qū)的概要地形，從而為大范圍潮灘的沖淤變化分析提供可靠依據(jù)。

下一步研究計劃從2個方面入手：一是尋找有效的灘面高程反演因子。潮灘沉積物粒徑的空間變化與水動力環(huán)境息息相關(guān)，而水動力過程是灘面地表形態(tài)塑造的關(guān)鍵?？梢酝ㄟ^建立潮灘沉積物粒徑與光譜的關(guān)系模型，由粒徑的空間變異信息來分析灘面高程的變化；二是通過空間插值和趨勢面重建，來有效剔除高程反演中得到的異常值，通過數(shù)據(jù)后處理的方式提高高程反演精度，使反演得到的潮灘DEM更加平滑，更加符合實際的地形變化趨勢。

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